（微电子学与固体电子学专业论文）turbo码在数字电视中的应用及芯片实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 t u r b o 编译码是代表着当今世界上最先进的信道编译码技术。由于它可 以获得极其逼近s h a n n o n 理论极限的纠错性能，所以从一开始t u r b o 码就 吸引了通信领域无数专家学者的关注与研究，被誉为网格编码调制方案提 出以来信道编码领域最伟大的贡献。 信道编码在数字电视系统中是非常关键的部分，它在很大程度上决定 了数字电视系统的纠错性能及其信噪比门限，对数字电视系统整体性能的 好坏起到了举足轻重的作用。通常地，现有的数字电视系统采用r s 码或卷 积码或者是两者的级联码的编码方案。但这种方案的纠错性能与s h a n n o n 极限相比仍有一定的距离。 本文主要探讨了t u r b o 码在数字电视系统( d t v ) 中的应用原理、算 法及其硬件的实现方案，并结合数字电视传输系统的需要对t u r b o 码参数 进行了适当的优化，设计按照从v e r i l o g 硬件描述语言的行为级描述开始， 通过仿真验证、门级综合、自动布局布线及版图后仿真、d r c 和l v s 验证 等a s i c 的设计流程，在e d a 工具平台上完成了整个t u r b o 码译码器的芯 片实现。为了确保设计的芯片达到设计功能的要求，设计的各个阶段都进 行了严格的仿真和验证。设计中我们采用的是0 2 5 9 i n 技术工艺。该设计以 较少的硬件资源取得了6 m b p s 净码率下的1 8 d b 的白噪声信噪比门限，这 远远超过目前现有的任何数字电视系统的性能。 本文第一章介绍了t u r b o 码及数字电视系统的标准和发展现状；第二 章详细阐述了t u r b o 码及其编译码结构和原理方法；第三章主要介绍了分 量译码器译码算法；第四章给出了适合数字电视系统的t u r b o 码的参数， 并探讨了硬件实现方案；第五章给出了采用e d a 工具实现t u r b o 译码器芯 片的实现流程和方案，并给出了系统的测试仿真和验证结果；最后对该设 计进行了总结，并探讨了数字电视系统的信道编码方案的未来方向和趋势。 关键词：信道编译码，t u r b o 码，迭代译码，交织器，数字电视 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u f l a oc o d i n ga n dt u r b od e c o d i n gr e p r e s e n tt h em o s ta d v a n c e de h a n n e l c o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n i q u e si nt o d a y sw o r l d f o ri t se x c e l l e n te l - f o r c o r r e c t i o np e r f o r m a n c ec l o s et os h a n n o nb o u n d ，t u r b oc o d ea t t r a c t st h ee y e so f e n o r m o u sp r o f e s s i o n a l sa n dr e s e a r c h e r sf r o mt h eb e g i n n i n ga n di sc a l l e dt h e g r e a t e s tc o n t r i b u t i o nt ot h ec h a r m e lc o d i n gt e c h n i q u e sa f t e rt r c l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ( t c m ) c h a n n e lc o d i n gi sav e r yp i v o t a lc o m p o n e n ti nd t v s y s t e ma n dd e t e r m i n e s d t vs y s t e m se r r o rc o r r e c t i o np e r f o r m a n c ea n ds i g n a l t o n o i s er a t e ( s n r l t h r e s h o l dt oag r e a te x t e n t s oi tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h e o v e r a l l p e r f o r m a n c eo fd t vs y s t e m g e n e r a l l y , a l m o s td t vs y s t e r n sa d o p tt r a d i t i o n a l c h a n n e lc o d i n gs c h e m es u c ha sr sc o d eo rc o n v o l u t i o n