航天恒星科技有限公司 李 博 高振華 艾國志 陳皓一

一種適用于C C S DS規(guī)范的數(shù)據(jù)交織與解交織方法設(shè)計(jì)

航天恒星科技有限公司 李 博 高振華 艾國志 陳皓一

數(shù)據(jù)的交織與解交織通常與信道編譯碼器結(jié)合使用，組成信道糾錯(cuò)系統(tǒng)。此類系統(tǒng)可將突發(fā)錯(cuò)誤離散成隨機(jī)錯(cuò)誤，使突發(fā)錯(cuò)誤散布在譯碼器糾錯(cuò)范圍之內(nèi)，提高信道抗干擾能力。本文針對(duì)CCSDS規(guī)范中RS編譯碼的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)交織與解交織的方法。該方法根據(jù)不同的交織深度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。實(shí)現(xiàn)了不同交織深度下數(shù)據(jù)的交織與解交織。同時(shí)在FPGA中對(duì)此方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)適用于RS編譯碼的數(shù)據(jù)交織與解交織功能。

CCSDS；數(shù)據(jù)交織；數(shù)據(jù)解交織；數(shù)據(jù)傳輸

一、概述

交織和解交織是一種常用的構(gòu)造碼方法，交織技術(shù)的基本思想是在數(shù)據(jù)的發(fā)送端改變碼元的發(fā)射順序，將一個(gè)有記憶信道成功轉(zhuǎn)變?yōu)闊o記憶信道。同時(shí)在接收端按照特定接收順序接收碼元，從而恢復(fù)碼流的原始狀態(tài)[1]。交織技術(shù)與糾錯(cuò)編譯碼技術(shù)相結(jié)合，可以把突發(fā)錯(cuò)誤離散成隨機(jī)錯(cuò)誤，在隨機(jī)錯(cuò)誤的狀態(tài)下進(jìn)行譯碼糾錯(cuò)，可取得良好的效果[2]。該方法常用于組合信道糾錯(cuò)系統(tǒng)。實(shí)際使用中，在發(fā)送端數(shù)字交織單元加上糾錯(cuò)編碼器后，接收端譯碼后接去交織，通過交織解交織模塊的作用，將突發(fā)錯(cuò)誤信道改造成獨(dú)立的隨機(jī)錯(cuò)誤信道，將突發(fā)錯(cuò)誤展開，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤離散化，使突發(fā)錯(cuò)誤散布在糾錯(cuò)編碼器糾錯(cuò)范圍之內(nèi)。以提高信道抗干擾的能力[3]。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，交織技術(shù)與RS編譯碼相結(jié)合的處理方式能夠滿足相應(yīng)的需求，但是對(duì)于大數(shù)據(jù)量和高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為了滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量以及速率的要求，數(shù)據(jù)采用并行傳輸?shù)姆绞?，現(xiàn)有的交織技術(shù)與RS編譯碼處理結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)高速率下的并行傳輸方式，容易造成數(shù)據(jù)堆積導(dǎo)致誤碼，同時(shí)自身結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)的傳輸速率[4][5]。

本文提出了一種適用于CCSDS規(guī)范的高速信息傳輸交織與解交織方法，該方法對(duì)輸入的待譯碼信息進(jìn)行處理，對(duì)于不同交織深度下的數(shù)據(jù)分類處理，既提高了系統(tǒng)的可靠性又滿足了數(shù)據(jù)并行處理的高速率要求。此方法進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)的交織與解交織，處理復(fù)雜度較低，占用資源較少，同時(shí)對(duì)于并行度更高、傳輸速率更高的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，可拓展性強(qiáng)，因此具有廣泛的適用性。

二、方法設(shè)計(jì)

CCSDS規(guī)范中RS譯碼要求的數(shù)據(jù)交織深度分別為1，2，3，4，5，8。針對(duì)6種交織深度，本文設(shè)計(jì)了短交織單元、短解交織單元、長交織單元和長解交織單元分類實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交織和解交織。短交織單元和短解交織單元實(shí)現(xiàn)交織深度為1，2，3的數(shù)據(jù)交織和解交織，長交織單元和長解交織單元實(shí)現(xiàn)交織深度為4，5，8的數(shù)據(jù)交織和解交織。

