基于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)Turbo編碼器芯片設(shè)計(jì)

　　摘要：本文介紹了數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中信道編碼的應(yīng)用及發(fā)展的新方向，并在此基礎(chǔ)上我們?cè)O(shè)計(jì)了可以應(yīng)用于數(shù)字電視傳輸?shù)腡urbo碼編碼器芯片，并通過(guò)EDA前后端設(shè)計(jì)工具，完成了整個(gè)ASIC級(jí)的設(shè)計(jì)。為了滿足實(shí)際數(shù)字電視信號(hào)的實(shí)時(shí)處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設(shè)計(jì)中采用了流水線技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：Turbo編碼器，數(shù)字電視，信道編碼，T-TCM

　　1.前言

　　信道編碼在數(shù)字電視中是非常關(guān)鍵的部分，它對(duì)數(shù)字電視系統(tǒng)整體性能的好壞起到了舉足輕重的作用。而Turbo碼是目前所有信道編碼方案中最好的，我們?cè)跀?shù)字電視信道編碼理論和Turbo編解碼理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可用于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的Turbo碼編碼器芯片。設(shè)計(jì)中我們用EDA前后端設(shè)計(jì)工具完成了整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)流程。Turbo編碼器芯片的電路功能是實(shí)現(xiàn)Turbo信道編碼及其發(fā)送過(guò)程，編碼數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)為16bits/block。為了滿足實(shí)際數(shù)字電視信號(hào)的實(shí)時(shí)處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設(shè)計(jì)中采用了流水線技術(shù)。

　　2.數(shù)字電視中的信道編碼

　　2.1 數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)

　　(1) 美國(guó)的高級(jí)數(shù)字電視系統(tǒng)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，即ATSC，采用格型編碼的八電平殘留邊帶調(diào)制(8-VSB)。

　　(2) 歐洲的數(shù)字地面視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-T，采用的是編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制(COFDM)。

　　(3) 日本的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播ISDB-T，采用的頻帶分段傳輸正交復(fù)用調(diào)制(BST-OFDM)。

　　以上是國(guó)際三大數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。

　　2006年8月30日，以清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心提出DMB-T標(biāo)準(zhǔn)和上海交大的ADTB-T標(biāo)準(zhǔn)的融合標(biāo)準(zhǔn)，最終被確立為我國(guó)數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)，名為《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀、信道編碼和調(diào)制》(簡(jiǎn)稱DMB-TH標(biāo)準(zhǔn))。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的國(guó)際公告，該標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB20600-2006的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)已被正式批準(zhǔn)成為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將在明年8月1日正式實(shí)施。它標(biāo)志著中國(guó)數(shù)字電視自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化破冰啟航。

　　2.2 數(shù)字電視系統(tǒng)信道編碼方案

　　數(shù)字電視國(guó)際三大標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼方案及我國(guó)數(shù)字電視新標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼方案(采用的是清華的信道編碼方案)基本上都是采用RS碼作為外碼，加上交織器，加上內(nèi)碼(卷積碼或TCM)的典型級(jí)聯(lián)碼的結(jié)構(gòu)[2]。而作為內(nèi)碼的卷積碼/TCM的保護(hù)能力在很大程度決定了系統(tǒng)的白噪聲門(mén)限。其糾錯(cuò)能力與香濃極限相比還有一定的距離。

　　本文的Turbo碼編碼器芯片的設(shè)計(jì)是在國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，但在我們的設(shè)計(jì)之前已經(jīng)深入研究了清華DMB-T標(biāo)準(zhǔn)和上海交大的ADTB-T標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可用于數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的Turbo碼編碼器芯片，以它作為內(nèi)碼，從而可大大降低系統(tǒng)的噪聲門(mén)限。

　　2.3 數(shù)字電視信道編碼的新思路

　　網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)(簡(jiǎn)稱TCM)克服了傳統(tǒng)信道編碼的缺點(diǎn)，把調(diào)制與編碼結(jié)合起來(lái)，能夠在不增加帶寬和減小數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，獲得3～6dB的編碼增益，是一種高效調(diào)制方案。Turbo作為一種在低信噪比條件下性能優(yōu)異的信道編碼方法，顯然是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格編碼調(diào)制的理想方案，為編碼調(diào)制提供了新的思路[1]。

　　采用Turbo碼于調(diào)制技術(shù)結(jié)合的Turbo-TCM技術(shù)(又稱為T(mén)-TCM技術(shù))和用Turbo碼做子碼的多層編碼已成為實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制方案的新方向。圖1是一個(gè)二維T-TCM編碼器結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 T-TCM的編碼器結(jié)構(gòu)

　　圖2 Turbo編碼器電路框圖

　　在以往的數(shù)字電視方案中已有在內(nèi)碼中采用TCM方案(如美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn))，如果將Turbo碼與TCM結(jié)合的T-TCM方案應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)中，將會(huì)獲得更好的性能表現(xiàn)。