a lc o d e so rt h e i r c o n c a t e n a t e dc o d e h o w e v e r , t h ee r r o rc o r r e c t i o np e r f o r m a n c ei ss t i l lq u i t ef a r f r o ms h a n n o nb o u n di nt h e s es y s t e m s p r i m a r i l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，a l g o r i t h ma n dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no ft u r b oc o d ei nd t vs y s t e m a n db a s e do n t h eo p t i m i z a t i o no ft u r b oc o d ep a r a m e t e r s ，t h et u r b od e c o d e rc h i pi sr e a l i z e d w i t he d af r o n t - e n da n db a c k - e n dt o o l sa n dc o m p l e t e dw i t l l0 2 5 i t ma s i c t e c h n i q u ef l o w , f r o mv e r i l o gh d lt ol a y o u ts i m u l a t i o n a f t e ra p ra n d v e r i f i c a t i o ni nd r ca n dl v s p r o c e s s f o ri n s u r i n gt h ed e s i g n i ti sv e r i f i e da n d s i m u l a t e dc a r e 觚1 ya te a c hs t a g eo f d e s i g np r o c e s s a ta v e r yl o wh a r d w a r ec o s t , aw h i t en o i s es n rt h r e s h o l do f1 8 d ba tan e ts t r e a mr a t eo f 6 m b p si sa c h i e v e d , w h i c he x c e e d sa i lo t h e l - e x i s t e n td t v s y s t e m s p e r f o r m a n c e t h ef u n d a m e n t a lf r a m e w o r ka n dd e v e l o p m e n to fb o t h1 m r b oc o d ea n d d t vs y s t e ma r ei n t r o d u c e di nc h a p t e ro n e ：c h a p t e rt w oi n t r o d u c e s 咖oc o d e t o g e t h e rw i t l li t sc o m p o n e n t sa n dp r i n t i p l e si nd e t a i l ；c h a p t e rt h r e ed e s c r i b e st h e a l g o r i t h m so ft u r b od e c o d i n g ；d e t a i lp a r a m e t e r so ft u r b oc o d ea p p r o p r i a t ef o r d t vs y s t e ma r eb r o u g h tf o r w a r di nc h a p t e rf o u r f u r t h e r m o r e t h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ns c h e m e ；t h ei m p l e m e n t a t i o nf l o wo f d e c o d e r 谢me d a t o o l sa r e g i v a ni nc h a p t e rf i v e a sw e l la st h eo v e r a l lr e s u l t so f t e s t i n ga n ds i m u l a t i o n ；a t t h ee n do f t h ep a p e r w ec o m et oo u rc o n c l u s i o n ，a n dp r e s e n tt h ep o t e n t i a lf o c l 1 s o nc h a n n e ic o d i n ga n dd e c o d i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g , t u r b oc o d e ，r e r a t i v ed e c o d i n 岛 i n t e r l e a v e r , d t v v l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：薛导师签名：纽日期： 兰! 1 2 ：! ：竺 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先介绍了信道编码理论的发展，t u r b o 码编码方案的提出，与传统 的信道编码方案相比t u r b o 码优越的性能，其目前的应用及研究现状；接下来 介绍了数字电视的发展、现有的数字电视标准及其信道编码方案，引出本文的 设计的目的、贡献及本文的主要内容。 