宽带无线接入网中的RS编译码硬件解决方案

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一、 引言
     差错控制技术对提高通信系统的可靠性有重要作用。RS码具有很强的纠错能力，既可以纠随机错，又可以纠突发错，在通信系统中应用广泛。RS的编码方案相对简单，在此不赘述，仅在最后的测试过程中给出测试结果。但RS码的解码复杂度高，数学运算量大，国内的硬件及软件解码方案大多不能满足高速率的传输需求，一般适用于10 MHz以下。本文基于欧氏算法(Euclidean Algorithm)和IDFT相结合的RS解码方案利用FPGA芯片实现了GF（２８）上符号速率为32.5　MHz的流式解码方案,最大延时为640　ns，参数可以根据需要灵活设置。
     二、RS码的结构
     对于码长为Ｎ＝q-1，生成多项式为g(x)=(x，αi∈ＧＦ（q)的RS码有最小码距δ＝２t+1，能够纠正t个随机或突发错误。
     
     错，当符号速率为50　MHz时，可以在信道误比特率为１０－３情况下，把误码率改善为１０－７以下。
     三、欧氏算法与IDFT结合的RS码译码方案
     RS码是BCH码的子类。RS译码算法一般分为3步：伴随式的计算、关键方程的获得和错误图样的求解。如何由伴随式计算差错定位多项式是RS译码中最困难和最关键的一步。
     联接多项式的求解方法很多，但欧氏算法数据存储量少，控制简捷；通过VC仿真也证明适合于硬件实现，因而曾被美CCSDS机构推荐使用。采用欧氏算法获取联接多项式，所需时间与错误个数成正比，而通常出现多个错误的概率远远低于少个错误，因此从时间上考虑，采用欧氏算法是较好的选择。
     在获得关键方程以后，利用频域的处理方法，采用最短线性移存器的综合和IDFT变换的方法进行错误值的求解，逻辑单元简单，耗时少。虽然在IDFT时需要较多的资源，但对ＧＦ（２n)来说，当n＜１０的情况下，变换域译码器要比时域译码器简单得多［２］。
     因而在课题中采用了Euclidean算法和频域处理相结合的方法，获得了较好的效果。Euclidean算法［３］步骤如下：
     
     (2)按所列方法进行迭代
     
     四、RS译码在FPGA上的实现
     有限域乘法器和控制逻辑的设计在上述3个步骤中最为重要：有限域的运算速度是制约译码速度快慢的瓶颈，控制逻辑决定了译码的流程。硬件电路的软件开发工具给设计复杂电路提供了简捷的思路。本系统采用了QUARTUS与第三方软件相结合的方法，用VHDL语言设计了大部分功能模块。特别是在乘法器设计中，乘数确定、被乘数不定的乘法器以及乘数、被乘数均不定的有限域乘法器，经逻辑综合和优化设计后，运算速度可分别在6.8 ns 和11.6 ns内完成，完全可以满足系统符号速率50 MHz的要求。
     1伴随式Ｓ０，Ｓ１，…，Ｓ２t－１的求解
     令r１，r２，…，rn为接收到的RS码字，考虑到RS系统码监督矩阵的性质有：
     
     由此可构造出乘法电路，如图1所示。
     
     
     
     利用此简单的逻辑电路即可实现伴随式的计算，保证了接收码字在输入结束(小于3 ns）时，即可获得伴随式。当Ｓ０，Ｓ１，…，Ｓ２t-1均为0时，译码结束，给出标志。否则，启动步骤２；
     2．利用伴随式计算差错定位多项式
     在获得伴随式的基础上，可求解错误定位多项式：
     
     求解过程如图2所示。
     
     
     