　　3.Turbo碼編碼的硬件實(shí)現(xiàn)

　　3.1 設(shè)計(jì)思路

　　由于流片時(shí)間限制，本文的設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)了Turbo編碼器芯片。

　　數(shù)字電視系統(tǒng)中，來(lái)自MPEG-2編碼形成的傳送碼流(TC)，在經(jīng)過(guò)外碼和外碼交織后再經(jīng)內(nèi)碼、內(nèi)碼交織，完成信道編碼。我們的設(shè)計(jì)中將Turbo碼替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼(卷積碼/TCM)。

　　3.2 設(shè)計(jì)流程

　　我們的設(shè)計(jì)是按照ASIC的設(shè)計(jì)流程來(lái)進(jìn)行的，設(shè)計(jì)流程如圖3所示。從設(shè)計(jì)系統(tǒng)行為級(jí)描述開(kāi)始，依次通過(guò)系統(tǒng)行為級(jí)的功能驗(yàn)證，設(shè)計(jì)綜合，綜合后仿真，自動(dòng)化布局布線，到版圖后仿真，及DRC和LVS驗(yàn)證。設(shè)計(jì)中我們使用的仿真工具是Candence公司的NC-Verilog，綜合工具是Synopses公司的Design Compiler，布局布線用的是Cadence公司的Silicon Ensemble，采用0.6µm技術(shù)工藝。

　　3.3 芯片主要功能模塊

　　圖2給出了Turbo碼編碼器芯片框圖。

　　1)分量編碼器：為遞歸系統(tǒng)卷積碼(RSC)編碼器，對(duì)系統(tǒng)輸入碼流信息進(jìn)行遞歸系統(tǒng)卷積碼的編碼，采用約束長(zhǎng)度為K=3，(7，5)碼。

　　2)交織器：在第2維RSC編碼之前對(duì)系統(tǒng)輸入碼流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交織。本設(shè)計(jì)中采用S奇偶隨機(jī)交織，S=14。

　　3)編碼輸出模塊：按一定順序?qū)⒕幋a后數(shù)據(jù)流送出編碼器。

　　3.4 芯片參數(shù)

　　芯片名字：Turbo Coder

　　面積：1.70×1.70=2.89 mm2

　　邏輯單元：約5000門(mén)

　　封裝：CDIP20

　　Pins：19

　　技術(shù)工藝：CSMC 0.6μm 2p2m

　　芯片的最高工作頻率44.24Mhz，實(shí)際工作頻率可達(dá)28.6Mhz。圖示4為T(mén)urbo Coder芯片版圖。

　　圖3 設(shè)計(jì)流程圖圖

　　4.Turbo碼芯片的版圖

　　4.芯片的仿真結(jié)果

　　為了確保整個(gè)Turbo碼編碼器芯片的功能的正確性，我們?cè)诿總€(gè)階段都進(jìn)行了嚴(yán)格仔細(xì)的仿真和驗(yàn)證。這里我們用Cadence公司的仿真工具NC_Verilog進(jìn)行了綜合前、綜合后的仿真及版圖后仿真。

　　圖5 綜合后的Turbo Coder的仿真波形

　　圖5是綜合后的仿真的波形。版圖后的仿真結(jié)果與綜合后的仿真結(jié)果一致。表明芯片的功能符合設(shè)計(jì)要求。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　我們用上述的Turbo碼芯片來(lái)替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼(卷積碼/TCM)，以相對(duì)較少的硬件資源得到系統(tǒng)的最高工作頻率44.24Mhz，實(shí)際工作頻率達(dá)28.6Mhz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的數(shù)字電視系統(tǒng)。

　　但由于只考慮了用Turbo碼替換數(shù)字電視系統(tǒng)中原有的內(nèi)碼，實(shí)際應(yīng)用中帶寬利用率是較低的。若要提高帶寬利用率，同時(shí)取得較好的糾錯(cuò)性能，可以考慮Turbo-TCM方案，但其譯碼更為復(fù)雜，特別是工作在高速情況下，對(duì)硬件的要求也更高。我們下一步的工作目標(biāo)將是基于數(shù)字電視的T-TCM的硬件實(shí)現(xiàn)方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]. 劉東華. Turbo碼原理與應(yīng)用技術(shù)[M] 北京：電子工業(yè)出版社，2004年1月.

　　[2]. 地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)(白皮書(shū)) 北京：清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心，2004年8月.

　　[3] . 鄭志航，全數(shù)字高清晰度電視和DVB[M]，北京：中國(guó)廣播電視出版社，1997.

　　[4]. C. Berrou ,A. Glavieux , and P. Thitimajshima Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding :Turbo-Codes[Z]. Proc ICC’93, Geneva, Switzerland , May 1993, PP. 1064-1070.

　　[5]. 晏裕春，蔣宇中等. 低信噪比通信系統(tǒng)中Turbo碼應(yīng)用仿真[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，1-1：P238-239、P102