1 1 t u r b o 码简介 1 1 1 信道编码理论的发展 信道编码( 纠错编码) 的中心任务就是要针对不同干扰特性的各种信道设 计出编码效率高、抗干扰性能好，而且编译码设备又简单的检测纠错码。 1 9 4 8 年美国贝尔试验室的s h a n n o n 在贝尔技术杂志上发表了的一篇题为 通信的数学理论的论文，这是一篇关于现代信息论的奠基性的论文，s h a n n o n 以新颖的科学观念和统计的数学方法系统地阐明了通信系统中信息的基本概 念，也就是后人所称的“信息论”。s h a n n o n 在文中指出，任何一个通信信道 都有确定的信道容量c ，如果传输速率r 小于信道容量c ，则存在一种编码方 法，当码长n 充分大并应用最大似然译码( m l d ，m a x i m u ml i k e l i h o o dd e c o d i n g ) 时，信息的错误概率可以达到任意小，这就是著名的有噪信道编码定理【l 】。 s h a n n o n 的有噪信道编码定理为信道编码技术奠定了理论基础，同时也指 明了纠错码的研究方向和目标。但需要考虑的实际问题是：第一，编码定理只 是存在性定理，它并未给出构造有效码的方法；第二，当要求的误码率很低时， 将迫使采用非常长的码，这将导致译码算法非常复杂。至此以后，很多科学工 作者和工程技术人员进行了极其有意义的探索和研究。 长期以来，各国专家对信道编码进行了深入的研究，得到了许多性能良好 的纠错码。在分组码方面，最重要的一类码就是b c h 码，而由b c h 码演化而 来的扩展b c h 码、缩短b c h 码、r s 码在通信系统中应用及其广泛。近年来， g a p p a 码受到编码学术界的重视，因为其性能可达到s h a n n o n 所要求的性能。 上海大学硕士学位论文 g a p p a 是一种交替码，可以用几何的观点进行分析，它的出现标志着代数几何 码的产生；另一类潜在的高性能是多级分组码，主要有乘积码和级联码，j u s t e s e n 码是一种特殊的级联码，其性能也能达到s h a n n o n 码的性能。在卷积码方面， 除了一般的卷积码外，还有为纠突发错误而设计的交错码、扩散卷积码及加拉 格尔码等。近年来，分组码与卷积码的研究不再是截然分开的，如级联码，它 不一定是单纯的分组码，现在使用的级联码多以卷积码为内码，以r s 为外码， 性能比单纯用分组码要好得多。 同样，与其相对应的是译码方法的多样性。一般来说，分组码大多采用大 数逻辑译码，卷积码多采用维特比译码和序列译码。为了提高译码性能、降低 译码复杂度，人们设计了多种译码方法：( 1 ) 软判决译码。软判决译码可以降低 译码中的信息损失，它最先在b c h 码的译码中得到应用，近来在卷积码的维特 比译码算法中也采用了软判决译码，其性能大大提高。( 2 ) 迭代译码。迭代译码 有利于降低译码复杂度，也是在b c h 码中首先得到应用。研究表明，合理地构 造迭代算法，即使是原本性能较差的码( 如奇偶校验码) ，也能得到较好的性能。 ( 3 ) 频域译码与快速译码。现有的译码方法多局限于时域译码，频谱技术的发展， 使频域译码成为可能；快速译码是从快速算法中得到的，采用适当的快速算法， 将大大提高译码速度。 在过去的5 0 多年里，有关纠错码编码技术的研究取得了许多骄人的成果。 近年来，在信道编码定理指引下，人们在分组码、卷积码等基本编码方法和最 大似然译码算法的基础上提出了许多构造好码及简化译码复杂性的方法，提出 了乘积码、代数几何码、低密度校验码( l d p c ，l o wd e n s i t yp a r i t yc o d e ) 、分 组- 卷积级联码等多种编码方法和序列译码、逐组最佳译码、软判决译码等译码 方法以及编码与调制相结合的网格编码调制( t c m ，t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 技术。其中级联码、软判决译码和网格编码调制技术等对纠错码的发展起到了 比较大的贡献。 1 1 2 t u r b o 码编译码方案的提出 虽然信道编码发展研究产生了多种纠错编码方法，纠错码的性能也越来越 2 上海大学硕士学位论文 好，但各种码的性能与s h a n n o n 在信道编码定理中给出的性能极限值仍有较大 的距离。如软判决译码、级联码和编码调制技术虽然都对信道编码的设计和发 展产生了重大的影响，但是其增益与s h a n n o n 理论极限始终都存在2 到3 d b 的 差距。