基于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)Turbo編碼器芯片設(shè)計

摘要：本文介紹了數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中信道編碼的應(yīng)用及發(fā)展的新方向，并在此基礎(chǔ)上我們設(shè)計了可以應(yīng)用于數(shù)字電視傳輸?shù)腡urbo碼編碼器芯片，并通過EDA前后端設(shè)計工具，完成了整個ASIC級的設(shè)計。為了滿足實際數(shù)字電視信號的實時處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設(shè)計中采用了流水線技術(shù)。
關(guān)鍵詞：Turbo編碼器，數(shù)字電視，信道編碼，T-TCM

1.前言

信道編碼在數(shù)字電視中是非常關(guān)鍵的部分，它對數(shù)字電視系統(tǒng)整體性能的好壞起到了舉足輕重的作用。而Turbo碼是目前所有信道編碼方案中最好的，我們在數(shù)字電視信道編碼理論和Turbo編解碼理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了可用于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的Turbo碼編碼器芯片。設(shè)計中我們用EDA前后端設(shè)計工具完成了整個芯片的設(shè)計流程。Turbo編碼器芯片的電路功能是實現(xiàn)Turbo信道編碼及其發(fā)送過程，編碼數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)為16bits/block。為了滿足實際數(shù)字電視信號的實時處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設(shè)計中采用了流水線技術(shù)。

2.數(shù)字電視中的信道編碼

2.1 數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)

(1) 美國的高級數(shù)字電視系統(tǒng)委員會標(biāo)準(zhǔn)，即ATSC，采用格型編碼的八電平殘留邊帶調(diào)制（8-VSB）。

(2) 歐洲的數(shù)字地面視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-T，采用的是編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制（COFDM）。

(3) 日本的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播ISDB-T，采用的頻帶分段傳輸正交復(fù)用調(diào)制（BST-OFDM）。

以上是國際三大數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。

2006年8月30日，以清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心提出DMB-T標(biāo)準(zhǔn)和上海交大的ADTB-T標(biāo)準(zhǔn)的融合標(biāo)準(zhǔn)，最終被確立為我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪覙?biāo)準(zhǔn)，名為《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀、信道編碼和調(diào)制》（簡稱DMB-TH標(biāo)準(zhǔn)）。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的國際公告，該標(biāo)準(zhǔn)號為GB20600-2006的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)已被正式批準(zhǔn)成為強制性國家標(biāo)準(zhǔn)，將在明年8月1日正式實施。它標(biāo)志著中國數(shù)字電視自主知識產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化破冰啟航。

2.2 數(shù)字電視系統(tǒng)信道編碼方案

數(shù)字電視國際三大標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼方案及我國數(shù)字電視新標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼方案（采用的是清華的信道編碼方案）基本上都是采用RS碼作為外碼，加上交織器，加上內(nèi)碼（卷積碼或TCM）的典型級聯(lián)碼的結(jié)構(gòu)^[2]。而作為內(nèi)碼的卷積碼/TCM的保護能力在很大程度決定了系統(tǒng)的白噪聲門限。其糾錯能力與香濃極限相比還有一定的距離。

本文的Turbo碼編碼器芯片的設(shè)計是在國家新標(biāo)準(zhǔn)出臺之前，但在我們的設(shè)計之前已經(jīng)深入研究了清華DMB-T標(biāo)準(zhǔn)和上海交大的ADTB-T標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了可用于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的Turbo碼編碼器芯片，以它作為內(nèi)碼，從而可大大降低系統(tǒng)的噪聲門限。

2.3 數(shù)字電視信道編碼的新思路

網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)（簡稱TCM）克服了傳統(tǒng)信道編碼的缺點，把調(diào)制與編碼結(jié)合起來，能夠在不增加帶寬和減小數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，獲得3～6dB的編碼增益，是一種高效調(diào)制方案。Turbo作為一種在低信噪比條件下性能優(yōu)異的信道編碼方法，顯然是實現(xiàn)網(wǎng)格編碼調(diào)制的理想方案，為編碼調(diào)制提供了新的思路^[1]。

采用Turbo碼于調(diào)制技術(shù)結(jié)合的Turbo-TCM技術(shù)（又稱為T-TCM技術(shù)）和用Turbo碼做子碼的多層編碼已成為實現(xiàn)編碼調(diào)制方案的新方向。圖1是一個二維T-TCM編碼器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 T-TCM的編碼器結(jié)構(gòu)      

 

