HDTV接收機(jī)中Viterbi譯碼器的FPGA實現(xiàn)

高清晰度數(shù)字電視HDTV技術(shù)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的圖像壓縮編碼技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的結(jié)合。它代表一個國家的科技綜合實力，蘊藏著巨大的市場潛力。數(shù)字電視地面廣播編碼正交頻分復(fù)用COFDM傳輸系統(tǒng)以其較強(qiáng)的抗多徑干擾性能、易于實現(xiàn)移動接收等優(yōu)點在HDTV的研究中占有很重要的地位。而COFDM系統(tǒng)中編、解碼技術(shù)是影響系統(tǒng)性能的一個重要因素。本文正是基于一種最大似然譯碼--Viterbi VB譯碼算法思想，從FPGA實現(xiàn)的角度探討在COFDM系統(tǒng)中內(nèi)碼（收縮卷積碼）的解碼。

1 設(shè)計算法簡述

在HDTV地面廣播COFDM系統(tǒng)中，所用內(nèi)碼為收縮卷積碼，除1/2主碼率外，還有2/3、3/4、5/6、7/8碼率的卷積編碼。在實際的傳輸信道中，噪聲一般是加性高斯白噪聲(AWGN)，輸入AWGN信道的是二進(jìn)制信號序列。為了充分利用信道輸出信號的信息，提高傳輸系統(tǒng)譯碼的可靠性，首先把信道的輸出信號量化，將Q電平量化序列輸入Viterbi譯碼器，因此本文采用的VB譯碼算法為軟判決譯碼算法。

1.1 主碼率1/2的卷積碼編碼

目前，在國際衛(wèi)星通信和很多通信系統(tǒng)中，(2，1，6)碼是首選的使用VB譯碼的標(biāo)準(zhǔn)卷積碼。由于該碼能使誤碼率達(dá)到最小，且能克服相位誤差，所以在HDTV地面廣播COFDM傳輸系統(tǒng)中，內(nèi)碼采用(2，1，6)碼，它的子生成元為(171，133)，均為八進(jìn)制。對應(yīng)的生成多項式G D＝1+D+D2+D3+D6 1+D2+D3+D5+D6 df＝10。其編碼器的實現(xiàn)框圖如圖1。
由于(2，1，6)碼有64個狀態(tài)，為直觀起見，采用列表的方法來表述它的籬笆圖，如表1所示。


1.2 收縮卷積碼的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)多碼率傳輸，在提高碼率的情況下不致使譯碼器的復(fù)雜性增加，在本設(shè)計中對(2，1，6)碼進(jìn)行增信刪余(Puncctured)。如圖1所示，在經(jīng)上述編碼后，對輸出碼字中的特定位置予以刪除。這樣可以產(chǎn)生碼率為2/3、3/4、5/6、7/8的較高碼率的卷積碼。

1.3 維特比譯碼算法簡述

Viterbi VB譯碼算法是一種最大似然譯碼算法。在收端的譯碼過程中，根據(jù)對接收碼元處理方式的不同，分為硬判決和軟判決譯碼。在同一譯碼算法下，雖然硬判決譯碼較軟判決譯碼簡單而易于實現(xiàn)，但在性能上要損失2～3dB。因此本文的FPGA實現(xiàn)是基于軟判決來討論的。具體算法如下：
(1)從某一時間單位j＝m開始，對進(jìn)入每一狀態(tài)的所有長為ｊ段分支的部分路徑，計算部分路徑度量。對64態(tài)的每個狀態(tài)，挑選并儲存一條有最大度量的部分路徑及部分度量值作為留選路徑。
(2)j增加1，把此時刻進(jìn)入每一狀態(tài)的所有分支度量與同這些分支相連的前一時刻的留選路徑的度量相加，得到此時刻進(jìn)入每一狀態(tài)的留選路徑，加以存儲并刪去其它所有路徑。
(3)為了在FPGA 設(shè)計中達(dá)到較高的時鐘速度，本文在判決和輸出路徑寄存器的信息時，把所有64個路徑寄存器的第一段信息元取出，按大數(shù)判決準(zhǔn)則輸出第一段信息元。

2 維特比譯碼的FPGA實現(xiàn)

本文是在Altera公司推出的Quartus電路仿真環(huán)境中，采用AHDL語言和原理圖仿真相結(jié)合的方法來完成VB譯碼器的FPGA實現(xiàn)。