DVB-C解交織器的FPGA實現(xiàn)

摘   要：本文分析了卷積交織和解交織的基本原理，然后采用Altera 的FPGA器件，用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來實現(xiàn)解交織器。無論從理論上，還是從計算機仿真和綜合結(jié)果上來分析，都可以看出用這種方法來實現(xiàn)DVB-C解交織器能有效地節(jié)省硬件資源。
關(guān)鍵詞：DVB-C；卷積交織；解交織器；FPGA

卷積交織和解交織原理簡介
    在DVB-C系統(tǒng)當(dāng)中，實際信道中的突發(fā)錯誤往往是由脈沖干擾、多徑衰落引起的，在統(tǒng)計上是相關(guān)的，所以一旦出現(xiàn)不能糾正的錯誤時，這種錯誤將連續(xù)存在。因此在DVB-C系統(tǒng)里，采用了卷積交織來解決這種問題。它以一定規(guī)律擾亂源符號數(shù)據(jù)的時間順序，使其相關(guān)性減弱，然后將其送入信道，解交織器按相反規(guī)律恢復(fù)出源符號數(shù)據(jù)。 

    DVB-C的卷積交織和解交織原理為：交織由I=12(I為交織深度)個分支構(gòu)成。每個分支的延時逐漸遞增，遞增的單元數(shù)M=n/I=204/12=17(M為交織基數(shù))。這里的數(shù)據(jù)單位為字節(jié)。0支路無延時，1支路延時17個符號周期，11支路則延時l7×11個符號周期。輸入端有一開關(guān)隨著時間推移依次連接各個延時支路，輸出端有一開關(guān)與輸入端一一對應(yīng)，同步連接各延時支路。

圖1 解交織器的實現(xiàn)框圖

圖2 解交織器的Modelsim仿真圖

解交織器的實現(xiàn)
解交織器的FPGA實現(xiàn)原理
    本文采用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來實現(xiàn)，因為RAM里面暫存一位數(shù)據(jù)，只需要用一個邏輯門大小的資源，比基本寄存器暫存一位數(shù)據(jù)需要12個邏輯門大小的資源要優(yōu)化很多。用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來實現(xiàn)解交織器，就是把RAM分成11個區(qū)。每個區(qū)的大小為(單位為字節(jié))：
    Ni=M*(I-i－1)(i=0，1,2, …,(I-1))
    這里i為RAM所分區(qū)的區(qū)號。

    因為11支路不需要延時，所以 RAM的11分區(qū)大小即N11為0。本文在RAM前面設(shè)置一個地址控制器，這是解交織器關(guān)鍵的一步。RAM每區(qū)有一個首地址和區(qū)內(nèi)偏移地址，分別用一個寄存器來存儲。在地址控制器里產(chǎn)生每區(qū)的首地址和區(qū)內(nèi)偏移地址，從而進一步產(chǎn)生RAM的讀寫地址。

解交織器的FPGA實現(xiàn)
    把解交織器的深度I和基數(shù)M設(shè)成參數(shù)，以增強程序的通用性。如果以后設(shè)計的解交織器的系數(shù)I和M需要改動，只要把參數(shù)值重新設(shè)置一下就可以了，不需要改動程序。由前面的計算可知，解交織器總共需要延時的比特數(shù)，也就是RAM的大小應(yīng)該為8976比特。

    可以用下面一段程序?qū)崿F(xiàn)首地址的初始化：
    FirstAddr[0]=0;
    for(i=1;i<(I-1);i=i+1)
    FirstAddr[i]=(I-i)*M+FirstAddr[i-1];

