FPGA如何使用RAM分區(qū)循環(huán)移位法實(shí)現(xiàn)解交織器

本文分析了卷積交織和解交織的基本原理，然后采用Altera 的FPGA器件，用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來(lái)實(shí)現(xiàn)解交織器。無(wú)論從理論上，還是從計(jì)算機(jī)仿真和綜合結(jié)果上來(lái)分析，都可以看出用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)DVB-C解交織器能有效地節(jié)省硬件資源。

卷積交織和解交織原理簡(jiǎn)介

在DVB-C系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)際信道中的突發(fā)錯(cuò)誤往往是由脈沖干擾、多徑衰落引起的，在統(tǒng)計(jì)上是相關(guān)的，所以一旦出現(xiàn)不能糾正的錯(cuò)誤時(shí)，這種錯(cuò)誤將連續(xù)存在。因此在DVB-C系統(tǒng)里，采用了卷積交織來(lái)解決這種問(wèn)題。它以一定規(guī)律擾亂源符號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)間順序，使其相關(guān)性減弱，然后將其送入信道，解交織器按相反規(guī)律恢復(fù)出源符號(hào)數(shù)據(jù)。

DVB-C的卷積交織和解交織原理為：交織由I=12（I為交織深度）個(gè)分支構(gòu)成。每個(gè)分支的延時(shí)逐漸遞增，遞增的單元數(shù)M=n/I=204/12=17（M為交織基數(shù)）。這里的數(shù)據(jù)單位為字節(jié)。0支路無(wú)延時(shí)，1支路延時(shí)17個(gè)符號(hào)周期，11支路則延時(shí)l7×11個(gè)符號(hào)周期。輸入端有一開(kāi)關(guān)隨著時(shí)間推移依次連接各個(gè)延時(shí)支路，輸出端有一開(kāi)關(guān)與輸入端一一對(duì)應(yīng)，同步連接各延時(shí)支路。

解交織器的實(shí)現(xiàn)

解交織器的FPGA實(shí)現(xiàn)原理

本文采用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镽AM里面暫存一位數(shù)據(jù)，只需要用一個(gè)邏輯門大小的資源，比基本寄存器暫存一位數(shù)據(jù)需要12個(gè)邏輯門大小的資源要優(yōu)化很多。用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來(lái)實(shí)現(xiàn)解交織器，就是把RAM分成11個(gè)區(qū)。每個(gè)區(qū)的大小為（單位為字節(jié)）：

Ni=M*（I-i－1）（i=0，1，2， …，（I-1））

這里i為RAM所分區(qū)的區(qū)號(hào)。

因?yàn)?1支路不需要延時(shí)，所以 RAM的11分區(qū)大小即N11為0。本文在RAM前面設(shè)置一個(gè)地址控制器，這是解交織器關(guān)鍵的一步。RAM每區(qū)有一個(gè)首地址和區(qū)內(nèi)偏移地址，分別用一個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)。在地址控制器里產(chǎn)生每區(qū)的首地址和區(qū)內(nèi)偏移地址，從而進(jìn)一步產(chǎn)生RAM的讀寫(xiě)地址。

解交織器的FPGA實(shí)現(xiàn)

把解交織器的深度I和基數(shù)M設(shè)成參數(shù)，以增強(qiáng)程序的通用性。如果以后設(shè)計(jì)的解交織器的系數(shù)I和M需要改動(dòng)，只要把參數(shù)值重新設(shè)置一下就可以了，不需要改動(dòng)程序。由前面的計(jì)算可知，解交織器總共需要延時(shí)的比特?cái)?shù)，也就是RAM的大小應(yīng)該為8976比特。

可以用下面一段程序?qū)崿F(xiàn)首地址的初始化：

FirstAddr［0］=0;

for（i=1;i《（i-1）;i=i+1）《 span=“”》

FirstAddr［i］=（I-i）*M+FirstAddr［i-1］;