在t u r b o 码提出以前，信道截至速率r 0 一直被认为差错控制码性能的实 际极限，s h a n n o n 极限仅仅是理论上的极限，是不可能达到的。 根据s h a n n o n 有噪信道编码定理，在信道传输速率r 不超过信道容量c 的 前提下，只有在码长无限的码集合中随机地选择编码码字，并且在接收端采用 最大似然译码算法时，才能使误码率接近为零。但是最大似然译码的复杂性随 着编码长度的增加而加大，当编码长度趋向无穷大的时候，最大似然译码是不 可能实现的。所以，人们一直认为随机性编译码仅仅为证明定理的存在性而引 入的一种数学方法和手段，在实际的编码构造中是不可能实现的。 因此，很久以来人们一直在寻找码率接近s h a n n o n 理论极限、误差概率小， 译码复杂性低的好码，并提出了许多构造好码的方法，这些都为t u r b o 码的诞 生奠定了基础。 1 9 9 3 年在瑞士日内瓦召开的国际通信会议( i c c 9 3 ) 上，c b e r r o u 、 a g l a v i e u x 和e t h i t i m a j s h i m a 在总结卷积码最大后验概率译码b a h l 算法、卷积 码和级联码等理论基础上发表了一篇为n e a rs h a n n o nl i m i te n d c o r r e c t i n g c o d i n ga n dd e c o d i n g ：t u r b oc o d e s ) ) 【2 】的论文，首次创造性的提出了一种新型 的信道编码方案t 1 l r b o 码，它可以达到接近s h a n n o n 理论极限的优异性能。 它使人们可以在较低的信噪比下得到较高的通信可信度，因此，它的提出可以 说与s h a n n o n 的贡献是不相上下的。t u r b o 码是一种实用的纠错编码，它巧妙 地将两个简单的分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长 码，并通过在两个软输入软输出( s i s o ) 译码器之间多次迭代实现了伪随机译 码，其性能非常逼近于s h a n n o n 的性能界。因此，t u r b o 码的提出，更新了编 码理论研究的一些概念和方法，它的出现，引起了全世界的广泛关注。 目前，t u r b o 码被看做是1 9 8 2 年t c m 技术问世以来，信道编码了理论与 技术研究上所取得的最大的技术成就，具有里程碑的意义。 1 2 t u r b o 码与传统编码方式性能比较 上海大学硕士学位论文 t u r b o 码又称为并行级联卷积码( p c c c ，p a r a u e dc o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a l c o d e ) ，它将卷积码和随机交织器结合在一起，在实现随机编码思想的同时，通 过交织器实现了由短码来构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最大 似然译码。 t u r b o 码编码方案由于它很好的应用了s h a n n o n 信道编码定理中的随机性 编、译码条件，从而获得了几乎接近s h a n n o n 理论极限的译码性能。c b e r r o u 等人提出的t u r b o 码中，巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机 编码的思想，同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。模拟仿真结果 表明，在采用长度为6 5 5 3 6 的随机交织器并译码迭代1 8 次的情况下，在信噪比 气珞o - 0 7 d b 并采用二元相移键控( b p s k ，b i n a r yp h a s e k e y i n g ) 调制时，码 率为r = l 2 的t u r b o 码在加性高斯白噪声( a w g n ，a d d i t i o n a lw h i t eg a u s s i a n n o i s e ) 信道上的误比特率( b e r ，b i t e r r o r r a t e ) 1 0 一，达到了与s h a n n o n 极 限仅差o 7 d b 的优异性能 2 】。 较早使用纠错码的应该是1 9 6 9 年用于进行探测的“水手号( m a r i n e r ) ”， 它使用了( 3 2 ，6 ) 的r e e d m u l l e r 码，码率仅为r = 0 1 8 7 5 ，编码增益为3 2 d b ， 在当时的系统中，每l d b 的编码增益就意味着上百万美金的节约。随后的先锋 l o 、l l 、1 2 号采用了更为强大的约束长度为k = 3 2 的1 2 卷积码，同时采用序 列译码( s e q u e n t i a ld e c o d i n g ) ，获得了6 9 d b 的编码增益。 v i t e r b i 译码算法提出后很多系统都采用卷积码。