     圖2 Turbo編碼器電路框圖

在以往的數(shù)字電視方案中已有在內(nèi)碼中采用TCM方案（如美國的ATSC標(biāo)準(zhǔn)），如果將Turbo碼與TCM結(jié)合的T-TCM方案應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)中，將會獲得更好的性能表現(xiàn)。

3.Turbo碼編碼的硬件實現(xiàn)

3.1 設(shè)計思路

由于流片時間限制，本文的設(shè)計只設(shè)計了Turbo編碼器芯片。

數(shù)字電視系統(tǒng)中，來自MPEG-2編碼形成的傳送碼流（TC），在經(jīng)過外碼和外碼交織后再經(jīng)內(nèi)碼、內(nèi)碼交織，完成信道編碼。我們的設(shè)計中將Turbo碼替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼（卷積碼/TCM）。

3.2 設(shè)計流程

我們的設(shè)計是按照ASIC的設(shè)計流程來進行的，設(shè)計流程如圖3所示。從設(shè)計系統(tǒng)行為級描述開始，依次通過系統(tǒng)行為級的功能驗證，設(shè)計綜合，綜合后仿真，自動化布局布線，到版圖后仿真，及DRC和LVS驗證。設(shè)計中我們使用的仿真工具是Candence公司的NC-Verilog，綜合工具是Synopses公司的Design Compiler，布局布線用的是Cadence公司的Silicon Ensemble，采用0.6µm技術(shù)工藝。

3.3 芯片主要功能模塊

圖2給出了Turbo碼編碼器芯片框圖。

1）分量編碼器：為遞歸系統(tǒng)卷積碼（RSC）編碼器，對系統(tǒng)輸入碼流信息進行遞歸系統(tǒng)卷積碼的編碼，采用約束長度為K=3，（7，5）碼。

2）交織器：在第2維RSC編碼之前對系統(tǒng)輸入碼流信息進行數(shù)據(jù)交織。本設(shè)計中采用S奇偶隨機交織，S=14。

3）編碼輸出模塊：按一定順序?qū)⒕幋a后數(shù)據(jù)流送出編碼器。

3.4 芯片參數(shù)

芯片名字：Turbo Coder

面積：1.70×1.70=2.89 mm²

邏輯單元：約5000門

封裝：CDIP20

Pins：19

技術(shù)工藝：CSMC 0.6μm 2p2m

芯片的最高工作頻率44.24Mhz，實際工作頻率可達28.6Mhz。圖示4為Turbo Coder芯片版圖。

   

圖3 設(shè)計流程圖圖                  

 4.Turbo碼芯片的版圖

4.芯片的仿真結(jié)果

為了確保整個Turbo碼編碼器芯片的功能的正確性，我們在每個階段都進行了嚴(yán)格仔細(xì)的仿真和驗證。這里我們用Cadence公司的仿真工具NC_Verilog進行了綜合前、綜合后的仿真及版圖后仿真。

圖5 綜合后的Turbo Coder的仿真波形

圖5是綜合后的仿真的波形。版圖后的仿真結(jié)果與綜合后的仿真結(jié)果一致。表明芯片的功能符合設(shè)計要求。

5.結(jié)束語

我們用上述的Turbo碼芯片來替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼（卷積碼/TCM），以相對較少的硬件資源得到系統(tǒng)的最高工作頻率44.24Mhz，實際工作頻率達28.6Mhz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的數(shù)字電視系統(tǒng)。

但由于只考慮了用Turbo碼替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼，實際應(yīng)用中帶寬利用率是較低的。若要提高帶寬利用率，同時取得較好的糾錯性能，可以考慮Turbo-TCM方案，但其譯碼更為復(fù)雜，特別是工作在高速情況下，對硬件的要求也更高。我們下一步的工作目標(biāo)將是基于數(shù)字電視的T-TCM的硬件實現(xiàn)方案。

 

參考文獻
[1]. 劉東華. Turbo碼原理與應(yīng)用技術(shù)[M] 北京：電子工業(yè)出版社，2004年1月.
[2]. 地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)（白皮書） 北京：清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心，2004年8月.
[3] . 鄭志航，全數(shù)字高清晰度電視和DVB[M]，北京：中國廣播電視出版社，1997.
[4]. C. Berrou ,A. Glavieux , and P. Thitimajshima Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding :Turbo-Codes[Z]. Proc ICC’93,  Geneva,  Switzerland , May 1993, PP. 1064-1070.
[5]. 晏裕春，蔣宇中等. 低信噪比通信系統(tǒng)中Turbo碼應(yīng)用仿真[J]. 微計算機信息，2006，1-1：P238-239、P102