基于COFDM的高清視頻無線傳輸系統的RS解碼技術

鄭　昊，魏海剛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

基于COFDM的高清視頻無線傳輸系統的RS解碼技術

鄭昊，魏海剛

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

摘要：編碼正交頻分復用(COFDM)是高清視頻無線傳輸系統常用的技術之一，RS編解碼技術在無線傳輸系統中有著至關重要的作用。針對以往使用現場可編程門陣列(FPGA)實現RS解碼出現延遲及資源占用較大的問題，研究了改進BM算法，對FPGA的實現方式進行優化，以很小的資源占用將其處理速度提升了約2.5倍，有效提升了RS解碼速度。

關鍵詞：編碼正交頻分復用；現場可編程門陣列；RS解碼；改進BM算法

0引言

近年來，隨著通用分組無線服務(GPRS)技術、碼分多址(CDMA)、正交頻分復用(OFDM)、第四代移動通信技術等無線通信網絡的興起，無線視頻傳輸系統以其機動靈活、直觀形象、操作方便等優點，被廣泛應用于部隊單兵作戰、公安遠程監控取證、電視節目轉播、礦井油田安全監控、地下車庫超市環境監控、小區環境監控等各個領域，并成為人們實現遠距離、大范圍現場監控的一種重要手段。COFDM技術傳輸速率高、抗干擾能力強，這使得在“高速運動中”和“非視通條件下”實現高質量實時圖像和數據傳輸成為可能。

通常情況下，無線傳輸信道狀況較差，極易發生錯碼等情況，使得通信質量降低。這對于要求高質量、高可靠性的圖像、聲音、文字快速高效傳輸的高清視頻無線傳輸系統帶來了巨大的影響，因此必須采用糾錯能力強且高效的糾錯碼技術[1]對信息進行處理。而常用的奇偶校驗碼、漢明碼、擴展漢明碼等都只能糾正1個錯誤、檢測2個錯誤。在高清視頻無線傳輸等這些要求較高的傳輸系統里，通常會有多個比特或者碼元發生錯誤，這就需要糾錯能力強的編碼方式，RS碼正好對此類錯誤具有顯著的糾錯效果，因此成為了近年來研究的重點。

針對常用RS解碼出現的延時及資源占用較大的問題，目前RS解碼硬件研究的一個方向是對已有算法在一定條件下進行優化，取長補短，從而獲得更快的解碼速度或者更小的資源占用[2]。本文采用能有效避免除法回路的改進BM算法實現RS解碼中的關鍵方程求解，在研究改進BM算法基礎上，對現場可編程門陣列(FPGA)實現方式進行優化，減小資源占用的同時，有效提高其處理速度，提升了系統綜合性能。

1RS解碼技術方案分析

RS解碼算法一般分為以下5步[3]：伴隨式計算、關鍵方程求解、錢(Chien)搜索、錯誤值計算及判決糾錯。其原理框圖如圖1所示。

圖1　RS解碼流程圖

圖2　伴隨式計算

圖3　改進BM算法實現電路圖

(2) 采用改進BM算法實現RS解碼的核心模塊,優點主要是能夠有效地避免除法電路，從而在降低資源占用的同時，有效提升系統性能。用改進BM算法計算錯誤位置多項式λ(x)和錯誤值多項式ω(x)，如圖3所示。

第1步，初始化：λ0(0)=b0(0)=1，b-1(r)=1，k(0)=0，γ(0)=1，λi(0)=bi(0)=1(i=1,2,…,t)。

第2步，輸入：Si(i=0,1,…,2t-1)。

第3步，迭代：for r=0 to 2t-1 (r取值從0到2t-1，步進為1)