如商业卫星通信系统标准 编码方案采用约束长度k = 7 的o d e n w a l d e r 卷积码，码率为1 2 、1 3 ，其编码增 益分别为5 1 d b 和5 6 d b ；移动通信领域，g s m 采用约束长度k = 5 ，码率为1 2 的卷积码，u s d c 中采用约束长度为k = 6 ，码率为1 1 3 的卷积码；在i s 9 5 系统 中采用约束长度为k - - 9 ，他们分别获得4 3 d b 、4 6 d b 和6 1 d b 的编码增益。木 星探索者伽利略号采用了大维特比译码器( b v d ) i l l ，对1 4 的码率、约束长 度j 0 1 5 的卷积码译码，得到了7 9 d b 的编码增益。 在c b e r r o u 等人的那篇论文中提出的n i i b o 码，采用的码率为r - = i 2 ，其编 码增益是8 9 d b 。它比任何其他编码系统都更接近信道的容量限。正是由于t u r b o 码优越的性能，它从一出现就成为编码理论界的轰动，成为信息论提出以来重 4 上海大学硕士学位论文 大的研究进展。 1 3 t u r b o 码的应用及研究现状 t u r b o 码以其优异的性能，引起了理论界与实际工作者的广泛关注，研究 人员不断研究出新的编码和译码算法，改进性能，降低复杂度。与此同时，不 断拓展t u r b o 码的应用广度和深度：它可广泛应用于移动通信、数字视频广播、 长距离地面无线通信、卫星通信和军事应用等领域。t u r b o 码已经被美国空间 数据系统顾问委员会作为深空通信标准，同时它也被定为第三代移动通信系统 ( i m t - 2 0 0 0 ) 的信道编码方案之一，如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和我国的 t d 。s c d m a 三个标准中都使用了t u r b o 码。此外，t u r b o 码与t c m 技术的结 合已经成为新的方向【4 卯，这种t u r b o 码和t c m 结合的方案( 称为t u r b o 码网格 编码调制，记作t u r b o - - t c m 或t t c m ) ，它可以在不增加带宽和减小数据传 输速率的基础上提供3 6 d b 的编码增益，因而可以有效提高带宽利用率。 尽管目前对t u r b o 码的作用机制尚不是十分清楚，对迭代译码算法的性能 也缺乏有效的理论解释，但它无疑为最终达到s h a n n o n 信道容量开辟了一条新 的途径。国外已有专门的t u r b o 码编、译码器芯片，如美国j p l 实验室推出的 t u r b o 码译码芯片，美国的a i i a 公司的a h a 4 5 0 1 和a h a 4 5 4 0 ，新加坡o k i 公司的e m i k 0 7 等；国内也有不少高校和研究机构正在进行t u r b o 码及其相关 领域应用的研究。 虽然t u r b o 码的研究已经从简单的仿真发展到应用于实际的通信系统，但 是t u r b o 码的理论解释，关键技术改进以及在相关领域应用的具体化仍然是非 常重要的课题。目前，t u r b o 码的大部分研究结果都是模拟结果，理论分析还 不完善，还有很多问题尚待深入研究。纵观t u r b o 码的研究现状，其目前还存 在的一些亟待解决的关键问题： 1 t u r b o 码的编码机理：t u r b o 码的产生是实践的结果，没有确定的设计准 则这对t u r b o 码的设计和优化产生了一定困难。要完成对t u r b o 码编码杌理的 研究是非常困难的问题。 2 t u r b o 码的交织方法的选择。交织器的选择对t u r b o 码性能有很大的影响。 5 上海大学硕士学位论文 什么是最佳的交织方法，目前还一直没有定论。 3 t u r b o 码的译码算法。目前，主要的译码算法是m a p 算法和s o v a 算法。 m a p 算法性能好，复杂度高，s o v a 算法简单，性能比m a p 算法差。设计出 简单可行、性能好的译码算法直接影响到t u r b o 码的性能。 4 t u r b o 码的时延。t u r b o 码采用了级联译码和迭代译码，从而具有优异的 译码性能，但同时也造成了较大的时延，使t u r b o 码在某些对时延要求较高的 通信系统的应用受到限制，因而妨碍了它的应用。 尽管t u r b o 码还有很多问题需要深入研究，但是由于其优异的性能，自1 9 9 3 年诞生以来的短短十几年，吸引了相当一批信息论和编码理论研究者及工程技 术人员的广泛关注，尤其在移动通信领域备受重视。目前，在第三代移动通信 体制中，已选用t u r b o 码作为各类非实时业务高速数据的纠错码，同时t u r b o 码在实时话音业务中的应用前景也较为乐观。 1 4 数字电视简介 数字电视将带来数字生活方式的又一场惊天动地的革命。所谓的数字电视 系统( d n ，_ - d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 就是电视信号的拍摄、编辑、制作、发射、 传输、接收、处理显示等全过程都使用数字技术的电视系统，数字电视是未来 家庭的数字多媒体处理和显示终端。 