HDTV接收機(jī)中Viterbi譯碼器的FPGA實(shí)現(xiàn)

高清晰度數(shù)字電視HDTV技術(shù)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的圖像壓縮編碼技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的結(jié)合。它代表一個(gè)國(guó)家的科技綜合實(shí)力，蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)潛力。數(shù)字電視地面廣播編碼正交頻分復(fù)用COFDM傳輸系統(tǒng)以其較強(qiáng)的抗多徑干擾性能、易于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)接收等優(yōu)點(diǎn)在HDTV的研究中占有很重要的地位。而COFDM系統(tǒng)中編、解碼技術(shù)是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)重要因素。本文正是基于一種最大似然譯碼--Viterbi VB譯碼算法思想，從FPGA實(shí)現(xiàn)的角度探討在COFDM系統(tǒng)中內(nèi)碼（收縮卷積碼）的解碼。

1 設(shè)計(jì)算法簡(jiǎn)述

在HDTV地面廣播COFDM系統(tǒng)中，所用內(nèi)碼為收縮卷積碼，除1/2主碼率外，還有2/3、3/4、5/6、7/8碼率的卷積編碼。在實(shí)際的傳輸信道中，噪聲一般是加性高斯白噪聲(AWGN)，輸入AWGN信道的是二進(jìn)制信號(hào)序列。為了充分利用信道輸出信號(hào)的信息，提高傳輸系統(tǒng)譯碼的可靠性，首先把信道的輸出信號(hào)量化，將Q電平量化序列輸入Viterbi譯碼器，因此本文采用的VB譯碼算法為軟判決譯碼算法。

1.1 主碼率1/2的卷積碼編碼

目前，在國(guó)際衛(wèi)星通信和很多通信系統(tǒng)中，(2，1，6)碼是首選的使用VB譯碼的標(biāo)準(zhǔn)卷積碼。由于該碼能使誤碼率達(dá)到最小，且能克服相位誤差，所以在HDTV地面廣播COFDM傳輸系統(tǒng)中，內(nèi)碼采用(2，1，6)碼，它的子生成元為(171，133)，均為八進(jìn)制。對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式G D＝1+D+D2+D3+D6 1+D2+D3+D5+D6 df＝10。其編碼器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1。
由于(2，1，6)碼有64個(gè)狀態(tài)，為直觀起見(jiàn)，采用列表的方法來(lái)表述它的籬笆圖，如表1所示。


1.2 收縮卷積碼的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)多碼率傳輸，在提高碼率的情況下不致使譯碼器的復(fù)雜性增加，在本設(shè)計(jì)中對(duì)(2，1，6)碼進(jìn)行增信刪余(Puncctured)。如圖1所示，在經(jīng)上述編碼后，對(duì)輸出碼字中的特定位置予以刪除。這樣可以產(chǎn)生碼率為2/3、3/4、5/6、7/8的較高碼率的卷積碼。

1.3 維特比譯碼算法簡(jiǎn)述

Viterbi VB譯碼算法是一種最大似然譯碼算法。在收端的譯碼過(guò)程中，根據(jù)對(duì)接收碼元處理方式的不同，分為硬判決和軟判決譯碼。在同一譯碼算法下，雖然硬判決譯碼較軟判決譯碼簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，但在性能上要損失2～3dB。因此本文的FPGA實(shí)現(xiàn)是基于軟判決來(lái)討論的。具體算法如下：
(1)從某一時(shí)間單位j＝m開(kāi)始，對(duì)進(jìn)入每一狀態(tài)的所有長(zhǎng)為ｊ段分支的部分路徑，計(jì)算部分路徑度量。對(duì)64態(tài)的每個(gè)狀態(tài)，挑選并儲(chǔ)存一條有最大度量的部分路徑及部分度量值作為留選路徑。
(2)j增加1，把此時(shí)刻進(jìn)入每一狀態(tài)的所有分支度量與同這些分支相連的前一時(shí)刻的留選路徑的度量相加，得到此時(shí)刻進(jìn)入每一狀態(tài)的留選路徑，加以存儲(chǔ)并刪去其它所有路徑。
(3)為了在FPGA 設(shè)計(jì)中達(dá)到較高的時(shí)鐘速度，本文在判決和輸出路徑寄存器的信息時(shí)，把所有64個(gè)路徑寄存器的第一段信息元取出，按大數(shù)判決準(zhǔn)則輸出第一段信息元。

2 維特比譯碼的FPGA實(shí)現(xiàn)

本文是在Altera公司推出的Quartus電路仿真環(huán)境中，采用AHDL語(yǔ)言和原理圖仿真相結(jié)合的方法來(lái)完成VB譯碼器的FPGA實(shí)現(xiàn)。