    也就是說0~11支路的首地址在RAM中分別為0，187，357，510，646，765，867，952，1020，1071，1105。

    RAM每區(qū)的字節(jié)數(shù)可以由參數(shù)來表示，即為(I-i-1)*M，i為分支號。

    每區(qū)內(nèi)偏移地址SectAddr[i]初始化為0，每寫入一個數(shù)據(jù)，遞增1并與由參數(shù)表示的每區(qū)的字節(jié)數(shù)進行比較，若兩數(shù)相等，則SectAddr[i]重新設(shè)為零，保證區(qū)內(nèi)偏移地址在每區(qū)內(nèi)循環(huán)移動。

    由上可知，RAM每區(qū)的讀寫地址為：FirstAddr[i]＋SectAddr[i](i為RAM分區(qū)號)

    圖1所示的就是由Altera MegaWizard工具配置的雙口RAM。RAM每區(qū)的讀寫地址相同，也就是先讀出給定地址單元的數(shù)據(jù)后，再寫入新的數(shù)據(jù)。這里要同時發(fā)生讀寫操作，所以要使用雙口RAM。每隔一個時鐘周期，RAM讀寫指針就跳到下一個RAM區(qū)，這樣讀寫指針在RAM的11個區(qū)循環(huán)移動，實現(xiàn)解交織。

    圖2為解交織器在Mentor公司的Modelsim SE環(huán)境下的邏輯仿真圖。Clk為時鐘信號，Reset為異步復(fù)位信號，ClkEn為時鐘使能信號，高電平有效，F(xiàn)rameFirstIn為幀同步信號，高電平有效。DeinterleaverIn為輸入數(shù)據(jù)。設(shè)計時要注意數(shù)據(jù)同步問題，要不然會造成數(shù)據(jù)錯位，導(dǎo)致設(shè)計的失敗。DeinterleaverIn為了在selector模塊輸入時和RAM的輸出數(shù)據(jù)q保持同步，要作相應(yīng)的延時，同步延時后DataIn4，同理，對應(yīng)地RAM的輸入數(shù)據(jù)DataIn1，selector模塊的使能信號ClkEn4等也是經(jīng)過同步處理得到。Flag為selector模塊的選擇控制信號，當(dāng)Flag信號為0~10時，選擇RAM的輸出數(shù)據(jù)q作為輸出，而當(dāng)Flag=11時，則選擇DeinterleaverIn經(jīng)過同步處理后的數(shù)據(jù)DataIn4作為輸出，從而保證在解交織器的11支路實現(xiàn)無延時輸出。在解交織器的最前面輸出的字節(jié)有些是無效的，加一個DataEffect模塊是為了等全部字節(jié)都有效時，才把FrameFirstOut信號置高，告訴后面的模塊數(shù)據(jù)開始全部有效。

    從資源利用方面考慮，使用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來實現(xiàn)DVB-C解交織器比全部用基本寄存器或用配置FIFO的方法來實現(xiàn)要優(yōu)化得多。

    為了更好地驗證，本文把設(shè)計在synopsys 公司的synplify pro軟件環(huán)境下進行綜合，選用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8器件。因為使用了軟核IP，所以再把生成的*.vqm文件導(dǎo)入synopsys公司的QuartusII 軟件進行再綜合，選擇同樣的器件類型和型號，結(jié)果說明采用雙口RAM設(shè)計所使用的邏輯單元較少，而且使用的8976比特RAM資源占用了Cyclone器件中的3個M4K，只有全部存儲資源的3%。

結(jié)語
    雖然采用卷積交織會在剛開始傳輸數(shù)據(jù)的時候輸出一些無效數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中引入一定的延時，但是它能把突發(fā)干擾造成的突發(fā)錯誤分散成隨機錯誤，利于RS糾錯，這樣一權(quán)衡，有延時也是很值得的。本文利用EDA工具完成解交織器的設(shè)計，并且采用Verilog和原理圖協(xié)同輸入的設(shè)計方法，大大提高了設(shè)計效率。這里設(shè)計的解交織器具有通用性，如果要用不同深度I和基數(shù)M的解交織器，只要重設(shè)程序里的參數(shù)值就可以了，非常方便。