基于數字電視傳輸系統Turbo編碼器芯片設計

　　摘要：本文介紹了數字電視傳輸系統中信道編碼的應用及發(fā)展的新方向，并在此基礎上我們設計了可以應用于數字電視傳輸的Turbo碼編碼器芯片，并通過(guò)EDA前后端設計工具，完成了整個(gè)ASIC級的設計。為了滿(mǎn)足實(shí)際數字電視信號的實(shí)時(shí)處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設計中采用了流水線(xiàn)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：Turbo編碼器，數字電視，信道編碼，T-TCM

　　1.前言

　　信道編碼在數字電視中是非常關(guān)鍵的部分，它對數字電視系統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，我們在數字電視信道編碼理論和Turbo編解碼理論研究的基礎上設計了可用于數字電視傳輸系統的Turbo碼編碼器芯片。設計中我們用EDA前后端設計工具完成了整個(gè)芯片的設計流程。Turbo編碼器芯片的電路功能是實(shí)現Turbo信道編碼及其發(fā)送過(guò)程，編碼數據流結構為16bits/block。為了滿(mǎn)足實(shí)際數字電視信號的實(shí)時(shí)處理要求，芯片必須工作在較高的頻率上，因此設計中采用了流水線(xiàn)技術(shù)。

　　2.數字電視中的信道編碼

　　2.1 數字電視傳輸標準

　　(1) 美國的高級數字電視系統委員會(huì )標準，即ATSC，采用格型編碼的八電平殘留邊帶調制(8-VSB)。

　　(2) 歐洲的數字地面視頻廣播標準DVB-T，采用的是編碼正交頻分復用調制(COFDM)。

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

　　以上是國際三大數字電視標準。

　　2006年8月30日，以清華大學(xué)數字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心提出DMB-T標準和上海交大的ADTB-T標準的融合標準，最終被確立為我國數字電視地面傳輸國家標準，名為《數字電視地面廣播傳輸系統幀、信道編碼和調制》(簡(jiǎn)稱(chēng)DMB-TH標準)。根據國家標準化管理委員會(huì )發(fā)布的國際公告，該標準號為GB20600-2006的數字電視標準已被正式批準成為強制性國家標準，將在明年8月1日正式實(shí)施。它標志著(zhù)中國數字電視自主知識產(chǎn)權標準產(chǎn)業(yè)化破冰啟航。

　　2.2 數字電視系統信道編碼方案

　　數字電視國際三大標準的信道編碼方案及我國數字電視新標準的信道編碼方案(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，加上內碼(卷積碼或TCM)的典型級聯(lián)碼的結構[2]。而作為內碼的卷積碼/TCM的保護能力在很大程度決定了系統的白噪聲門(mén)限。其糾錯能力與香濃極限相比還有一定的距離。

　　本文的Turbo碼編碼器芯片的設計是在國家新標準出臺之前，但在我們的設計之前已經(jīng)深入研究了清華DMB-T標準和上海交大的ADTB-T標準，并在此基礎上，設計了可用于數字電視傳輸系統的Turbo碼編碼器芯片，以它作為內碼，從而可大大降低系統的噪聲門(mén)限。

　　2.3 數字電視信道編碼的新思路

　　網(wǎng)格編碼調制技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)TCM)克服了傳統信道編碼的缺點(diǎn)，把調制與編碼結合起來(lái)，能夠在不增加帶寬和減小數據傳輸速率的基礎上，獲得3～6dB的編碼增益，是一種高效調制方案。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)現網(wǎng)格編碼調制的理想方案，為編碼調制提供了新的思路[1]。

　　采用Turbo碼于調制技術(shù)結合的Turbo-TCM技術(shù)(又稱(chēng)為T(mén)-TCM技術(shù))和用Turbo碼做子碼的多層編碼已成為實(shí)現編碼調制方案的新方向。圖1是一個(gè)二維T-TCM編碼器結構圖。

　　圖1 T-TCM的編碼器結構

　　圖2 Turbo編碼器電路框圖

　　在以往的數字電視方案中已有在內碼中采用TCM方案(如美國的ATSC標準)，如果將Turbo碼與TCM結合的T-TCM方案應用于數字電視系統中，將會(huì )獲得更好的性能表現。

　　3.Turbo碼編碼的硬件實(shí)現

　　3.1 設計思路

　　由于流片時(shí)間限制，本文的設計只設計了Turbo編碼器芯片。

　　數字電視系統中，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)內碼、內碼交織，完成信道編碼。我們的設計中將Turbo碼替換數字電視系統中原有的內碼(卷積碼/TCM)。

　　3.2 設計流程

　　我們的設計是按照ASIC的設計流程來(lái)進(jìn)行的，設計流程如圖3所示。從設計系統行為級描述開(kāi)始，依次通過(guò)系統行為級的功能驗證，設計綜合，綜合后仿真，自動(dòng)化布局布線(xiàn)，到版圖后仿真，及DRC和LVS驗證。設計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(xiàn)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：為遞歸系統卷積碼(RSC)編碼器，對系統輸入碼流信息進(jìn)行遞歸系統卷積碼的編碼，采用約束長(cháng)度為K=3，(7，5)碼。

　　2)交織器：在第2維RSC編碼之前對系統輸入碼流信息進(jìn)行數據交織。本設計中采用S奇偶隨機交織，S=14。

　　3)編碼輸出模塊：按一定順序將編碼后數據流送出編碼器。

　　3.4 芯片參數

　　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28.6Mhz。圖示4為T(mén)urbo Coder芯片版圖。

　　圖3 設計流程圖圖

　　4.Turbo碼芯片的版圖

　　4.芯片的仿真結果

　　為了確保整個(gè)Turbo碼編碼器芯片的功能的正確性，我們在每個(gè)階段都進(jìn)行了嚴格仔細的仿真和驗證。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。版圖后的仿真結果與綜合后的仿真結果一致。表明芯片的功能符合設計要求。

　　5.結束語(yǔ)

　　我們用上述的Turbo碼芯片來(lái)替換數字電視系統中原有的內碼(卷積碼/TCM)，以相對較少的硬件資源得到系統的最高工作頻率44.24Mhz，實(shí)際工作頻率達28.6Mhz，這遠遠優(yōu)于現有的數字電視系統。

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

　　參考文獻

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

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

　　[3] . 鄭志航，全數字高清晰度電視和DVB[M]，北京：中國廣播電視出版社，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. 低信噪比通信系統中Turbo碼應用仿真[J]. 微計算機信息，2006，1-1：P238-239、P102