数字电视从其诞生至今已有十几年的历史了，经过多年坚持不懈的研究和 发展，数字电视广播取得了很多的成果，目前国际上已经提出了三个地面数字 电视广播标准：欧洲的d v b - t 、美国的a t s c 和日本的i s d b - t 三个主要的数 字电视传输国际标准，我国也刚刚确立了数字电视地面传输国家标准。目前世 界各国都在研制和开发各自的数字电视的标准。 1 4 1 数字电视的传输标准 目前，国际已经上提出了三个地面数字电视广播标斛4 9 l ： 1 ) 美国的高级电视系统委员会( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ， a t s c ) 标准，采用格形编码的八电平残留边带( t r e l l i s - c o d e s8 - l e v e lv e s t i g i a l 6 上海大学硕士学位论文 s i d e - b a n d ( 8 - v s b ) ) 调制。 该系统可以抵抗多种类型的干扰：现存的模拟电视节目、白噪声、脉冲噪 声、相位噪声、连续波和无源反射( 多径) ，但它只提供固定接收，不支持移动 接收。 2 ) 欧洲的数字视频地面广播( d i g i t a l v i d e o t e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ， d v b - t ) 标准，它采用编码正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r e n q u e n e yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，c o f d m ) 调制。 它是欧洲数字视频广播组织开发的。d t b - t 标准是一系列标准中的一个， 其它还有卫星( d v b s ) 和有线( d v b c ) 数字视频广播等，该系列标准考虑 到数字视频和音频的传输，以及将来的多媒体节目。 d t b t 系统允许固定、便携或者移动接收。 3 ) 日本的地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l b r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ，i s d b - t ) ，它采用频带分段传输正交频分复用 ( b a n d w i d t hs e g m e n t e dt r a n s m i s s i o no f d m ，b s t - - o f d m ) 调制。 i s d b t 系统是日本无线电工商协会开发的，它系统地综合了各种类型的数 字内容，每一种可包括从s d t v 到h d t v 的多节目视频、多节目音频、图形和 文本等。 除了上述三大标准外，我国的也提出了具有自主知识产权的数字电视方案： 1 ) 清华大学提出的地面数字多媒体电视广播传输协议( t d s - - o f d mb a s e d d m b - t ) 。 2 ) 国家h d t v 总局组提出的一号提案：高级数字电视广播系统( a d t b t ) 。 3 ) 国家h d t v 总局组提出的二号提案：数字电视地面广播系统( b d b - - t o f d m ) 。 4 ) 广电总局广播科学研究院的射频子带分割双载波混合调变系统 ( c d t b t ) 。 5 ) 成都电子科技大学的同步多载波扩频地面数字电视传输系统 ( s c m m c o f d m ) 。 7 上海大学硕士学位论文 2 0 0 6 年8 月3 0 日，以清华大学的d m b t 标准和上海交大的a d t b t 标 准为基础的融合标准最终被确立为数字电视地面传输国家标准，名为数字电 视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制。根据国家标准化管理委员会发 布的国标公告，该数字电视标准已被正式批准成为强制性的国家标准，并将在 2 0 0 7 年8 月1 日正式实施。目前看，我国数字电视地面传输标准虽然主要适用 于地面固定接收、移动接收，而不涵盖手持设备，但是该标准的发布已经标志 着中国数字电视自主知识产权标准产业化破冰启航，我国广播电视的数字化已 开始进入了新的里程碑，进入全面数字化阶段。 1 4 2 数字电视传输系统的信道编码方案 1 9 9 3 年诞生的t u r b o 码，对于国际上的三大数字电视标准的提出来说太 新了，所以它们的信道编码方案中都没有把t u r b o 码编码方案考虑进来。 表1 1 给出了国际数字电视三大标准的信道编码方案【4 9 1 。 在最终被确立的数字电视地面传输国家融合标准中，其信道纠错编码标准 最后采用了清华提出的信道编码方案，清华提出的前向纠错编码采用串联式分 层级联纠错码，其参数如表1 2 所示，可采用迭代译码算法，应用于多优先级 多媒体码流模式和无优先级码流模式。 