基于数字电视传输系统Turbo编码器芯片设计
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关键词：Turbo编码器，数字电视，信道编码，T-TCM
1.前言
信道编码在数字电视中是非常关键的部分，它对数字电视系统整体性能的好坏起到了举足轻重的作用。而Turbo码是目前所有信道编码方案中最好的，我们在数字电视信道编码理论和Turbo编解码理论研究的基础上设计了可用于数字电视传输系统的Turbo码编码器芯片。设计中我们用EDA前后端设计工具完成了整个芯片的设计流程。Turbo编码器芯片的电路功能是实现Turbo信道编码及其发送过程，编码数据流结构为16bits/block。为了满足实际数字电视信号的实时处理要求，芯片必须工作在较高的频率上，因此设计中采用了流水线技术。
2.数字电视中的信道编码
2.1 数字电视传输标准
(1) 美国的高级数字电视系统委员会标准，即ATSC，采用格型编码的八电平残留边带调制（8-VSB）。
(2) 欧洲的数字地面视频广播标准DVB-T，采用的是编码正交频分复用调制（COFDM）。
(3) 日本的地面综合业务数字广播ISDB-T，采用的频带分段传输正交复用调制（BST-OFDM）。
以上是国际三大数字电视标准。
2006年8月30日，以清华大学数字电视传输技术研发中心提出DMB-T标准和上海交大的ADTB-T标准的融合标准，最终被确立为我国数字电视地面传输国家标准，名为《数字电视地面广播传输系统帧、信道编码和调制》（简称DMB-TH标准）。根据国家标准化管理委员会发布的国际公告，该标准号为GB20600-2006的数字电视标准已被正式批准成为强制性国家标准，将在明年8月1日正式实施。它标志着中国数字电视自主知识产权标准产业化破冰启航。
2.2 数字电视系统信道编码方案
数字电视国际三大标准的信道编码方案及我国数字电视新标准的信道编码方案（采用的是清华的信道编码方案）基本上都是采用RS码作为外码，加上交织器，加上内码（卷积码或TCM）的典型级联码的结构[2]。而作为内码的卷积码/TCM的保护能力在很大程度决定了系统的白噪声门限。其纠错能力与香浓极限相比还有一定的距离。
本文的Turbo码编码器芯片的设计是在国家新标准出台之前，但在我们的设计之前已经深入研究了清华DMB-T标准和上海交大的ADTB-T标准，并在此基础上，设计了可用于数字电视传输系统的Turbo码编码器芯片，以它作为内码，从而可大大降低系统的噪声门限。
2.3 数字电视信道编码的新思路
网格编码调制技术（简称TCM）克服了传统信道编码的缺点，把调制与编码结合起来，能够在不增加带宽和减小数据传输速率的基础上，获得3～6dB的编码增益，是一种高效调制方案。Turbo作为一种在低信噪比条件下性能优异的信道编码方法，显然是实现网格编码调制的理想方案，为编码调制提供了新的思路[1]。
采用Turbo码于调制技术结合的Turbo-TCM技术（又称为T-TCM技术）和用Turbo码做子码的多层编码已成为实现编码调制方案的新方向。图1是一个二维T-TCM编码器结构图。
图1 T-TCM的编码器结构
图2 Turbo编码器电路框图
在以往的数字电视方案中已有在内码中采用TCM方案（如美国的ATSC标准），如果将Turbo码与TCM结合的T-TCM方案应用于数字电视系统中，将会获得更好的性能表现。
3.Turbo码编码的硬件实现
3.1 设计思路
由于流片时间限制，本文的设计只设计了Turbo编码器芯片。
数字电视系统中，来自MPEG-2编码形成的传送码流（TC），在经过外码和外码交织后再经内码、内码交织，完成信道编码。我们的设计中将Turbo码替换数字电视系统中原有的内码（卷积码/TCM）。
3.2 设计流程
我们的设计是按照ASIC的设计流程来进行的，设计流程如图3所示。从设计系统行为级描述开始，依次通过系统行为级的功能验证，设计综合，综合后仿真，自动化布局布线，到版图后仿真，及DRC和LVS验证。设计中我们使用的仿真工具是Candence公司的NC-Verilog，综合工具是Synopses公司的Design Compiler，布局布线用的是Cadence公司的Silicon Ensemble，采用0.6µm技术工艺。
3.3 芯片主要功能模块
图2给出了Turbo码编码器芯片框图。
1）分量编码器：为递归系统卷积码（RSC）编码器，对系统输入码流信息进行递归系统卷积码的编码，采用约束长度为K=3，（7，5）码。
2）交织器：在第2维RSC编码之前对系统输入码流信息进行数据交织。本设计中采用S奇偶随机交织，S=14。
3）编码输出模块：按一定顺序将编码后数据流送出编码器。
3.4 芯片参数
芯片名字：Turbo Coder
面积：1.70×1.70=2.89 mm2
逻辑单元：约5000门
封装：CDIP20
Pins：19
技术工艺：CSMC 0.6μm 2p2m
芯片的最高工作频率44.24Mhz，实际工作频率可达28.6Mhz。图示4为Turbo Coder芯片版图。
图3 设计流程图图
4.Turbo码芯片的版图
4.芯片的仿真结果
为了确保整个Turbo码编码器芯片的功能的正确性，我们在每个阶段都进行了严格仔细的仿真和验证。这里我们用Cadence公司的仿真工具NC_Verilog进行了综合前、综合后的仿真及版图后仿真。
图5 综合后的Turbo Coder的仿真波形
图5是综合后的仿真的波形。版图后的仿真结果与综合后的仿真结果一致。表明芯片的功能符合设计要求。
5.结束语
我们用上述的Turbo码芯片来替换数字电视系统中原有的内码（卷积码/TCM），以相对较少的硬件资源得到系统的最高工作频率44.24Mhz，实际工作频率达28.6Mhz，这远远优于现有的数字电视系统。
但由于只考虑了用Turbo码替换数字电视系统中原有的内码，实际应用中带宽利用率是较低的。若要提高带宽利用率，同时取得较好的纠错性能，可以考虑Turbo-TCM方案，但其译码更为复杂，特别是工作在高速情况下，对硬件的要求也更高。我们下一步的工作目标将是基于数字电视的T-TCM的硬件实现方案。
参考文献
[1]. 刘东华. Turbo码原理与应用技术[M] 北京：电子工业出版社，2004年1月.
[2]. 地面数字电视传输技术（白皮书） 北京：清华大学数字电视传输技术研发中心，2004年8月.
[3] . 郑志航，全数字高清晰度电视和DVB[M]，北京：中国广播电视出版社，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，蒋宇中等. 低信噪比通信系统中Turbo码应用仿真[J]. 微计算机信息，2006，1-1：P238-239、P102
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