DVB-C解交织器的FPGA实现

摘   要：本文分析了卷积交织和解交织的基本原理，然后采用Altera 的FPGA器件，用RAM分区循环移位法来实现解交织器。无论从理论上，还是从计算机仿真和综合结果上来分析，都可以看出用这种方法来实现DVB-C解交织器能有效地节省硬件资源。
关键词：DVB-C；卷积交织；解交织器；FPGA

卷积交织和解交织原理简介
    在DVB-C系统当中，实际信道中的突发错误往往是由脉冲干扰、多径衰落引起的，在统计上是相关的，所以一旦出现不能纠正的错误时，这种错误将连续存在。因此在DVB-C系统里，采用了卷积交织来解决这种问题。它以一定规律扰乱源符号数据的时间顺序，使其相关性减弱，然后将其送入信道，解交织器按相反规律恢复出源符号数据。 

    DVB-C的卷积交织和解交织原理为：交织由I=12(I为交织深度)个分支构成。每个分支的延时逐渐递增，递增的单元数M=n/I=204/12=17(M为交织基数)。这里的数据单位为字节。0支路无延时，1支路延时17个符号周期，11支路则延时l7×11个符号周期。输入端有一开关随着时间推移依次连接各个延时支路，输出端有一开关与输入端一一对应，同步连接各延时支路。

图1 解交织器的实现框图

图2 解交织器的Modelsim仿真图

解交织器的实现
解交织器的FPGA实现原理
    本文采用RAM分区循环移位法来实现，因为RAM里面暂存一位数据，只需要用一个逻辑门大小的资源，比基本寄存器暂存一位数据需要12个逻辑门大小的资源要优化很多。用RAM分区循环移位法来实现解交织器，就是把RAM分成11个区。每个区的大小为(单位为字节)：
    Ni=M*(I-i－1)(i=0，1,2, …,(I-1))
    这里i为RAM所分区的区号。

    因为11支路不需要延时，所以 RAM的11分区大小即N11为0。本文在RAM前面设置一个地址控制器，这是解交织器关键的一步。RAM每区有一个首地址和区内偏移地址，分别用一个寄存器来存储。在地址控制器里产生每区的首地址和区内偏移地址，从而进一步产生RAM的读写地址。

解交织器的FPGA实现
    把解交织器的深度I和基数M设成参数，以增强程序的通用性。如果以后设计的解交织器的系数I和M需要改动，只要把参数值重新设置一下就可以了，不需要改动程序。由前面的计算可知，解交织器总共需要延时的比特数，也就是RAM的大小应该为8976比特。

    可以用下面一段程序实现首地址的初始化：
    FirstAddr[0]=0;
    for(i=1;i<(I-1);i=i+1)
    FirstAddr[i]=(I-i)*M+FirstAddr[i-1];

    也就是说0~11支路的首地址在RAM中分别为0，187，357，510，646，765，867，952，1020，1071，1105。

    RAM每区的字节数可以由参数来表示，即为(I-i-1)*M，i为分支号。

    每区内偏移地址SectAddr[i]初始化为0，每写入一个数据，递增1并与由参数表示的每区的字节数进行比较，若两数相等，则SectAddr[i]重新设为零，保证区内偏移地址在每区内循环移动。

    由上可知，RAM每区的读写地址为：FirstAddr[i]＋SectAddr[i](i为RAM分区号)

    图1所示的就是由Altera MegaWizard工具配置的双口RAM。RAM每区的读写地址相同，也就是先读出给定地址单元的数据后，再写入新的数据。这里要同时发生读写操作，所以要使用双口RAM。每隔一个时钟周期，RAM读写指针就跳到下一个RAM区，这样读写指针在RAM的11个区循环移动，实现解交织。

    图2为解交织器在Mentor公司的Modelsim SE环境下的逻辑仿真图。Clk为时钟信号，Reset为异步复位信号，ClkEn为时钟使能信号，高电平有效，FrameFirstIn为帧同步信号，高电平有效。DeinterleaverIn为输入数据。设计时要注意数据同步问题，要不然会造成数据错位，导致设计的失败。DeinterleaverIn为了在selector模块输入时和RAM的输出数据q保持同步，要作相应的延时，同步延时后DataIn4，同理，对应地RAM的输入数据DataIn1，selector模块的使能信号ClkEn4等也是经过同步处理得到。Flag为selector模块的选择控制信号，当Flag信号为0~10时，选择RAM的输出数据q作为输出，而当Flag=11时，则选择DeinterleaverIn经过同步处理后的数据DataIn4作为输出，从而保证在解交织器的11支路实现无延时输出。在解交织器的最前面输出的字节有些是无效的，加一个DataEffect模块是为了等全部字节都有效时，才把FrameFirstOut信号置高，告诉后面的模块数据开始全部有效。

    从资源利用方面考虑，使用RAM分区循环移位法来实现DVB-C解交织器比全部用基本寄存器或用配置FIFO的方法来实现要优化得多。

    为了更好地验证，本文把设计在synopsys 公司的synplify pro软件环境下进行综合，选用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8器件。因为使用了软核IP，所以再把生成的*.vqm文件导入synopsys公司的QuartusII 软件进行再综合，选择同样的器件类型和型号，结果说明采用双口RAM设计所使用的逻辑单元较少，而且使用的8976比特RAM资源占用了Cyclone器件中的3个M4K，只有全部存储资源的3%。

结语
    虽然采用卷积交织会在刚开始传输数据的时候输出一些无效数据，在系统中引入一定的延时，但是它能把突发干扰造成的突发错误分散成随机错误，利于RS纠错，这样一权衡，有延时也是很值得的。本文利用EDA工具完成解交织器的设计，并且采用Verilog和原理图协同输入的设计方法，大大提高了设计效率。这里设计的解交织器具有通用性，如果要用不同深度I和基数M的解交织器，只要重设程序里的参数值就可以了，非常方便。