基于FPGA的DVB-C系統(tǒng)編碼器的設(shè)計(jì)

基于FPGA的DVB-C系統(tǒng)編碼器的設(shè)計(jì)【摘要】本文基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視通信系統(tǒng)，介紹了DVB-C系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)方法，并介紹了DVB-C系統(tǒng)編碼器的構(gòu)造，給出了基于FPGA的DVB-C編碼器的實(shí)現(xiàn)方案，對其中的每個(gè)構(gòu)成模塊做了介紹。該設(shè)計(jì)方案符合DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，并給出了整個(gè)編碼器的仿真結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】DVB-C；RS編碼；卷積交織；FPGADesignofDVB-Csystem’scoderBasedonFPGA【Abstract】ThispaperintroducestheDVB-CsystemhardwarerealizationmethodandtheDVB-CencoderbasedonthestandardDVBdigitalTVcommunicationsystem.ThestructureofthecoderisrealizedbasedonFPGA,includingtheRScodeandconvolutionandintroducestheintertwinedaregiven,andthesimulationresultofthetwomodulesaregiven.ThisdesignschemesmeetingDVB-Cstandard,andgivesthecoder’ssimulationresults.【KeyWords】DVB-C;RScode;ConvolutionalInterleaver;FPGA

1引言由于各種原因會使數(shù)字信號在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流出現(xiàn)誤碼，這樣會讓接收端的產(chǎn)生圖像不連續(xù)、跳躍等現(xiàn)象，因此信道編碼就顯得尤為重要。信道編碼可增加通信的可靠性，可以極大避免傳送碼流中誤碼的發(fā)生，并在在信道中加入糾錯(cuò)、交織等處理誤碼的技術(shù)。本文介紹了DVB-C系統(tǒng)中編碼器的實(shí)現(xiàn)，將其分為擾碼、RS編碼、卷積交織、QAM調(diào)制四個(gè)部分，并對其中的RS編碼和卷積交織做了重點(diǎn)介紹，給出了一種基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方案。DVB-C系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)圖1為DVB-C編碼系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)圖圖1DVB-C編碼系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)圖DVB-C編碼系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)包括五個(gè)部分：1）PCI接口：本文中的PCI接口Altera公司CPLDMAXII系列中的EPM1270256C5實(shí)現(xiàn)PCI接口。MAXII的功耗和成本大幅降低，資源密度和性能卻顯著提升，非常適用于接口協(xié)議，又因?yàn)橹辉贓PM1270和EPM2210的I/OBank3中有PCI鉗位二極管，故此設(shè)計(jì)中選用EPM1270256C5[1]。2）DVB-C編碼器：本文中采用Altera公司的CycloneIII系列中的EP3C55F484C3）ADC：ADC模塊采用的是ADI公司的AD9777數(shù)模轉(zhuǎn)化器，它可以非常適合那些要求高調(diào)制精度（即64QAM以上）的應(yīng)用，它可以抑制模擬混頻操作固有的鏡像，從而可以減少濾波級的數(shù)量，降低實(shí)現(xiàn)3G和寬帶頻譜發(fā)射所需硬件的成本[2]。4）I/Q調(diào)制器、本振信號：本文中I/Q調(diào)制器采用的是ADL5385，它是一款硅單芯片正交調(diào)制器，設(shè)計(jì)用于50MHz至2200MHz頻率范圍。其出色的相位精度和幅度平衡可以為通信系統(tǒng)提供高性能中頻或直接射頻調(diào)制。ADL5385從兩路差分基帶輸入獲得信號，并將其調(diào)制到兩個(gè)彼此正交的載波上。兩個(gè)內(nèi)部載波均源自一路單端、外部本振輸入信號，其頻率為目標(biāo)載波輸出頻率的兩倍。經(jīng)過調(diào)制的兩路信號通過差分轉(zhuǎn)單端放大器相加，驅(qū)動50Ω負(fù)載。本振信號的產(chǎn)生采用的是ADF4351，它的輸出頻率范圍為35MHz到4400MHz。