用FPGA實(shí)現(xiàn)TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)語音信道編碼中的交織器

交織技術(shù)能很好地糾正信息傳輸過程中出現(xiàn)的突發(fā)性錯誤。在數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本文將在討論信息產(chǎn)業(yè)部重點(diǎn)支持發(fā)展的TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)語音信道編碼結(jié)構(gòu)和流程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究交織技術(shù)在其語音信道編碼中的應(yīng)用及用FPGA實(shí)現(xiàn)該交織器的方法。

1　語音信道編碼流程

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)中，語音信號數(shù)字化處理再經(jīng)過ACELP算法［1］編碼后得到低速率的語音數(shù)據(jù)流，該語音數(shù)據(jù)流分為三類，分別為：每幀（30 ms）0類為51比特、1類為56比特、2類為30比特。

在這三類中，2類是最關(guān)鍵的。2類比特用CRC碼和卷積碼來保護(hù)，1類比特只用卷積碼來保護(hù)，而0類比特是沒有保護(hù)的。根據(jù)TETRA數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)，將2個(gè)連續(xù)的30 ms（精確為29．97 ms）語音信息組合并。第一步把0類、1類和2類比特組合成一個(gè)群，產(chǎn)生一個(gè)代表60 ms話音的274比特的單組。2類比特通過一個(gè)CRC碼產(chǎn)生8比特校驗(yàn)碼，并加到2類子組的尾部。卷積碼既適用于1類比特，又適用于2類比特。4比特的尾部加到重新設(shè)置的編碼器狀態(tài)上。這里采用一種經(jīng)濟(jì)的收縮碼以3／2速率用于1類比特，以18／8速率用于2類比特、奇偶校驗(yàn)比特和尾部。

然后，所合成的330比特與無保護(hù)的0類比特重新合并，形成一個(gè)432比特組。最后對形成的432比特組進(jìn)行時(shí)隙內(nèi)的比特交織［2］，形成新的數(shù)據(jù)比特流，最后將該數(shù)據(jù)比特流與系統(tǒng)其他信息比特流復(fù)用，經(jīng)過調(diào)制后送入無線信道。

在信道編碼中采用交織技術(shù)，將連續(xù)的突發(fā)錯誤分散，使其轉(zhuǎn)換為隨機(jī)錯誤，從而提高整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。下面將主要研究語音信道編碼中如何使用交織技術(shù)。

2　交織器工作原理

數(shù)字通信中常用的交織器按交織對象分可分為字節(jié)交織和比特交織。這里以比特交織為例介紹一下交織器的工作原理。

假設(shè)有3個(gè)要傳輸?shù)模?,3）碼塊B1，B2，B3為：
　

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/349357.htm
不采用交織技術(shù)在信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特流為：　
　
變換后即交織處理后在信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特流為：　
　　
假設(shè)不采用交織技術(shù)接收端收到數(shù)據(jù)為（“×”表示傳輸過程中出錯的數(shù)據(jù)）：a2a1a0P1P0b2b1×××c2c1c0 R1R0。因?yàn)閭鬏數(shù)氖牵?，3）碼塊，這樣每個(gè)碼塊中出現(xiàn)一位錯誤可以糾正，故對碼塊b2 b1×××連續(xù)突發(fā)出現(xiàn)的三位錯誤就無法進(jìn)行糾正了。如果采用交織編碼后再傳輸數(shù)據(jù)，接收端收到數(shù)據(jù)應(yīng)為：a2b2c2a1 b1c1 a0×××Q1R1 P0 Q0 R0。接收端再對數(shù)據(jù)進(jìn)行序列變換得：a2 a1a0×P0b2 b1×Q1Q0c2c1×R1 R0。這樣連續(xù)突發(fā)出現(xiàn)的三位錯誤就分散到3個(gè)碼塊中，均可得到糾正。

一般來說，如果有r個(gè)（n，k）碼，排成r×n矩陣，按列交織后存儲或傳送，讀出或接收時(shí)恢復(fù)原來的排列，若（n，k）碼能糾t個(gè)錯誤，那么交織后就可糾rt個(gè)錯誤［3］。對糾正信道傳輸過程中出現(xiàn)的突發(fā)錯誤效果明顯。TETRA語音信道編碼中使用這種比特交織器。

3　用FPGA實(shí)現(xiàn)交織器的方法

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道編碼對語音比特流進(jìn)行交織編碼時(shí)，以CRC和FEC編碼后一個(gè)時(shí)隙內(nèi)432比特的語音數(shù)據(jù)流為處理單位，分成18行，每行24比特，進(jìn)行比特交織編碼。

根據(jù)Altera公司FLEX系列器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以利用EAB資源，用存儲器實(shí)現(xiàn)TETRA數(shù)字集群語音信道編碼中的交織器。這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，可以用現(xiàn)有的邏輯器件LPM-RAM-DP來實(shí)現(xiàn)。

考慮到語音實(shí)時(shí)傳輸過程延時(shí)要盡可能小，在此選用雙口RAM，以保證能對存儲器的緩沖區(qū)同時(shí)讀寫，減小延時(shí)。因?yàn)?4×18＝432＜1 024，故容量用1kB即可，圖1為實(shí)現(xiàn)該交織器的原理框圖。交織器實(shí)際工作時(shí)，先將一個(gè)時(shí)隙內(nèi)（60 ms）的432比特語音數(shù)據(jù)流按地址從0～431全部寫入左RAM，432比特的數(shù)據(jù)全部送達(dá)左RAM后，用分頻器產(chǎn)生控制信號使左RAM由寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換為讀狀態(tài)，可以從中讀出交織處理后的數(shù)據(jù)。同時(shí)右RAM狀態(tài)變?yōu)閷?，下一時(shí)隙的432比特?cái)?shù)據(jù)寫入右RAM，432比特的數(shù)據(jù)全部送達(dá)右RAM后，用分頻器產(chǎn)生控制信號使右RAM由寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換為讀狀態(tài)，同時(shí)左RAM變成寫狀態(tài)，依次反復(fù)循環(huán)完成交織編碼。

這種實(shí)現(xiàn)交織編碼的方法是將輸入的數(shù)據(jù)直接存入存儲器，存儲的順序由地址確定。然后再將這些數(shù)據(jù)按照一定的順序讀出來，順序也是由地址確定。因此做一個(gè)合適的地址產(chǎn)生器便能滿足交織編碼的要求，使用Altara的開發(fā)工具QUARTUS可以實(shí)現(xiàn)對該交織器的仿真。圖2為使用QUARTUSII實(shí)現(xiàn)該交織器的電路原理圖。

這是基于FLEX10K的EPF10K30EFC256-1器件實(shí)現(xiàn)的交織器，在QUARTUSII編輯器中，在lpmrom0存儲器中存儲滿足交織編碼的數(shù)據(jù)地址變換程序，仿真后編碼延遲遠(yuǎn)小于60 ms（一個(gè)時(shí)隙），滿足TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)語音信道編碼中交織編碼的要求。

4　結(jié)　語

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，我國現(xiàn)有的模擬集群通信系統(tǒng)必將被數(shù)字集群通信系統(tǒng)所代替。本文針對信息產(chǎn)業(yè)部重點(diǎn)支持發(fā)展的TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)語音信道編碼結(jié)構(gòu)和流程，分析了信道編碼中采用的交織技術(shù)，針對語音通信的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了用FPGA實(shí)現(xiàn)TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)語音信道編碼中的交織器的方法。為進(jìn)一步研究TERTA數(shù)字集群通信系統(tǒng)和信道編碼打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)


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（編輯：chiying）