RS編譯碼的一種硬件解決方案

摘  要: 提出了基于歐氏算法和頻譜分析相結(jié)合的RS碼硬件編譯碼方法;利用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了GF(28)上最高速率為50Mbps、最大延時(shí)為640ns的流式譯碼方案,滿足了高速率的RS編譯碼需求。

關(guān)鍵詞: RS碼  FPGA  伴隨式  關(guān)鍵方程  IDFT

　　差錯(cuò)控制編碼技術(shù)對(duì)改善誤碼率、提高通信的可靠性具有重要作用。RS碼既可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤,又可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤,具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力,在通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。由于RS碼的譯碼復(fù)雜度高,數(shù)學(xué)運(yùn)算量大,常見(jiàn)的硬件及軟件譯碼方案大多不能滿足高速率的傳輸需求,一般適用于10Mbps以下。本文提出的歐氏算法和頻譜結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的RS硬件解碼方案,適用于FPGA單片實(shí)現(xiàn),速率高、延遲小、通用性強(qiáng)、使用靈活。筆者在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了GF(28)上符號(hào)速率為50Mbps的流式解碼方案，最大延時(shí)為640ns,參數(shù)可以根據(jù)需要靈活設(shè)置。

　　1 RS碼的結(jié)構(gòu)

　　碼字長(zhǎng)度為N=q-1(q=2i),生成多項(xiàng)式為g(x)=(x-αm0)(x-αm0)…(x-αm0+1),的RS碼有最小碼距δ=2t+1,能夠糾正t個(gè)隨機(jī)或突發(fā)錯(cuò)誤[1]。本文列舉的方案測(cè)試中采用的RS碼主要參數(shù)為N=255、m0=0、t=8,其中GF(28)的生成多項(xiàng)式為g(x)=x8+x4+x3+x2+1。由于RS碼的編碼邏輯結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,文中僅給出仿真結(jié)果。

　　2 RS碼的譯碼算法

　　RS譯碼算法一般分為三步:伴隨式計(jì)算、關(guān)鍵方程獲得和錯(cuò)誤圖樣的求解。其中關(guān)鍵方程的獲得是RS譯碼中最困難、最為關(guān)鍵的一步。

　　在利用伴隨式求解關(guān)鍵方程時(shí),BM算法和Euclidean(歐氏)算法是兩種較好的選擇。BM算法涉及大量的變量存儲(chǔ)和復(fù)雜的邏輯控制,適用于軟件編程而不適合硬件實(shí)現(xiàn)。歐氏算法數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量少、控制便捷,適合硬件實(shí)現(xiàn)。且采用歐氏算法確定關(guān)鍵方程所需時(shí)間與錯(cuò)誤個(gè)數(shù)成正比,因此從處理時(shí)間上考慮,歐氏算法也是較好的選擇。

　　在獲得關(guān)鍵方程后,采用時(shí)域處理方法,需要大量的運(yùn)算單元和控制電路,在硬件實(shí)現(xiàn)中是不可取的。而采用頻譜結(jié)構(gòu)分析方法,利用最短線性移位寄存器綜合及離散傅氏逆變換進(jìn)行處理,邏輯簡(jiǎn)單、耗時(shí)少,適合硬件實(shí)現(xiàn)。雖然在傅氏變換時(shí)需要較多的邏輯單元,但對(duì)GF(2n)在n<10的情況下,變換域譯碼器要比時(shí)域譯碼器簡(jiǎn)單得多。因而本文提出了歐氏算法和頻譜結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方案,并在實(shí)踐中獲得了較好的效果。

　　Euclidean算法[3]步驟如下:

　　3 方案流程

　　方案流程框圖如圖1所示。

　　3.1 伴隨式S0，S1，…,S2t-1的計(jì)算

　　令r1，r2，…,rn為接收到的RS碼字,根據(jù)系統(tǒng)碼監(jiān)督矩陣的特性,可構(gòu)造如圖2所示伴隨式計(jì)算電路Si=(((r1αi+r2)αi+r3)αi…)αi+rn，從而實(shí)現(xiàn)伴隨式序列的計(jì)算。

　　3.2 利用伴隨式確定關(guān)鍵方程

　　Euclidean算法的難點(diǎn)主要在于迭代計(jì)算過(guò)程中存在的被除數(shù)多項(xiàng)式和除數(shù)多項(xiàng)式長(zhǎng)度的不確定性,使每次計(jì)算中產(chǎn)生的商序列的長(zhǎng)度不等,以及因此可能涉及到的不定長(zhǎng)多項(xiàng)式的相乘和相加問(wèn)題,增加了硬件設(shè)計(jì)的難度。系統(tǒng)采用了嵌套雙循環(huán)的方法,利用‘時(shí)鐘產(chǎn)生2’控制外循環(huán),‘時(shí)鐘產(chǎn)生1’控制內(nèi)循環(huán),從而優(yōu)化了算法,得到了問(wèn)題的解決方案。在獲得伴隨式的基礎(chǔ)上,圖3電路可具體完成Euclidean算法對(duì)關(guān)鍵方程的求解σ(x)=σtxt+σt-1xt-1+…+σ1x+1。