5)濾波電路：本文中的濾波網(wǎng)絡(luò)采用的是低通濾波器，將濾波器的截止頻率分成了80、120、180、225、400、630、1200七個(gè)等級。（單位均為MHz）DVB-C系統(tǒng)編碼器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖2為DVB-C系統(tǒng)編碼器的FPGA過程圖：圖2DVB-C系統(tǒng)編碼器過程DVB-C系統(tǒng)編碼器的過程分為四個(gè)部分：1）同步反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)擾碼：在DVB-C標(biāo)準(zhǔn)中，每188個(gè)字節(jié)組成一個(gè)MPEG-2數(shù)據(jù)幀，每個(gè)MPEG-2的第一個(gè)字節(jié)(47H)為同步字節(jié)，而每8個(gè)MPEG-2數(shù)據(jù)幀組成一個(gè)傳輸包，并且每一個(gè)傳輸包的第一個(gè)字節(jié)要取反輸出[3]。然后進(jìn)行擾碼處理，避免出現(xiàn)長串的0或1。2）RS編碼：在每一幀的數(shù)據(jù)輸入完之后，要進(jìn)行RS編碼，編碼的目的是為了糾正突發(fā)錯(cuò)誤。編碼過后會產(chǎn)生16個(gè)校驗(yàn)位，每一幀的字節(jié)長度變成204。3）卷積交織：卷積交織加入之后可以進(jìn)一步增強(qiáng)抵御突發(fā)差錯(cuò)的能力，卷積交織改變數(shù)據(jù)的傳輸順序從而提高抗突發(fā)誤碼的能力。4）QAM調(diào)制：QAM調(diào)制分為字節(jié)到字符的轉(zhuǎn)換、差分編碼、星座映射三個(gè)部分組成。字節(jié)到字符的轉(zhuǎn)換把字節(jié)轉(zhuǎn)化成調(diào)制需要的符號流，在轉(zhuǎn)換完成后，應(yīng)對符號的最高兩位進(jìn)行差分編碼，經(jīng)過星座映射完成I/Q正交。3.1同步反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)擾碼在信號初始化的過程中，數(shù)據(jù)要進(jìn)行同步翻轉(zhuǎn)，即每一個(gè)傳輸包的第一幀的同步字節(jié)應(yīng)該取反輸出，然后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼(即能量擴(kuò)散)。在DVB-C系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流為了保證出現(xiàn)“0”與“1”的概率相等，即各為50%，我們必須對輸入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行擾碼。擾碼是通過偽隨機(jī)二進(jìn)制序列發(fā)生器來完成的。DVB-C系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)擾碼的偽隨機(jī)序列的生成的多項(xiàng)式為:經(jīng)過擾碼處理后，輸出的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)“0”與“1”的概率近似相等了，而且減小了對其它通信設(shè)備的干擾，有利于載波的恢復(fù)。3.2RS編碼3.2.1RS編碼原理RS碼即可以對隨機(jī)誤碼糾正，也可以對突發(fā)誤碼糾正，它廣泛應(yīng)用在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中。RS碼是目前效率最高、應(yīng)用最廣的糾錯(cuò)編碼之一。經(jīng)過擾碼之后的數(shù)據(jù)流要進(jìn)行RS編碼，在DVB-C系統(tǒng)中，它采用RS（204,188，8）碼[2]，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀要用16個(gè)校驗(yàn)符號，即188個(gè)符號產(chǎn)生16個(gè)校驗(yàn)符號，編碼后總數(shù)為204個(gè)符號。RS（204,188,8）是RS（255,235,8）的截短碼，它是在GF（28）域上得到的[4]。GF（28）域上的生成多項(xiàng)為碼字生成多項(xiàng)式為RS編碼的實(shí)現(xiàn)圖3為RS編碼器的頂層模塊實(shí)現(xiàn)框圖，DataIn[7..0]和DataOut[7..0]分別為RS編碼的輸入和輸出，cklin為時(shí)鐘信號，aclr為復(fù)位信號。FrameErr為監(jiān)視信號的同步。根據(jù)RS編碼原理,在送入第188個(gè)數(shù)據(jù)后就必須停止輸入,直到校驗(yàn)數(shù)據(jù)全部輸出為止。圖4為RS編碼的仿真，輸入為1—188的循環(huán)。輸出前188個(gè)字節(jié)為1—188，16個(gè)校驗(yàn)位195,231,90,194,142,112,85,171,63,242,251,154,1,82,33,222圖3為RS編碼器的頂層模塊圖4RS編碼的仿真3.3卷積交織3.3.1交織的中心思想是把連續(xù)出現(xiàn)的突發(fā)誤碼散成便于糾正的隨機(jī)誤碼，為正確譯碼創(chuàng)造條件。