用FPGA在数字电视系统中进行级联编码
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:469
摘 要：本文介绍了串型级联编码的原理，以及它在数字电视地面传输系统中的应用，通过fpga设计电路实现编码过程，最后说明串型级联编码的应用优越性。
关键字：fpga；编码；串型级联编码；数字电视地面传输系统 |
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概述
数字电视地面传输系统是一个无线通信系统。无线信道中，由于环境的影响，以及外来无线信号的干扰，通信质量较有线信道差许多。为了提高系统的抗噪声性能，必须设计合理的信道编译码部分，要求不但可以纠随机错，更重要是可以纠突发错。因为在许多同时出现随机错误和突发错误的复合信道上，往往发生一个错误会波及后面一串数据，导致突发误码超过纠错码的纠错能力。
纠正突发错误的一种有效方法是以一个可以纠正随机错误的码为内码，而以一个纠正突发错误性能良好的码作为外码，构成两级级联的编码方式。内码起到为外码纠正突发错误而清除离散误码的作用，从而提高信道整体纠错能力。本文基于数字电视地面传输系统的基带编码方案来介绍串型级联码的应用。
原理
由信道编码理论可知，随着码长n的增加，译码错误概率以指数方式趋近于零。因此为提高纠错码有效性，就必须使用长码。但码长增加，码率会相应下降，译码设备复杂性与计算量也相应增加，以致难以实现。forney于1966年提出了级联码的概念，有针对性的解决了这一矛盾。该方法将编码过程分为前后串行的几级完成，可以满足信道纠错对编码长度的要求，得到与长码相同的纠错能力和高的编码增益；而且不增加编/译码复杂度。利用级联码，通过合理的构造方法可以达到信道编码定理给出的码限，构造出渐近好码(shannon码)。
如图1所示，级联码一般由内码和外码两级组成，内码是gf(2)上的一个[n，k]码，外码是gf(2k)上的[n，k]码，编码规则如下：
(1)先将kk个二进制信息元划分成k段，每段有k个信息元。
(2)每段的k个信息元可看成是gf(2k)上的一个符号。将k个符号按外码的编码规则编成一个外码，码长为n，有k个信息符号，n-k个校验符号，最小码距为do，码率ro=k/n。
(3)外码的每一个符号，看成是k个二进制码元的码组，输入内码编码器，得到一个内码，码长为n，有n-k个校验元，最小码距为di，码率ri=k/n，由此得到n个[n,k]内码的码字序列。两级编码总共得到nn个二进制码元，kk个信息元，组成[nn，kk，dodi]级联码的码。
由上可知二级级联码是一个[nn，kk，dodi]二进制线性分组码，码率r=rori。
级联码的译码也对应采用分级处理。先按内码的规则译码，得到n个有k个码元组成的码后，再送入外译码器，最后由外译码器输出的是经过纠错的kk个信息元。
两级级联编码时，如果信道产生少量的随机错误，通过内码就可以纠错，当产生较长的突发错误或随机错误很多，已经超过内码的纠错能力时，内译码器输出的码子会有少量的几个错误。这仅相当于外码的几个符号错误，所以外码译码器能较容易地纠错。可以看出，级联码用来纠正错误情况严重的组合信道错误非常有效。
级联码的实现中，内码既可以做纯纠错，也可以用做纠错与检错，但一般情况下，级联码被用在组合信道中，内码中的某些码子错误很多，往往超过了内码的纠错能力。所以，内码通常仅用来纠正少量错误，其主要能力用来检错，指出错误位置；纠错任务则由外码译码器完成。这样两级译码的结果，得到了好的纠错效果，还使得内/外译码器均较简单，内译码器是检错译码器，外译码器是纠错译码器。
本质上讲，级联码编码是一种直接序列扩频系统，它把每个外码的码元，用码长为n的内码码子填充，使得系统的带宽扩展，从而提高了系统的抗干扰能力。
fpga设计
在数字电视地面传输系统中，所用的级联码是外码为rs(204，188)线性分组码，内码为码率可变的(2，1，6)卷积码，交织为卷积交织。
这里只介绍编码器端设计，至于译码端电路，由于译码方法比较多，电路设计不同，不同方案译码性能也有很大差距，这里就不作介绍了。
reed_solomen码(简称rs码)是一种多进制的bch码，在线性分组码中它的纠错能力和编码效率是最高的，所以选择它作为外码。本方案中的rs(204，188，t=16)是rs(255，239，t=16)的