     从图2可以看出，当伴随式计算完毕后，在时钟上升沿送入控制单元2，使除数多项式寄存器初始化，同时控制单元1将被除数多项式寄存器初始化为x２t。控制单元1在时钟的驱动下，控制被除数多项式寄存器进行数据的更迭。控制单元2在时钟的驱动下控制除数多项式寄存器进行数据的代换。对输出的商多项式利用迭代得出关键方程。当输出的余式次数低于t=8时，计算结束，启动步骤3；同时，全系统清零，准备下一个过程的开始。
     此种设计仅需2组寄存器和一组除法运算单元，资源耗费较少。框图中采用的并行算法和梯形拓扑结构保证了欧氏算法的速度。当t≤8时，每增加一个错误位置，耗费时间将增加80 ns。不过，由于少数错误出现的概率远远大于多个错误的概率，耗时与错误多少成正比的特性正是我们所期望的。
     应该指出，系统速度的进一步提高受到求逆运算速度的限制，求逆运算没有明确的数学结构，通常采用查表的方法，这是制约速度提高的瓶颈。但针对流式译码，上述结构已能满足要求。
     3.利用最短线性移存器综合和IDFT变换获取错误图样
     硬件实现框图见图3。用Ｓt-1，Ｓt-2，…，Ｓ１，Ｓ０和σ(x)经循环迭代产生Ｓ０，…，Ｓt,St+１，…，Ｓn-2，Ｓn-1，即S序列，由此计算产生的Ｓt与经第一级伴随式电路产生的St进行比较，两者相等表示欧氏算法获得的σ(x)是正确的，此时Flag输出标志位“0”；不等则表示译码错误，输出标志位“1”。对S序列进行IDFT运算，可获得并行的错误图样en-1，en-2，…，e０；最后从缓存中读出接收码字，并与错误图样进行异或运算即可得到正确的码字。
     完成整个计算只需要255个时钟周期，与时域译码算法相比要快得多。时域运算时，仅进行钱(Chien)搜索［1］（钱闻天于1964年提出的求σ(x)根的一种实用方法)就需要255次运算，在每一次运算中还要进行8次多项式计算，当获得错误位置后，再进行错误值的求解，时间的耗费可见一斑。不过采用本文提供的方案，IDFT变换与S序列的求解需同步进行，占用的硬件资源较多，但资源的耗费却换取了速度的提高。
     
     
     
     五、测试过程
     1编码器的测试
     测试时，采用时钟速率为50　MHz，在EN为高电平时输入信息有效；编辑仿真向量文件后，启动仿真，可得到如图4所示波形。为简单起见，输入信息缩短为3个GF(２８）上符号。其中，输入输出码字每个符号均表示为2位16进制数。
     2．译码单元测试
     对编码器的结果（02.01.02.B3.47.4E.F4.BB.FB.DF.A7.B4.A9.E2.F1.45.3F.49.4A）在最后４位设置错误，错误图样均为0X01即接收码字为（02.01.02.B3.47.4E.F4.BB.FB.DF.A7.B4.A9.E2.F1.44.3E.48.4B）；伴随式的计算结果:Ｓ０，Ｓ1，…，Ｓ14，Ｓ15为(00.0F.55.73.C1.73.A1.E7.DF.1A.A1.24.66.B5.BF.86)；欧氏算法的商结果：(E4,56)、（27,D2）、(35,46)、（A1,4B）分别对应域上；联接多项式结果为(25、D0、8F、1A、60)对应域上多项式α36x４＋α108x３＋一化后即为差错定位多项式（40、真结果见图5。
      
     
     
     
     
     
     3IDFT变换单元的测试
     IDFT变换单元的测试如图6所示。其中输入为S序列和时钟，B4、B3、B2、B1、X是分别对应于RS码的最后5个位置IDFT变换，与我们所设置的4个错误完全一致；经并／串变换与接收码字进行异或运算即得到正确的码字。整个过程同时由VC编程仿真，中间过程的监测表明设计正确无误。
     
     
     
     
     六、结论
     本方案在ALTERA公司的FLEX10KE系列的EPF10K130EQC240-1芯片上得到了实现，适宜于离散译码、流式译码，在添加一级缓存的情况下，同样适宜于连续译码。符号速率可以达到50 MHz以上(上述验证的时钟是50 MHz),达到了预期的设计要求。