表1 1 三种数字电视标准的信道编码方案 欧洲 美国a t s c8 - v s b d v b t 日本i s d b tb s t _ o f d m c o f d m 外码 r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ，r 1 0 ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，w 8 ) 外码交织5 2 r s 块交织1 2 r s 块交织 信 缩短的卷积码，码率：1 2 ，2 3 ，5 6 ，7 8 道 内码2 3 码率格形码约束长度k = 7 ，多项式( 八进制) 1 7 1 ， 纠 1 3 3 错 编 卷积交织 卷积交织，频率交织和选择 码 内码交织1 2 ：1 格形码交织和频率交 的时间交织 织 数据随机 1 6 - b i t 化 1 6 - b “p r b s1 6 b i tp r b s p r b s 上海大学硕士学位论文 表1 2 清华d m b t 的信道编码方案 外码r s ( 2 0 8 ，1 8 8 ，仁1 0 ) 外码交织 交织宽度= 5 2 ，交织深度= 2 4 字节 2 3 、8 9 卷积码，4 9 串行卷积级联码 内码 约束长度k = 4 ，多项式( 八进制) 1 5 ，1 3 ( 0 ，o ) 、( 5 2 ，2 4 0 ) 和( 5 2 ，7 2 0 ) 时域交织： 内码交织 3 7 8 0 点符号内频域交织，比特交织 数据随机化1 6 - b i tp r b s 从上述给出的表格提供的参数可以看出这几种数字电视系统不管采用什么 调制方式，其纠错码都是采用外码( r s 码) + 外码交织+ 内码( 卷积码厂r c m ) + 内码交织的典型的级联码结构，然而作为内码的卷积码t c m 的保护能力，在 很大程度上决定了系统的白噪声门限。因此作为内码的卷积码必须要采用较大 约束长度k ，才可以取得较低的误码率。 本文的主要目的就是要设计出适合数字电视系统的t u r b o 码译码器芯片， 以t u r b o 码来取代现有数字电视信道编码方案中的内码。 1 5 本文的主要内容及贡献 本文在国家最新颁布的数字电视地面传输国家标准的背景下，研究和探讨 了适用于数字电视地面传输系统的t u r b o 码编译码器芯片设计实现方案。同时 利用e d a 工具，完成了t u r b o 码译码器芯片的a s i c 设计流程，为数字电视的 信道编码方案提供了新的思路。这也是本文研究课题的主要意义和贡献所在。 在本文设计的t u r b o 码芯片在满足数字电视传输要求的条件下，完成系统 的功能验证，并用e d a 设计工具完成了从前端到后端的整个a s i c 设计流程， 以较少的硬件资源获得了在6 m b p s 的净码率下的1 8 d b 的白噪声门限。 本文主要内容安排： 1 第一章简单介绍了t u r b o 码和数字电视系统标准和发展及现状。 2 第二章主要介绍了t u r b o 码编、译码的基本原理、几种不同的结构。 9 上海大学硕士学位论文 3 第三章主要介绍了构成t u r b o 码分量译码器的译码算法。 4 第四章的主要工作是根据数字电视传输的特殊要求，选择适合的t u r b o 码的相关参数，并给出t u r b o 码译码器硬件设计实现方案。 5 第五章给出了t u i b o 码译码器芯片的a s i c 流程，芯片的性能和功能测 试验证结果。 6 最后是对全文的总结及对今后研究的展望。 l o 上海大学硕士学位论文 第二章t u r b o 码的基本原理 t u r b o 码的提出是为了在一般译码复杂度下获得较高的编码增益。在发送 端，编码器采用并行级联编码技术，用简单的码来构造长码；在接收端，译码 器把长码化为短码，利用软输入软输出迭代译码算法进行译码。从一些模拟结 果来看，t u r b o 码的性能距离s h a n n o n 极限已相当接近。 本章主要介绍了1 u i b o 码的编、译码原理和结构。 2 1t u r b o 码的编码 2 1 1t u r b o 码的编码结构和原理 最初c b e r r o u 等人提出的t u r b o 码编码器采用的是并行级联卷积码结构， 即p c c c ，它也是标准的t u r b o 码编码器。图2 1 给出了一个简单的由两个分量 编码器构成的p c c c 结构框图。 输入 图2 1p c c c 的编码结构 t u r b o 码编码器主要由两个分量编码器、交织器、删余矩阵和复接器组成： 2 1 1 1分量编码器 在t u r b o 码中几乎毫不例外的使用了递归系统卷积码( r s c ) 作为分量码， 它是一种针对定长的比特序列的编码方法。采用这种编码结构是因为在较大信 噪比( b e r ) 情况下，非系统卷积码( n s c ) 比具有同样长度编码存储的非递 上海大学硕士学位论文 归系统卷积码的误比特率( b e r ) 要小，而带反馈系统卷积码( 递归系统卷积 码) 组合了非系统卷积码和非递归系统卷积码两者的优点。对于任意大小的信 噪比，当码率大于2 3 时，带反馈系统卷积码的性能比具有同样参数的非系统 卷积码性能要好。因此，t u r b o 码通常选用带反馈系统的递归卷积码作为分量 码。 后来的研究表明，即使是非常简单的子码也可以得到异常好的t u r b o 码。 子码的自由距离以及t u r b o 码的自由距离的提高对性能没有明显的改善，特别 是好的子码不一定造成好的t u r b o 码。