一種交織器和解交織器的FPGA電路實現(xiàn)

交織和解交織是組合信道糾錯系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，交織器和解交織器的實現(xiàn)方法有多種。本文利用Altera公司開發(fā)的Quartus軟件平臺和仿真環(huán)境，設(shè)計一種交織器和解交織器FPGA電路單倍實現(xiàn)的方法，并分析該電路實現(xiàn)的特點。

外交織的基本原理

實際信道中產(chǎn)生的錯誤往往是突發(fā)錯誤或突發(fā)錯誤與隨機錯誤并存，如果首先把突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤，然后再去糾隨機錯誤，那么系統(tǒng)的抗干擾性能就會進一步得到提高。交織器的作用就是將比較長的突發(fā)錯誤或多個突發(fā)錯誤離散成隨機錯誤，即把錯誤離散化。交織器按交織方式可分為交織深度固定的交織器（如分組交織器和卷積交織器）和交織深度不斷變化的隨機交織器；按交織對象可分為碼元交織器和碼段交織器，這里主要討論的是交織深度固定的碼段交織器。

交織和解交織是一種很實用也很常用的構(gòu)造碼方法，不僅可以糾隨機錯誤，還可用來糾突發(fā)錯誤，所以常用于組建信道糾錯系統(tǒng)。例如，以[n，k]線性分組碼作為行碼，設(shè)交織深度為i，交織編碼即是將這一線性分組碼排成如圖1所示的i行，n列的碼陣，形成[ni，ki]交織編碼的一個碼字，傳送按列的次序自左向右傳輸，即：a1(n-1)a2(n-1)...ai(n-1)a1(n-2)...ai(n-2)...a10a20...ai0，其中aij代表一個碼段。解交織時，仍排成如圖1的碼陣，并按行的次序自上而下傳輸，最后再按分組碼[n，k]方式譯出。由于信道中的錯誤被分散到各個行碼中去，因此若行碼能糾t個隨機錯誤或b個長突發(fā)錯誤，則[ni，ki]交織后的碼就能糾所有長度i×t或i×b的突發(fā)錯誤。

交織深度i是交織和解交織的重要參數(shù)。交織深度i越大，突發(fā)錯誤的離散度也越大，錯誤的相關(guān)性越小。當(dāng)i足夠大時，就可把突發(fā)錯誤離散為隨機錯誤。                    

交織器和解交織器的實現(xiàn)

交織器和解交織器實現(xiàn)的基本原理如圖2所示，其中I表示交織深度。由圖可見，共有I個通道，輸入數(shù)據(jù)依次進入第0到I-1通道，并按照各自通道上的延時規(guī)律輸出，交織器和解交織器相同通道上的延時是互補的，延時之和均為M×(I-1）。這樣經(jīng)過發(fā)射機交織器數(shù)據(jù)輸出的先后順序被打亂，再經(jīng)過接收機解交織器又被重新恢復(fù)。

交織器和解交織器電路實現(xiàn)如圖3所示。由于交織和解交織要對數(shù)據(jù)進行有規(guī)律的延時處理，所以輸入數(shù)據(jù)首先被存入一雙端口RAM中，然后經(jīng)過一定時延后被讀出，此延時由雙端口RAM的讀寫地址來控制，因此，其實現(xiàn)的關(guān)鍵在于雙端口RAM讀寫地址的產(chǎn)生和分配，不僅要有利于找到地址的變化規(guī)律，而且要易于電路實現(xiàn)。RAM讀寫地址產(chǎn)生的一種辦法是將讀寫地址映射到ROM里，另一種辦法是通過電路計算得到讀寫地址。前者方法簡單，實現(xiàn)方便，但是添加ROM會占用存儲資源，所以一般都采用后者，其實現(xiàn)也并不復(fù)雜。后者的實現(xiàn)電路包括單倍實現(xiàn)和雙倍實現(xiàn)，所謂單倍和雙倍主要是針對RAM存儲單元的占用量而言，單倍實現(xiàn)所用RAM存儲單元的容量是雙倍的1/2左右。我們所設(shè)計的FPGA電路采用的是單倍實現(xiàn)，實現(xiàn)框圖如圖3所示。