摘 要：本文介绍了串型级联编码的原理，以及它在数字电视地面传输系统中的应用，通过fpga设计电路实现编码过程，最后说明串型级联编码的应用优越性。
关键字：fpga；编码；串型级联编码；数字电视地面传输系统 |
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概述
数字电视地面传输系统是一个无线通信系统。无线信道中，由于环境的影响，以及外来无线信号的干扰，通信质量较有线信道差许多。为了提高系统的抗噪声性能，必须设计合理的信道编译码部分，要求不但可以纠随机错，更重要是可以纠突发错。因为在许多同时出现随机错误和突发错误的复合信道上，往往发生一个错误会波及后面一串数据，导致突发误码超过纠错码的纠错能力。
纠正突发错误的一种有效方法是以一个可以纠正随机错误的码为内码，而以一个纠正突发错误性能良好的码作为外码，构成两级级联的编码方式。内码起到为外码纠正突发错误而清除离散误码的作用，从而提高信道整体纠错能力。本文基于数字电视地面传输系统的基带编码方案来介绍串型级联码的应用。
原理
由信道编码理论可知，随着码长n的增加，译码错误概率以指数方式趋近于零。因此为提高纠错码有效性，就必须使用长码。但码长增加，码率会相应下降，译码设备复杂性与计算量也相应增加，以致难以实现。forney于1966年提出了级联码的概念，有针对性的解决了这一矛盾。该方法将编码过程分为前后串行的几级完成，可以满足信道纠错对编码长度的要求，得到与长码相同的纠错能力和高的编码增益；而且不增加编/译码复杂度。利用级联码，通过合理的构造方法可以达到信道编码定理给出的码限，构造出渐近好码(shannon码)。
如图1所示，级联码一般由内码和外码两级组成，内码是gf(2)上的一个[n，k]码，外码是gf(2k)上的[n，k]码，编码规则如下：
(1)先将kk个二进制信息元划分成k段，每段有k个信息元。
(2)每段的k个信息元可看成是gf(2k)上的一个符号。将k个符号按外码的编码规则编成一个外码，码长为n，有k个信息符号，n-k个校验符号，最小码距为do，码率ro=k/n。
(3)外码的每一个符号，看成是k个二进制码元的码组，输入内码编码器，得到一个内码，码长为n，有n-k个校验元，最小码距为di，码率ri=k/n，由此得到n个[n,k]内码的码字序列。两级编码总共得到nn个二进制码元，kk个信息元，组成[nn，kk，dodi]级联码的码。
由上可知二级级联码是一个[nn，kk，dodi]二进制线性分组码，码率r=rori。
级联码的译码也对应采用分级处理。先按内码的规则译码，得到n个有k个码元组成的码后，再送入外译码器，最后由外译码器输出的是经过纠错的kk个信息元。
两级级联编码时，如果信道产生少量的随机错误，通过内码就可以纠错，当产生较长的突发错误或随机错误很多，已经超过内码的纠错能力时，内译码器输出的码子会有少量的几个错误。这仅相当于外码的几个符号错误，所以外码译码器能较容易地纠错。可以看出，级联码用来纠正错误情况严重的组合信道错误非常有效。
级联码的实现中，内码既可以做纯纠错，也可以用做纠错与检错，但一般情况下，级联码被用在组合信道中，内码中的某些码子错误很多，往往超过了内码的纠错能力。所以，内码通常仅用来纠正少量错误，其主要能力用来检错，指出错误位置；纠错任务则由外码译码器完成。这样两级译码的结果，得到了好的纠错效果，还使得内/外译码器均较简单，内译码器是检错译码器，外译码器是纠错译码器。
本质上讲，级联码编码是一种直接序列扩频系统，它把每个外码的码元，用码长为n的内码码子填充，使得系统的带宽扩展，从而提高了系统的抗干扰能力。
fpga设计
在数字电视地面传输系统中，所用的级联码是外码为rs(204，188)线性分组码，内码为码率可变的(2，1，6)卷积码，交织为卷积交织。
这里只介绍编码器端设计，至于译码端电路，由于译码方法比较多，电路设计不同，不同方案译码性能也有很大差距，这里就不作介绍了。
reed_solomen码(简称rs码)是一种多进制的bch码，在线性分组码中它的纠错能力和编码效率是最高的，所以选择它作为外码。本方案中的rs(204，188，t=16)是rs(255，239，t=16)的
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