交織過程中只需要打亂碼元的順序排列，因此不會降低傳輸效率，經(jīng)過交織之后，系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力得到進(jìn)一步的提高。在DVB-C系統(tǒng)中采用卷積交織方法[5]，卷積交織的基本原理如圖5:其中I表示交織深度。交織器由I=12個(gè)分支組成，每一個(gè)分支都有先進(jìn)先出（FIFO）(其中M=17)移位寄存器。經(jīng)過RS編碼的數(shù)據(jù)按照順序分別進(jìn)入I條分支延遲器，每一路分支延遲各不相同。第一路無延遲，接下來的每一路分支以延遲M=17個(gè)周期遞增，直到第12路的分支延遲為17*11。圖5卷積交織與解交織3.3.2為了實(shí)現(xiàn)延遲，最簡單的方法就是給每條延遲通道分配一定長度的FIFO移位寄存器，但是這種方法需要的FIFO移位寄存器的為1122個(gè)。本文采用雙端口RAM代替FIFO移位寄存器,采用RAM整塊循環(huán)移位法，這種方法可以節(jié)省大量的存儲單元，代價(jià)小，是一種理想的方法[6]。圖6為卷積交織的設(shè)計(jì)流程圖，其中Ci為第I道的計(jì)數(shù)值,Fi為通道的首地址,Li為通道的尾地址。RAM的讀寫規(guī)律為:第I通道讀地址為：Ci+Fi。相對應(yīng)的寫地址為：Li，當(dāng)Ci不為0時(shí)，Ci+Fi-1；當(dāng)Ci為0時(shí)為Li。圖7卷積交織器的頂層模塊圖：其中clkin為系統(tǒng)時(shí)鐘信號,aclr為復(fù)位信號,DataIn[7..0]是數(shù)據(jù)輸入端,DataOut[7..0]是數(shù)據(jù)輸出端,RrAddr[10..0]為雙口RAM的數(shù)據(jù)讀地址，WrAddr[10..0]為雙口RAM的數(shù)據(jù)寫地址。圖8為卷積交織的仿真，輸入為0—255的循環(huán)。這是第二幀的輸出，第二幀的第一個(gè)字節(jié)輸出為204，第二個(gè)字節(jié)為前一幀的第二個(gè)字節(jié)即1。圖6卷積交織的設(shè)計(jì)流程圖圖7卷積交織的頂層模塊圖8卷積交織的仿真3.4QAM調(diào)制DVB-C系統(tǒng)采用了多電平正交幅度調(diào)制技術(shù)（MQAM），可以在2m-QAM（m=4,5,6,7,8）中選擇。為了調(diào)制的方便，在2m-QAM調(diào)制之前，要進(jìn)行字節(jié)到符號的映射。映射的符號高位取字節(jié)的高位，這個(gè)字節(jié)剩下的位和下個(gè)字節(jié)的高位組成下一個(gè)符號。圖9是64圖964-QAM時(shí)字節(jié)到m比特字符的轉(zhuǎn)換經(jīng)過字節(jié)到符號的轉(zhuǎn)化后，需要對符號進(jìn)行映射，同時(shí)為了獲得旋轉(zhuǎn)不變QAM星座圖，需要對每個(gè)m比特符號的最高位Ak與次高位Bk進(jìn)行差分編碼[7]：圖10是QAM調(diào)制的過程，QAM調(diào)制采用的是雷格碼在星座圖上的差分編碼映射，這樣能夠消除相位模糊的問題。圖10QAM調(diào)制過程4結(jié)論本文中采用Altera公司的EP3C55F484C6芯片設(shè)計(jì)了DVB-C系統(tǒng)的編碼器，這個(gè)芯片有55856個(gè)邏輯單元，整個(gè)編碼器用了1391個(gè)邏輯單元，占用率不到1%。通過實(shí)現(xiàn)了DVB-C系統(tǒng)編碼器的設(shè)計(jì)，所有模塊都在QuartusII10.0中通過了驗(yàn)證，所有模塊都用modelsim進(jìn)行了仿真，并且也給出了整個(gè)編碼器的仿真結(jié)果，仿真如圖11圖11仿真結(jié)果

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論大學(xué)生寫作能力寫作能力是對自己所積累的信息進(jìn)行選擇、提取、加工、改造并將之形成為書面文字的能力。積累是寫作的基礎(chǔ)，積累越厚實(shí)，寫作就越有基礎(chǔ)，文章就能根深葉茂開奇葩。沒有積累，胸?zé)o點(diǎn)墨，怎么也不會寫出作文來的。寫作能力是每個(gè)大學(xué)生必須具備的能力。從目前高校整體情況上看，大學(xué)生的寫作能力較為欠缺。一、大學(xué)生應(yīng)用文寫作能力的定義那么，大學(xué)生的寫作能力究竟是指什么呢？葉圣陶先生曾經(jīng)說過，“大學(xué)畢業(yè)生不一定能寫小說詩歌，但是一定要寫工作和生活中實(shí)用的文章，而且非寫得既通順又扎實(shí)不可?！睂τ诖髮W(xué)生的寫作能力應(yīng)包含什么，可能有多種理解，但從葉圣陶先生的談話中，我認(rèn)為：大學(xué)生寫作能力應(yīng)包括應(yīng)用寫作能力和文學(xué)寫作能力，而前者是必須的，后者是“不一定”要具備，能具備則更好。