下面就簡述該設(shè)計中雙端口RAM地址分配及讀寫地址的生成規(guī)律。以I=12，M=17的交織器為例。由于交織深度是12，所以有12個通道，表1列出每通道的地址分配，其中第1行對應(yīng)圖2中交織器的第0通道，第2行對應(yīng)第1通道，第3行對應(yīng)第2通道，……第12行對應(yīng)第11通道。第i通道共有N=i×M+1個地址，且分配的地址是固定的。RAM讀寫地址按照交織器中各通道的延時規(guī)律變化，交織器的地址分配如表1所示。

交織時，第1時刻讀地址可以是任意的，寫地址為0；第2時刻讀地址為1，寫地址為18；第3時刻讀地址為54，寫地址為105，第4時刻讀地址為3，寫地址為27，第12時刻讀地址為946，寫地址為1133，第13時刻讀地址為可以是任意的，寫地址為0，第14時刻讀地址為2，寫地址為1，第15時刻讀地址為20，寫地址為19，余者依次類推?？梢姡?～11路通道的讀寫地址按各自的延時規(guī)律變化，第i通道讀寫地址在本通道向右方向循環(huán)相距i×17個單元。設(shè)計電路時，除第0通道外，每一通道都可采用一個計數(shù)器，每個計數(shù)器獨立計數(shù)，設(shè)第i通道計數(shù)器的計數(shù)值為ai，通道的首地址為bi，尾地址為ci，這樣，得到RAM的讀寫地址的變化規(guī)律：
第i通道讀地址：ai + bi；   （1）
第i通道寫地址：ai + bi -1，當(dāng)ai不等于0時；
                ci，當(dāng)ai等于0時； （2）

其中，bi=[0+1+...+(i -1)]×M+i+1；ci=[0+1+...+i]×M+i 

電路實現(xiàn)如圖4所示，計數(shù)器0由0到11遞增計數(shù)，產(chǎn)生12路始能，分別控制11路計數(shù)器和直通通路的工作，同時選通其中一路從12選1電路輸出。電路中的ai、bi、ci，與式1和式2相對應(yīng)。由于第0通道不需要任何延時，所以用flag信號作為2選1電路選通輸入數(shù)據(jù)直接輸出；反之，選通從RAM讀出的數(shù)據(jù)輸出。

利用Quartus仿真波形圖如圖5所示。clk為驅(qū)動時鐘，synin、dvin、din分別是輸入同步頭、有效位和數(shù)據(jù)，synout、dvout、dout分別是輸出同步頭、有效位和數(shù)據(jù)，flag是第0直通通道標(biāo)識，rdad、wrad是RAM讀寫地址。

解交織時各通道的地址分配見表2，由于解交織與交織是互逆的過程，通道的時延相反，所以只要把交織器的地址分配倒置，即交織器的第0通道的地址分配變?yōu)榻饨豢椘鞯牡?1通道，而第11通道的地址分配變?yōu)榻饨豢椘鞯牡?通道。計數(shù)器0改為由11到0遞減計數(shù)，其它部分保持不變，所以交織器和解交織器都可以用圖4實現(xiàn)，只是計數(shù)器0的計數(shù)方式不同。

電路特點分析

仍然以I=12，M=17的交織器和解交織器為例。

本設(shè)計采用單倍實現(xiàn)所用的存儲單元總數(shù)Nram=[(I-1)×M/2+1]×I=1134，相應(yīng)要用到地址總線的位數(shù)為Nad=ceil[log2(Nram)]=11。也就是說，要用到2k的雙端口RAM，讀寫地址線各11根。

而采用一般的雙倍實現(xiàn)占用的存儲單元總數(shù)Nram=[(I-1)×M+1]×I=2256，相應(yīng)要用到地址總線位數(shù)Nad=ceil[log2(Nram)]=12。如果采用雙倍實現(xiàn)，要用到4k的雙端口RAM，讀寫地址線各12根。

理論上最簡存儲單元的占用量為Nram=[(I-1)×M×I/2 =1122，地址總線位數(shù)為Nad=ceil[log2(Nram)]=11，所以單倍實現(xiàn)的優(yōu)點是顯而易見的，其占用存儲單元數(shù)為雙倍實現(xiàn)的一半，讀寫地址線各少1根，接近于最簡占用量。只要交織深度I不是很深，該設(shè)計方法使用的邏輯單元門數(shù)并不多，而且可以節(jié)約大量的存儲單元，效果是顯而易見的。