　　3.3 利用最短線性移位寄存器綜合和離散傅氏變換

　　獲取錯(cuò)誤圖樣

　　在得到關(guān)鍵方程后,首先應(yīng)進(jìn)行錯(cuò)誤位置(關(guān)鍵方程的根)的確定,這樣可減小電路的規(guī)模;利用錢(qián)搜索[1](工程上求解σ(x)根的實(shí)用方法)的方法可以簡(jiǎn)捷地確定錯(cuò)誤位置。然后,啟動(dòng)最短線性移位寄存器綜合和離散傅氏逆變換,經(jīng)過(guò)N次(運(yùn)算所在域的長(zhǎng)度)迭代,即可求得對(duì)應(yīng)各個(gè)錯(cuò)誤位置的錯(cuò)誤圖樣，如圖4所示。用錯(cuò)誤圖樣對(duì)接收碼字進(jìn)行糾錯(cuò),就可得到正確的信息序列。

　　3.4 RS編譯碼在FPGA上的實(shí)現(xiàn)

　　有限域的乘法、加法運(yùn)算單元和各模塊的控制邏輯設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。涉及有限域的各個(gè)運(yùn)算單元的運(yùn)算速度制約了譯碼器的速度,而控制邏輯引導(dǎo)了譯碼的流程。硬件電路的軟件開(kāi)發(fā)工具給設(shè)計(jì)復(fù)雜電路提供了簡(jiǎn)捷思路。系統(tǒng)采用了QUARTUS與第三方軟件相結(jié)合的方法,用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了大部分功能模塊。特別是在乘法器設(shè)計(jì)中,乘數(shù)確定、被乘數(shù)不定的乘法器以及乘數(shù)、被乘數(shù)均不定的有限域乘法器,經(jīng)邏輯綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)后,運(yùn)算速度可分別在6.8ns和11.6ns內(nèi)完成,完全可以滿足系統(tǒng)符號(hào)速率50Mbps的要求。應(yīng)該指出,系統(tǒng)速度的進(jìn)一步提高受到求逆運(yùn)算的限制,求逆運(yùn)算沒(méi)有明確的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)(通常采用查表的方法),這是制約運(yùn)算速度的瓶頸。但針對(duì)流式譯碼算法,上述結(jié)構(gòu)已能滿足要求。

　　4 仿真結(jié)果

　　4.1 編碼器的仿真

　　仿真的時(shí)鐘頻率為50MHz,在EN為高電平時(shí)輸入信息有效。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),采用系統(tǒng)碼的縮短型,即信息為(00，00，…,00,02,01,02)。編碼器的仿真結(jié)果如圖5所示。其中,IN為輸入信息,CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘,C為編碼輸出(輸入和輸出均為16進(jìn)制)。

　　4.2 譯碼器的仿真

　　首先,給出系統(tǒng)的仿真全貌,如圖6所示。其中C為接收到的RS碼,SP為伴隨式S15,shang為運(yùn)用歐氏算法得到的商序列,SeryDA為S序列,anssd和ERTD分別對(duì)應(yīng)碼字可能存在的第四個(gè)錯(cuò)誤位置和錯(cuò)誤值,仿真中的接收碼字在位置(105,106,107,108,109,110,111,112)上錯(cuò)誤均為(01)HEX。

　　伴隨式的計(jì)算結(jié)果：S15,S14,…,S1,S0為(FD,8D,CE,4A,51,B2,A1,CA,C4,0D,73,56,A6,F5,01),圖6和圖7中的sp即為S15。

　　這里重點(diǎn)給出利用伴隨式計(jì)算關(guān)鍵方程的電路仿真結(jié)果,如圖7所示。當(dāng)輸入伴隨式結(jié)果以后,運(yùn)算電路啟動(dòng),在計(jì)算商序列的同時(shí)進(jìn)行聯(lián)接多項(xiàng)式的迭代運(yùn)算。歐氏算法的商序列shang為:(FF，58),(37，92),(50，45),(E9，C7),(F4，B9),(5D，33),(87,8F)。當(dāng)滿足終止條件以后顯示標(biāo)志QQC,同時(shí),給出關(guān)鍵方程系數(shù)如圖7中(AI，AH，AG，AF，AE，AD，AC，AB，AA)即(00，19，2E，EC，A8，AD，41，E6，95)，對(duì)應(yīng)有限域上的表達(dá)式為：

　　δ(x)=α193x7+α130x6+α122x5+α144x4+α252x3+α191x2+α160x+α184；

　　有解為(α105，α106，α107，α108，α109，α110，α111)，與假定錯(cuò)誤位置完全一致。然后求解S序列,同時(shí)針對(duì)各錯(cuò)誤位置進(jìn)行IDFT,就可以得到對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤值。圖6中anssd和ERTD表示位置108上存在的錯(cuò)誤為(01)HEX。

　　系統(tǒng)仿真表明,譯碼器獲得的錯(cuò)誤位置和錯(cuò)誤圖案與實(shí)際假設(shè)的錯(cuò)誤位置(105,106,107,108,109,110,111)和錯(cuò)誤值(01)HEX完全一致。

　　基于APEX架構(gòu)的可編程單芯片RS編譯碼硬件解決方案在中國(guó)普天集團(tuán)西安藍(lán)牙通訊設(shè)備有限公司的二次群無(wú)線擴(kuò)頻通信機(jī)的改造項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。它可用于離散譯碼、流式譯碼,在添加一級(jí)緩存的基礎(chǔ)上,同樣適用于連續(xù)譯碼。

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