高速多模式RS編碼的設(shè)計(jì)方案

0 引言

為了解決地-空的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)增長而帶來的高通信速度要求和高寬帶要求問題，國際民航組織(ICAO)選定L波段航空數(shù)字通信系統(tǒng)(L-DACS)作為民航未來寬帶航空數(shù)據(jù)鏈的傳輸方案。歐洲EUROCON-TROL 提出了未來航空通信系統(tǒng)(FAC)，即L 波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)類型1 和2(L-DACS1 和L-DACS2)。L-DACS1 是采用正交頻分復(fù)用OFDM 技術(shù)的航空通信系統(tǒng)，它工作在960~1 024 MHz 的航空L 波段，被設(shè)計(jì)來滿足未來20 年和更長時(shí)間的航空通信要求。

在L-DACS1 中，由于信道的噪聲和畸變與多普勒頻移的影響，會(huì)對傳輸?shù)男畔⒁鹗д婧托盘?hào)判決錯(cuò)誤，而且不同類型的數(shù)據(jù)需要采用不同的速率傳輸，因此需要使用多種模式的信道編碼來降低誤碼率。RS編碼是性能優(yōu)良的糾錯(cuò)碼，在線性分組碼中它的糾錯(cuò)能力和編碼效率是最高的。它不但可以糾正隨機(jī)錯(cuò)誤、突發(fā)錯(cuò)誤以及兩者的結(jié)合，而且還可以用來構(gòu)造其他碼類。因而RS編碼是目前L-DACS1中重要的組成部分。

1 RS 編碼器原理

RS(n,k,t)碼通常用n、k 和t 三個(gè)參數(shù)表示。其中：

n 表示碼字長度;k 表示信息段長度;t 表示可糾正錯(cuò)誤符號(hào)個(gè)數(shù)。L-DACS1協(xié)議中采用RS(16,4,1)、RS(21,19,1)、RS(24,22,1)、RS(32,28,2)、RS(43,39,2)、RS(49,45,2) 、RS(66,60,3) 和RS(74,66,3)八種模式。

以RS(16,4,1)為例，RS(16,4,1)的生成多項(xiàng)式一般按式(1)進(jìn)行選擇：

首先計(jì)算商式h(x) 和余式r(x) n - k d(x) g(x) =h(x)g(x) + r(x) ,取余式r(x) 作為校驗(yàn)字，然后令c(x) = xn - k d(x) + r(x)， 即將信息位放置于碼字的前半部分，監(jiān)督位放置于碼字的后半部分，這樣有式(2)：

因此碼字多項(xiàng)式c(x) 必可被生成多項(xiàng)式g(x) 整除。如果在接收方檢測到余式不為0,則可判斷接收到的碼字有錯(cuò)誤。RS編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作原理如下：

(1)寄存器R0 - R2t - 1 全部清零。開關(guān)接通A點(diǎn)，然后信息位分為兩路送電路中，一路直接送入C(x) ,一路送入除法電路并進(jìn)行移位。每一個(gè)時(shí)鐘一個(gè)字節(jié);(2)在k 個(gè)時(shí)鐘結(jié)束的時(shí)候信息位全部輸入，并完成除法功能。此時(shí)移位寄存器里保留了余式r(x) 的系數(shù)，這就是RS碼的校驗(yàn)位;(3)在k+1 個(gè)時(shí)鐘到來的時(shí)候，開關(guān)接通B 點(diǎn)。寄存器中的數(shù)據(jù)依次移出，送入信道。在經(jīng)過2t 個(gè)時(shí)鐘后數(shù)據(jù)全部移出，得到2t 個(gè)校驗(yàn)位。這2t 個(gè)校驗(yàn)位跟在原先的k 個(gè)信息位的后面，組成RS(n,k,t)碼輸出。這樣就完成了RS碼的編碼;(4)寄存器R0 ~R2t - 1 全部清零，重復(fù)步驟(1)~(3)，完成對下一組RS碼的編碼。

2 多模式RS 編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多模式RS 編碼模塊，根據(jù)MODE 信號(hào)對于可配置的RS 模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的配置。圖2 為多模式RS 編碼在L-DACS1 中硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，表1 為多模式RS 編碼器模塊端口說明。

根據(jù)協(xié)議規(guī)定，L-DACS1發(fā)射機(jī)使用歸零卷積碼，所以需要將RS編碼器的輸出數(shù)據(jù)末尾進(jìn)行補(bǔ)零處理。因?yàn)榫矸e碼的約束長度為6位，因此需要補(bǔ)6個(gè)零。

RS 編碼后的數(shù)據(jù)放入緩存器中然后輸出。根據(jù)MODE 信號(hào)對于計(jì)數(shù)器進(jìn)行選擇，計(jì)數(shù)器最大值時(shí)，將BUFFER 使能端置為低電平，同時(shí)激活ROM,順序輸出6個(gè)0值符號(hào)。然后計(jì)數(shù)器置為0,將BUFFER使能端拉至高電平。

3 多模式RS 編碼器仿真

利用Verilog HDL 硬件描述語言對多模式RS 編碼器進(jìn)行仿真，對工程文件進(jìn)行綜合、布線和仿真，以RS(16,4,1)編碼為例進(jìn)行分析，其后仿真結(jié)果如圖3所示。、

圖3 中，MODE 是模式控制信號(hào)，可根據(jù)該信號(hào)來選擇不同的RS編碼模式。data_in為模塊的輸入數(shù)據(jù)，每次連續(xù)輸入112 b數(shù)據(jù);data_out為RS編碼后輸出數(shù)據(jù)，每次連續(xù)輸出134 b;rdy 為數(shù)據(jù)輸出有效標(biāo)志位。

本次仿真RS(16,4,1)編碼，模式信號(hào)MODE為000.仿真其他模式RS編碼，改變MODE信號(hào)即可。

將仿真通過的工程文件使用ChipScope添加觀察信號(hào)采樣時(shí)鐘、觸發(fā)信號(hào)和待觀察信號(hào)后重新綜合、布局布線生成bit文件，下載到Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153 型號(hào)的芯片后用ChipScope 進(jìn)行在線測試，采用主時(shí)鐘75 MHz,得到測試結(jié)果如圖4所示。

圖4中，en表示輸入使能信號(hào)，data_in表示編碼之前的數(shù)據(jù)，data_out表示RS編碼后輸出數(shù)據(jù)，rdy表示輸出數(shù)據(jù)有效的信號(hào)，輸入時(shí)鐘頻率為75 MHz,采樣時(shí)鐘頻率為150 MHz.通過對比圖3的仿真結(jié)果和圖4的在線測試結(jié)果，可以驗(yàn)證在高速的時(shí)鐘下設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于L-DACS1系統(tǒng)中高速多模式RS 編碼的設(shè)計(jì)方案。本方案先闡述了L-DACS1系統(tǒng)中多模式RS編碼器的工作原理，利用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以在高速多模式條件下正常工作的RS 編碼器。同時(shí)用Verilog HDL 硬件描述語言對此設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后使用75 MHz的主時(shí)鐘頻率，在Xilinx 公司Virtex-5 系列XC5VLX110-F1153型號(hào)芯片下完成了硬件的調(diào)試，仿真及在線測試結(jié)果表明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并用于實(shí)際項(xiàng)目中，以此證明該方案具有較強(qiáng)的實(shí)用性。