1.短交織單元

短交織單元中根據(jù)交織深度，選通相應(yīng)的通道，利用乒乓結(jié)構(gòu)輸入到相應(yīng)選通的交織器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分步處理，選通的交織器每次觸發(fā)輸出交織后數(shù)據(jù)，交織后數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，根據(jù)交織深度選通輸出通道，每個(gè)選通支路每次觸發(fā)后輸出數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)交織。

短交織單元交織器由4個(gè)輸入緩存FIFO、地址映射模塊、讀使能信號(hào)產(chǎn)生模塊和地址映射數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊組成，4個(gè)輸入緩存FIFO對(duì)4路輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，4個(gè)FIFO完成一個(gè)整幀的存儲(chǔ)后，啟動(dòng)讀FIFO讀使能信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生讀FIFO使能信號(hào)。讀使能信號(hào)經(jīng)過地址映射模塊進(jìn)行有目的、有次序的讀FIFO操作，地址映射模塊根據(jù)輸入的交織深度參數(shù)，按照地址映射算法產(chǎn)生相應(yīng)的讀FIFO地址標(biāo)識(shí)，讀FIFO使能信號(hào)按照地址標(biāo)識(shí)的指示觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的FIFO，讀出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)并輸入到地址映射數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊，按照地址映射方式進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，并根據(jù)交織深度參數(shù)選通相應(yīng)輸出支路輸出數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交織。

2.短解交織單元

短解交織單元中，根據(jù)交織深度選通相應(yīng)接口作為輸入端口，輸入數(shù)據(jù)通過選通的輸入端口進(jìn)入單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，重組后數(shù)據(jù)分別輸入到解交織器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的解交織，解交織后數(shù)據(jù)根據(jù)交織深度選通輸出通道輸出數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解交織。

短解交織單元解交織器包括串并轉(zhuǎn)換模塊、地址映射模塊、4個(gè)輸出緩存FIFO和FIFO寫使能信號(hào)產(chǎn)生模塊，解交織器輸入端共32bit位寬，輸入數(shù)據(jù)根據(jù)交織深度不同，占用不同的位寬，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，共有4個(gè)輸出接口，根據(jù)交織深度參數(shù)設(shè)置選通輸出串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入到地址映射模塊，輸入到地址映射模塊的數(shù)據(jù)根據(jù)地址映射算法有目的、有次序的進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，輸入到相應(yīng)的4個(gè)輸出緩存FIFO中。地址映射算法為交織器中地址映射算法的逆運(yùn)算，F(xiàn)IFO讀使能信號(hào)產(chǎn)生模塊在4個(gè)FIFO存儲(chǔ)一整幀數(shù)據(jù)后產(chǎn)生讀使能信號(hào)，讀使能信號(hào)輸入到地址映射模塊中，根據(jù)與交織深度相對(duì)應(yīng)的地址映射算法將所述讀使能信號(hào)映射到相應(yīng)的FIFO中，使能相應(yīng)的FIFO讀出數(shù)據(jù)，4個(gè)FIFO輸出的數(shù)據(jù)即為解交織后的4路數(shù)據(jù)。

3.長交織單元

長交織單元根據(jù)交織深度產(chǎn)生相應(yīng)地址映射算法，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)映射重組，映射重組后根據(jù)地址映射算法選通相應(yīng)輸出支路輸出數(shù)據(jù)，將映射重組后數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)的輸出緩存FIFO，根據(jù)交織深度，選通相對(duì)應(yīng)的FIFO輸出端口，被選通的FIFO輸出數(shù)據(jù)即為交織后的數(shù)據(jù)。