更进一步的研究表明，子码选择的关键 是在于是否具有反馈结构。子码的反馈性是t u r b o 码性能提高的前提条件。 两个分量编码器输出相同的信息位( 除了交织造成它们之间顺序的差异) ， 只需传输一个编码器的信息位即可( 图2 1 是传输了r s c l 的信息位，即未经 交织的) 。两个分量码一般采用相同的生成矩阵。分量编码器也用生成多项式表 示，更简洁的和常用的是用对应的八迸制数表示，如( 2 ，1 ，4 ) 的r s c 码可 以表示为( 7 ，5 ) ，它是生成多项式( 1 + d + d 2 + d 4 ，l + d 2 ) 的八进制表示。 2 1 1 2 交织器( i n t e r l e a v e r ) 交织器设计的好坏对码的性能有直接影响，因此交织器在t u r b o 码编码过 程中起着很重要的作用。交织器的主要作用是对输入信息序列的比特顺序进行 重置，使交织前后的序列的相关性减小，同时增加码的自由距离，从而提高t u r b o 码的译码性能。交织器大致分为两类：规则交织器和随机交织器。规则交织器 通常按照一定的规则映射来实现交织，通常比较容易实现。对于长度有限的输 入信息序列，交织长度是有限的，实现完全随机是不可能的，因此基于随机性 准则设计的交织器称为伪随机交织器。 t u r b o 码比较常用的交织器是伪随机交织器，它是一种映射关系。其最基 本的工作原理是：对于长为n 的信息序列，首先标记每个比特的位置，然后生 成对应l i t 个【0 ，1 】之间的随机数，按其产生的顺序排列成序列x ，每个随机数 对应于信息序列中相应位置的信息比特，然后把x 中的元素按一定的规则重新 排列得到新的序列y ，并按y 中的元素顺序读出相应的信息比特，这样就完成 了交织。比如，按顺序生成的4 个随机数分别是o 7 3 2 ，0 3 1 2 ，0 5 2 1 6 ，o 7 2 5 3 ， 1 2 上海大学硕士学位论文 若规则是按照从大到小的顺序排列，则交织后的输出为( o 7 3 2 0 ，0 7 1 5 3 ，o 5 2 1 6 ， 0 3 1 2 0 ) 一( d l ，d 4 ，d 3 ，d 2 ) 。此信息序列为读出顺序。显然采用这种交织方 法的交织器顺序是随机的，这也决定了它未必是最好的，但是应该看到最好的 交织器也肯定能由它产生。当t u r b o 码的码长较长的时候，由它直接产生的交 织器的性能较好，而当t u r b o 码的码长较短时，往往不能直接找到性能理想的 交织器。因此人们提出了很多种改进的方法，希望能够更快速，更有效的得到 高性能的交织器。其中，性能比较好的是s 伪随机交织器。 可以证明，对于n 足够长的t u r b o 码来说，各种伪随机交织器对于t u r b o 码的性能都是等价的【”1 。 2 1 1 3删余矩阵 若不进行删余，图2 1 所示的编码器的码率为1 3 ，这样低的码率对于深空 通信等场合是合适的，但对于卫星通信、个人移动通信等对带宽利用率要求较 高的场合，希望可以有更高的编码效率。必须通过删余来提高码率( 周期性的 删除选定的比特，以减少码信息的冗余度，提高码率) 。对于迭代译码情况，一 般只删除校验位，特别的，对于1 2 删节，一般可以删除r s c l 的所有偶数校 验比特，删除r s c 2 的所有奇数校验比特。通常，删余机制可以通过一个删余 矩阵来表示，如对基于( 2 ，1 ，4 ) r s c 码的t u r b o 码编码器按上述的奇偶交替 删节的机制可以用矩阵p = l ：l 来表示，元素1 表示保留，元素0 表示删除， 矩阵的总行数表示删余操作的周期。 2 1 1 4 编码原理 图2 1 中输入的信息序列，进入编码器后分三路，一路直接输出系统位， 一路经过第一个分量编码器1 ( 递归系统卷积码r s c l ) ，进行编码，输出检验 序列局，。另一路经过交织器形成一个新的序列- ( 长度与内容没有变化，只是 比特位置经过重新排列) ，然后经过第二个分量编码器2 ( r s c 2 ) 进行编码， 输出检验序列劲。序列耳，昂2 经过删余矩阵，形成检验序列昂。昂序列与未 编码的d 经过复接器复用后，生成t u r b o 码序列 上海大学硕士学位论文 例如，一个基于( 2 ，1 ，4 ) r s c ( 递归系统卷积码) 的t u r b o 码编码器， 其分量码是码率为1 ，2 的寄存器级数为4 的r s c 码。它的生成矩阵为： g ( d ) - 【1 ，而卷旱南】 ) 我们这里假设输入序列为： 。 a = ( 1 0 1 1 0 0 1 ) 则第一个分量编码器的输出序列为： 昂，_ ( 1 1 1 0 0 0 1 ) 经过交织后第二个分量编码器的输入序列为： a t = ( 1 1 0 1 0 1 0 ) 第二个分量编码器的输出序列为： x p f = ( 10 0 0 0 0 0 ) 则得到的未经删余的码率为1 3 的t u r b o 码序列为： 产( 1 1 1 ，0 1 0 ，1 1 0 ，1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 ，1 l o ) 如果采用如下删余矩阵： 芦阳 亿z ， 则通过删余得到码率为l 2 的t u r b o 码序列： 器( 1 1 ，o o ，1 0 ，1 0