高速多模式RS编码的设计方案

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引言
       
        为了解决地-空的数据传输业务增长而带来的高通信速度要求和高宽带要求问题，国际民航组织（ICAO）选定L波段航空数字通信系统（L-DACS）作为民航未来宽带航空数据链的传输方案。欧洲EUROCON-TROL提出了未来航空通信系统（FAC），即L波段数字航空通信系统类型1和2（L-DACS1和L-DACS2）。L-DACS1是采用正交频分复用OFDM技术的航空通信系统，它工作在960~1 024 MHz的航空L波段，被设计来满足未来20年和更长时间的航空通信要求。
       
        在L-DACS1中，由于信道的噪声和畸变与多普勒频移的影响，会对传输的信息引起失真和信号判决错误，而且不同类型的数据需要采用不同的速率传输，因此需要使用多种模式的信道编码来降低误码率。RS编码是性能优良的纠错码，在线性分组码中它的纠错能力和编码效率是最高的。它不但可以纠正随机错误、突发错误以及两者的结合，而且还可以用来构造其他码类。因而RS编码是目前L-DACS1中重要的组成部分。
       
        RS编码器原理
       
        RS（n，k，t）码通常用n、k和t三个参数表示。其中：
       
        n表示码字长度；k表示信息段长度；t表示可纠正错误符号个数。L-DACS1协议中采用RS（16，4，1）、RS（21，19，1）、RS（24，22，1）、RS（32，28，2）、RS（43，39，2）、RS（49，45，2）、RS（66，60，3）和RS（74，66，3）八种模式。
       
        以RS（16，4，1）为例，RS（16，4，1）的生成多项式一般按式（1）进行选择：
       
       
        首先计算商式h（x）和余式r（x） n - k d（x） g（x） =h（x）g（x） + r（x） ，取余式r（x）作为校验字，然后令c（x） = xn - k d（x） + r（x），即将信息位放置于码字的前半部分，监督位放置于码字的后半部分，这样有式（2）：
       
       
        因此码字多项式c（x）必可被生成多项式g（x）整除。如果在接收方检测到余式不为0，则可判断接收到的码字有错误。RS编码器结构如图1所示。
       
       
        其工作原理如下：
       
        （1）寄存器R0 - R2t - 1全部清零。开关接通A点，然后信息位分为两路送电路中，一路直接送入C（x） ，一路送入除法电路并进行移位。每一个时钟一个字节；（2）在k个时钟结束的时候信息位全部输入，并完成除法功能。此时移位寄存器里保留了余式r（x）的系数，这就是RS码的校验位；（3）在k+1个时钟到来的时候，开关接通B点。寄存器中的数据依次移出，送入信道。在经过2t个时钟后数据全部移出，得到2t个校验位。这2t个校验位跟在原先的k个信息位的后面，组成RS（n，k，t）码输出。这样就完成了RS码的编码；（4）寄存器R0 ~R2t - 1全部清零，重复步骤（1）~（3），完成对下一组RS码的编码。
       
        多模式RS编码器的设计与实现
       
        多模式RS编码模块，根据MODE信号对于可配置的RS模块进行实时的配置。图2为多模式RS编码在L-DACS1中硬件实现结构图，表1为多模式RS编码器模块端口说明。
         
       
       
         
       
        根据协议规定，L-DACS1发射机使用归零卷积码，所以需要将RS编码器的输出数据末尾进行补零处理。因为卷积码的约束长度为6位，因此需要补6个零。
       
        RS编码后的数据放入缓存器中然后输出。根据MODE信号对于计数器进行选择，计数器最大值时，将BUFFER使能端置为低电平，同时激活ROM，顺序输出6个0值符号。然后计数器置为0，将BUFFER使能端拉至高电平。
       
        多模式RS编码器仿真
       
        利用Verilog HDL硬件描述语言对多模式RS编码器进行仿真，对工程文件进行综合、布线和仿真，以RS（16，4，1）编码为例进行分析，其后仿真结果如图3所示。
         
       
       
        图3中，MODE是模式控制信号，可根据该信号来选择不同的RS编码模式。data_in为模块的输入数据，每次连续输入112 b数据；data_out为RS编码后输出数据，每次连续输出134 b；rdy为数据输出有效标志位。
       
        本次仿真RS（16，4，1）编码，模式信号MODE为000.仿真其他模式RS编码，改变MODE信号即可。
       
        将仿真通过的工程文件使用ChipScope添加观察信号采样时钟、触发信号和待观察信号后重新综合、布局布线生成bit文件，下载到Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153型号的芯片后用ChipScope进行在线测试，采用主时钟75 MHz，得到测试结果如图4所示。
       
       
        图4中，en表示输入使能信号，data_in表示编码之前的数据，data_out表示RS编码后输出数据，rdy表示输出数据有效的信号，输入时钟频率为75 MHz，采样时钟频率为150 MHz.通过对比图3的仿真结果和图4的在线测试结果，可以验证在高速的时钟下设计的正确性。
       
        结语
       
        本文提出了一种基于L-DACS1系统中高速多模式RS编码的设计方案。本方案先阐述了L-DACS1系统中多模式RS编码器的工作原理，利用FPGA设计实现了可以在高速多模式条件下正常工作的RS编码器。同时用Verilog HDL硬件描述语言对此设计进行了仿真验证，最后使用75 MHz的主时钟频率，在Xilinx公司Virtex-5系列XC5VLX110-F1153型号芯片下完成了硬件的调试，仿真及在线测试结果表明，达到了预期的设计要求，并用于实际项目中，以此证明该方案具有较强的实用性。