也就是說(shuō)0~11支路的首地址在RAM中分別為0，187，357，510，646，765，867，952，1020，1071，1105。

RAM每區(qū)的字節(jié)數(shù)可以由參數(shù)來(lái)表示，即為（I-i-1）*M，i為分支號(hào)。

每區(qū)內(nèi)偏移地址SectAddr［i］初始化為0，每寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，遞增1并與由參數(shù)表示的每區(qū)的字節(jié)數(shù)進(jìn)行比較，若兩數(shù)相等，則SectAddr［i］重新設(shè)為零，保證區(qū)內(nèi)偏移地址在每區(qū)內(nèi)循環(huán)移動(dòng)。

由上可知，RAM每區(qū)的讀寫(xiě)地址為：FirstAddr［i］＋SectAddr［i］（i為RAM分區(qū)號(hào)）

RAM每區(qū)的讀寫(xiě)地址相同，也就是先讀出給定地址單元的數(shù)據(jù)后，再寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)。這里要同時(shí)發(fā)生讀寫(xiě)操作，所以要使用雙口RAM。每隔一個(gè)時(shí)鐘周期，RAM讀寫(xiě)指針就跳到下一個(gè)RAM區(qū)，這樣讀寫(xiě)指針在RAM的11個(gè)區(qū)循環(huán)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解交織。

Clk為時(shí)鐘信號(hào)，Reset為異步復(fù)位信號(hào)，ClkEn為時(shí)鐘使能信號(hào)，高電平有效，F(xiàn)rameFirstIn為幀同步信號(hào)，高電平有效。DeinterleaverIn為輸入數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，要不然會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。DeinterleaverIn為了在selector模塊輸入時(shí)和RAM的輸出數(shù)據(jù)q保持同步，要作相應(yīng)的延時(shí)，同步延時(shí)后DataIn4，同理，對(duì)應(yīng)地RAM的輸入數(shù)據(jù)DataIn1，selector模塊的使能信號(hào)ClkEn4等也是經(jīng)過(guò)同步處理得到。Flag為selector模塊的選擇控制信號(hào)，當(dāng)Flag信號(hào)為0~10時(shí)，選擇RAM的輸出數(shù)據(jù)q作為輸出，而當(dāng)Flag=11時(shí)，則選擇DeinterleaverIn經(jīng)過(guò)同步處理后的數(shù)據(jù)DataIn4作為輸出，從而保證在解交織器的11支路實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)輸出。在解交織器的最前面輸出的字節(jié)有些是無(wú)效的，加一個(gè)DataEffect模塊是為了等全部字節(jié)都有效時(shí)，才把FrameFirstOut信號(hào)置高，告訴后面的模塊數(shù)據(jù)開(kāi)始全部有效。

從資源利用方面考慮，使用RAM分區(qū)循環(huán)移位法來(lái)實(shí)現(xiàn)DVB-C解交織器比全部用基本寄存器或用配置FIFO的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)要優(yōu)化得多。

為了更好地驗(yàn)證，本文把設(shè)計(jì)在synopsys 公司的synplify pro軟件環(huán)境下進(jìn)行綜合，選用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8器件。因?yàn)槭褂昧塑浐薎P，所以再把生成的*.vqm文件導(dǎo)入synopsys公司的QuartusII 軟件進(jìn)行再綜合，選擇同樣的器件類型和型號(hào)，結(jié)果說(shuō)明采用雙口RAM設(shè)計(jì)所使用的邏輯單元較少，而且使用的8976比特RAM資源占用了Cyclone器件中的3個(gè)M4K，只有全部存儲(chǔ)資源的3%。

結(jié)語(yǔ)

雖然采用卷積交織會(huì)在剛開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候輸出一些無(wú)效數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中引入一定的延時(shí)，但是它能把突發(fā)干擾造成的突發(fā)錯(cuò)誤分散成隨機(jī)錯(cuò)誤，利于RS糾錯(cuò)，這樣一權(quán)衡，有延時(shí)也是很值得的。本文利用EDA工具完成解交織器的設(shè)計(jì)，并且采用Verilog和原理圖協(xié)同輸入的設(shè)計(jì)方法，大大提高了設(shè)計(jì)效率。這里設(shè)計(jì)的解交織器具有通用性，如果要用不同深度I和基數(shù)M的解交織器，只要重設(shè)程序里的參數(shù)值就可以了，非常方便。

責(zé)任編輯：haq