4.長解交織單元

長解交織單元根據(jù)交織深度選擇輸入數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄬?duì)應(yīng)的FIFO中進(jìn)行緩存，緩存數(shù)據(jù)為一整幀數(shù)據(jù)后，讀出FIFO中數(shù)據(jù)。即為解交織后數(shù)據(jù)。FIFO讀取順序依據(jù)地址映射算法的映射，該單元中的地址映射算法為長交織深度交織器中地址映射算法的逆運(yùn)算。

三、仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的ISE12.4作為硬件開發(fā)平臺(tái)，并采用Verilog語言進(jìn)行代碼編寫。文中程序已通過了綜合實(shí)驗(yàn)，分別選取一幀數(shù)據(jù)為223字節(jié)，交織深度為4和2，進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果正確。下圖為功能仿真圖。

交織深度為4功能仿真圖1

交織深度為2功能仿真圖2

功能仿真圖中，frm_dat_inI[7:0]為數(shù)據(jù)交織前輸入數(shù)據(jù)流，deinterlance_din_I[63:0]為交織后數(shù)據(jù)流，deinterlance_data_outI[7:0]為解交織后數(shù)據(jù)流，deinterlance_vldin_I[7:0]為交織深度。從圖中可以看出，輸入的數(shù)據(jù)流為有序數(shù)，若交織深度設(shè)置為4，數(shù)據(jù)交織模塊會(huì)按序取四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織并輸出。解交織模塊會(huì)對(duì)交織后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，將交織后的數(shù)據(jù)還原為有序數(shù)。若交織深度設(shè)置為2，則數(shù)據(jù)交織模塊會(huì)按序取兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織并輸出。解交織模塊會(huì)對(duì)交織后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，將交織后的數(shù)據(jù)還原為有序數(shù)。

四、結(jié)論

本文針對(duì)CCSDS規(guī)范中RS編譯碼的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)交織與解交織的方法。該方法根據(jù)不同的交織深度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。實(shí)現(xiàn)了不同交織深度下數(shù)據(jù)的交織與解交織。同時(shí)在FPGA中對(duì)此方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。仿真結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)適用于RS編譯碼的數(shù)據(jù)交織與解交織功能。

[1]張赟?。豢椗c解交織的算法研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[D]．西安電子科技大學(xué),2007．

[2]范寒柏,宋文妙．?dāng)?shù)據(jù)通信中交織與解交織的FPGA實(shí)現(xiàn)[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2002,29(2)．

[3]晉兆虎．信道編譯碼與交織解交織技術(shù)及應(yīng)用[D]．重慶大學(xué),2005．

[4]張善旭．一種塊交織的交織及解交織方法[J]．信息通信,2013(7)．

[5]蔡劍,孫獻(xiàn)璞,陳立娜．一種用CPLD實(shí)現(xiàn)的短幀交織器設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(3)．

A kind of applicable to CCSDS standard data interleave and de-interleave method

Data interleave and de-interleave is usually combined with channel decoder,error correction system of channel. In the systems,burst error can be divided into random errors.The burst error spread within the scope of the decoder error correction.Channel anti-interference ability was improved.In this paper,according to the characteristics of RS coder in the CCSDS standard compiler design a kind of data interleave and de-interleave method.The method classify data processing according to the different interleave depth.Implements the interweave and de-interleave of data in different interleave depth.This method is simulated and implemented in FPGA.The results show that the method can realize the function of data interleave and de-interleave based on RS decoder.

CCSDS；data interleave；data de-interleave；data transmission

李博（1986－），男，工程師，現(xiàn)供職于航天恒星科技有限公司，主要從事衛(wèi)星通信，遙感數(shù)據(jù)接收方面的研究。

高振華（1984－），男，工程師，現(xiàn)供職于航天恒星科技有限公司，主要從事遙感衛(wèi)星地面接收站系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

艾國志（1981－），男，工程師，現(xiàn)供職于航天恒星科技有限公司，主要從事遙感地面站數(shù)據(jù)接收處理方面的研究。

陳浩一（1985－），男，工程師，現(xiàn)供職于航天恒星科技有限公司，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，靜止衛(wèi)星地面應(yīng)用軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。