眾所周知，對于大學(xué)生來說，是要寫畢業(yè)論文的，我認(rèn)為寫作論文的能力可以包含在應(yīng)用寫作能力之中。大學(xué)生寫作能力的體現(xiàn)，也往往是在撰寫畢業(yè)論文中集中體現(xiàn)出來的。本科畢業(yè)論文無論是對于學(xué)生個(gè)人還是對于院系和學(xué)校來說，都是十分重要的。如何提高本科畢業(yè)論文的質(zhì)量和水平，就成為教育行政部門和高校都很重視的一個(gè)重要課題。如何提高大學(xué)生的寫作能力的問題必須得到社會的廣泛關(guān)注，并且提出對策去實(shí)施解決。二、造成大學(xué)生應(yīng)用文寫作困境的原因：（一）大學(xué)寫作課開設(shè)結(jié)構(gòu)不合理。就目前中國多數(shù)高校的學(xué)科設(shè)置來看，除了中文專業(yè)會系統(tǒng)開設(shè)寫作的系列課程外，其他專業(yè)的學(xué)生都只開設(shè)了普及性的《大學(xué)語文》課。學(xué)生寫作能力的提高是一項(xiàng)艱巨復(fù)雜的任務(wù)，而我們的課程設(shè)置僅把這一任務(wù)交給了大學(xué)語文教師，可大學(xué)語文教師既要在有限課時(shí)時(shí)間內(nèi)普及相關(guān)經(jīng)典名著知識，又要適度提高學(xué)生的鑒賞能力，且要教會學(xué)生寫作規(guī)律并提高寫作能力，任務(wù)之重實(shí)難完成。（二）對實(shí)用寫作的普遍性不重視?！按髮W(xué)語文”教育已經(jīng)被嚴(yán)重地“邊緣化”。目前對中國語文的態(tài)度淡漠，而是呈現(xiàn)出全民學(xué)英語的大好勢頭。中小學(xué)如此，大學(xué)更是如此。對我們的母語中國語文，在大學(xué)反而被漠視，沒有相關(guān)的課程的設(shè)置，沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)實(shí)踐訓(xùn)練。這其實(shí)是國人的一種偏見。應(yīng)用寫作有它自身的規(guī)律和方法。一個(gè)人學(xué)問很大，會寫小說、詩歌、戲劇等，但如果不曉得應(yīng)用文寫作的特點(diǎn)和方法，他就寫不好應(yīng)用文。（三）部分大學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不端正。很多非中文專業(yè)的大學(xué)生對寫作的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練都只是集中在《大學(xué)語文》這一門課上，大部分學(xué)生只愿意被動地接受大學(xué)語文老師所講授的文學(xué)經(jīng)典故事，而對于需要學(xué)生動手動腦去寫的作文，卻是盡可能應(yīng)付差事，這樣勢必不能讓大學(xué)生的寫作水平有所提高。（四）教師的實(shí)踐性教學(xué)不強(qiáng)。學(xué)生寫作能力的提高是一項(xiàng)艱巨復(fù)雜的任務(wù)，但在教學(xué)中有不少教師過多注重理論知識，實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)卻往往被忽視。理論講了一大堆，但是實(shí)踐卻幾乎沒有，訓(xùn)練也少得可憐。閱讀與寫作都需要很強(qiáng)的實(shí)踐操作，學(xué)習(xí)理論固然必不可少，但是閱讀方法和寫作技巧的掌握才是最重要的。由于以上的原因，我們的大學(xué)生的寫作水平著實(shí)令人堪憂，那么如何走出這一困境，筆者提出一些建議，希望能對大學(xué)生寫作水平的提高有所幫助。三、提高大學(xué)生應(yīng)用寫作能力的對策（一）把《應(yīng)用寫作》課設(shè)置為大學(xué)生的必修課。在中國的每一所大學(xué)，《應(yīng)用寫作》應(yīng)該成為大學(xué)生的必修課。因?yàn)樵谶@個(gè)被某些人形容為實(shí)用主義、功利主義甚囂塵上的時(shí)代，也是個(gè)人生存競爭最激烈的時(shí)代，人們比任何時(shí)代都更需要學(xué)會寫作實(shí)用性的文章，比如職場競爭中的求職信，生活中的財(cái)經(jīng)文書、法律文書等，以提高個(gè)人的生存競爭能力。（二）端正大學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。首先，要讓大學(xué)生充分認(rèn)識到實(shí)用寫作課的重要性，這門課關(guān)乎到他人生的每一個(gè)方面，諸如就職，求愛，理財(cái)，人際交往等，是他終生都需要使用的一些基礎(chǔ)性的知識，也是他必備的一項(xiàng)生存技能。其次，實(shí)用寫作有它自身的規(guī)律和方法。它不是你想怎樣寫都行的，它有嚴(yán)格的格式性的要求，所以需要系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)。最后，實(shí)用寫作課的實(shí)踐性非常強(qiáng)，所以學(xué)生們不能只學(xué)不練，并且要克服手懶的壞習(xí)慣，勤學(xué)勤練，為今后的工作生活打好基礎(chǔ)。