(1) δ(r)=Sr·λ0(r)+Sr-1·λ1(r)+…+Sr-t·λt(r)。

(2) λi(r+1)=γ(r)·λi(r)-δ(r)·bi-1(r)，i=0,1,2,…,t。

(3) 如果δ(r)≠0 且k(r)≥0，那么：

bi(r+1)=λi(r)(i=0,1,2,…,t)，

γ(r+1)=δ(r)，

k(r+1)=-k(r)-1；

否則：

bi(r+1)=bi-1(r)(i=0,1,2,…,t)，

γ(r+1)=γ(r)，

k(r+1)=k(r)+1，

λi(2t),i=0,1,2,…,t,為錯誤位置多項式的各個系數。

(4) for i=0 to t-1(i取值從0到t-1，步進為1)

ωi(2t)=Si·λ0(2t)+Si-1·λ1(2t)+…+S0·λt(2t),i=0,1,2,…,t-1,為錯誤值多項式的各個系數。

(3) 計算錯誤位置采用錢搜索算法，即一次將α0,α,…,αn-1代入得到的錯誤位置多項式λ(x)中，由于αn=1，α-1=αn-1，所以，若αl是方程λ(x)=0的根，則可以判定αn-l是錯誤位置,如圖4所示。

圖4　計算錯誤位置

2RS解碼硬件實現

依照上述算法原理，用可編程邏輯器件FPGA構建硬件實現的RS(204，188)解碼主要由伴隨式計算模塊、關鍵方程求解模塊、錢搜索模塊、錯誤值計算模塊、判決糾錯模塊、乘法器、先進先出(FIFO)、

只讀存儲器(ROM)、比較器以及加法器等實現。

圖5　糾錯模塊

為驗證算法運算的正確性，向端口輸入188個字節的二進制數據(每個字節的十進制值均為24)，由編碼電路得到其16個校驗碼為：216，227，158，151，43，142，190，199，79，57，100，80，212，232，228，116，在其中插入5個錯誤，即為：216，227，158，151，43，142，190，199，79，57，101，81，213，233，229，116。

從圖6中可以看出，系統正確糾正插入的5處錯誤。在Virtex4系列器件的xc4vlx80-12ff1148上，通過ISE13.4綜合、布局布線、功能仿真、時序仿真，RS譯碼器僅占用2 482個slice，工作時鐘頻率可達到160.531 MHz，數據吞吐率達到了601.037 Mbps。其它實現方法的數據吞吐量僅有240 Mbps，在本系統中實現RS解碼，其處理速度有了明顯的提升。

圖6　RS解碼仿真結果

3結束語

隨著無線通信網絡的發展，高效的處理速度和低錯碼概率必然是大勢所趨。本文采用改進BM算法實現RS解碼中的關鍵方程求解，在研究改進BM算法的基礎上，通過對FPGA實現方式的優化，在不增加資源占用的同時，有效地提高了其處理速度，從而解決了在極易發生錯碼的無線傳輸過程中，高清視頻無線傳輸系統等需要高質量、高可靠的圖像、聲音、文字快速高效傳輸與無線傳輸易發生錯碼的矛盾，提升了系統綜合性能。

參考文獻

[1]王新梅,肖國鎮.糾錯碼原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社,2001.

[2]Fedorenko Sergei V.A simple algorithm for decoding Reed Solomon codes and its relation to the Welch Berlekamp algorithm[J].IEEE Transactions on Information Theory，2005，51(3):1196-1198.

[3]劉延海,張亮.RS編解碼的基本方法[J].信息技術，2011(32):3-5.

RS Decoding Technology of High Definition Video Wireless Transmission

System Based on COFDM

ZHENG Hao，WEI Hai-gang

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:Coded orthogonal frequency division multiplexing (COFDM) is one of the technologies used in high definition video wireless transmission system commonly,RS coding and decoding technologies play a very important role in the wireless transmission system.Aiming at the problems of delay and large resource consumption appear using field-programmable gate array (FPGA) to realize RS decoding,this paper studies the improved BM algorithm,optimizes the realization way of FPGA,which advances the processing speed about 2.5 times with a little resource consumption,improves the RS decoding speed effectively.

Key words:coded orthogonal frequency division multiplexing;field-programmable gate array;RS decoding;improved BM algorithm

收稿日期:2015-01-29

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.014

中圖分類號：TN918.4

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0051-03