摘要：在L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)(L-DACS1 )中,不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)采用不同速率傳輸,為了降低信道的噪聲和畸變與多普勒頻移的影響,采用具有良好差錯(cuò)控制能力的多速率卷積編碼進(jìn)行信道糾錯(cuò)?通過(guò)利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言完成其FPGA實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果表明多速率卷積編碼器可以實(shí)時(shí)地調(diào)整碼率,高效穩(wěn)定地進(jìn)行差錯(cuò)控制,滿(mǎn)足L-DACS1 高速傳輸仍保持穩(wěn)定的要求,并且用于實(shí)際項(xiàng)目中。

0 引言

為了解決地-空的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)增長(zhǎng)而帶來(lái)的高通信速度要求和高寬帶要求問(wèn)題,國(guó)際民航組織(ICAO)要求民航通信從航空電報(bào)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)向新一代航空電網(wǎng)過(guò)渡?因此歐洲EUROCONTROL 提出了未來(lái)航空通信系統(tǒng)(FAC),即L 波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)類(lèi)型1和2(L-DACS1 和L-DACS2),利用L波段(960~1 164 MHz)構(gòu)建新的地-空無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路,提高數(shù)據(jù)傳輸速度,替代之前的窄帶通信系統(tǒng)?

在L-DACS1 中,由于信道的噪聲和畸變與多普勒頻移的影響,會(huì)對(duì)傳輸?shù)男畔⒁鹗д婧?a target="_blank">信號(hào)判決錯(cuò)誤,而且不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)需要采用不同的速率傳輸,因此需要使用多速率的信道編碼來(lái)降低誤碼率?卷積編碼是廣泛使用的信道編碼技術(shù),具有一定克服突發(fā)錯(cuò)誤的能力,可以降低信道的誤碼率,帶來(lái)很高的編碼增益?

因而多速率的卷積編碼是目前L-DACS1 中重要的組成部分?

1 多速率卷積譯碼器原理

卷積碼通常用(n,k,N)表示?其中k 表示輸入編碼器的數(shù)據(jù)位數(shù);n 表示編碼器輸出的數(shù)據(jù)位數(shù);N 為編碼約束長(zhǎng)度,R = k n是卷積碼的碼率?L-DACS1 協(xié)議中采用(2,1,7)結(jié)構(gòu)的主題:卷積編碼,其生成多項(xiàng)式為[177,133],使用三種碼率分別是R=1/2,2/3,3/4?

L-DACS1 中使用的碼率R=1/2的卷積編碼器結(jié)構(gòu)如圖1所示?圖1中,D1D2D3D4D5D6 表示編碼器的狀態(tài)索引;U 表示輸入數(shù)據(jù)比特;X(1)X(2)表示輸出數(shù)據(jù)比特。

L-DACS1 基帶信號(hào)處理中,為了實(shí)現(xiàn)更高的速率和多種不同的傳輸速率,需要在1/2碼率卷積編碼的基礎(chǔ)上采用刪余操作,來(lái)實(shí)現(xiàn)多碼率的卷積編碼功能?3/4碼率的刪余過(guò)程如圖2 所示,2/3 碼率刪余過(guò)程如圖3所示?

圖2中,3/4碼率的刪余過(guò)程是每輸入3 b數(shù)據(jù),編碼為6 b的數(shù)據(jù),刪除固定位置的2 b,最終產(chǎn)生碼率為3/4的卷積碼[8]?

圖3 中,2/3 碼率的刪余過(guò)程是每輸入2 b 數(shù)據(jù),編碼為4 b的數(shù)據(jù),刪除固定位置的1 b,最終產(chǎn)生碼率為2/3的卷積碼?

2 多速率卷積編碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多速率卷積編碼模塊,根據(jù)主控單元輸出的模式信號(hào)(MODE)來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸碼率,決定數(shù)據(jù)是否要進(jìn)入刪余處理以及進(jìn)入哪個(gè)刪余處理單元?

圖4 為多碼率卷積碼在L-DACS1 中硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖?

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表1為多速率卷積編碼器模塊端口說(shuō)明?

圖4顯示給出的多速率卷積編碼器工作流程如下:數(shù)據(jù)在CLK時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下以串行比特流的形式輸入1/2碼率的卷積碼模塊中進(jìn)行編碼處理,該卷積編碼模塊以同步的方式工作,每輸入1 b將會(huì)并行輸出2位編碼數(shù)據(jù),根據(jù)MODE控制信號(hào),判斷1/2碼率卷積后數(shù)據(jù)進(jìn)行何種刪余操作,以實(shí)現(xiàn)3/4或2/3的碼率?

若采用1/2碼率編碼,由于后續(xù)模塊的實(shí)現(xiàn)算法是需要數(shù)據(jù)串行輸入,因此需要進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換,同時(shí)將時(shí)鐘提高至2×CLK_?為此需要增加一個(gè)2位的并入串出型緩存單元即刪余緩存單元?若采用2/3和3/4碼率編碼,經(jīng)過(guò)1/2碼率的卷積編碼模塊處理后,根據(jù)MODE信號(hào)把數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的刪余緩存進(jìn)行刪余操作,以達(dá)到所需的碼率?輸出時(shí)鐘CLK_23,CLK_34 分別為1.33×CLK和1.5×CLK?

3 多速率卷積編碼器仿真

利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)多速率卷積編碼器進(jìn)行仿真[9],對(duì)工程文件進(jìn)行綜合?布線和仿真,以3/4碼率卷積編碼為例進(jìn)行分析,其后仿真結(jié)果如圖5所示?

圖5 中,MODE 是模式控制信號(hào),可根據(jù)該信號(hào)來(lái)選擇不同的刪余方式?con_in為模塊的輸入數(shù)據(jù),每次連續(xù)輸入144 b數(shù)據(jù),先進(jìn)行1/2 碼率的卷積編碼,數(shù)據(jù)變?yōu)?88 b,由于模式信號(hào)MODE為1111,所以進(jìn)行3/4碼率的刪余操作,得到192 b的串行數(shù)據(jù),使用CLK_34時(shí)鐘將3/4碼率的卷積編碼數(shù)據(jù)從data_out_34端口輸出?

將仿真通過(guò)的工程文件使用ChipScope添加觀察信號(hào)采樣時(shí)鐘?觸發(fā)信號(hào)和待觀察信號(hào)后重新綜合?布局布線生成bit文件,下載到Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153型號(hào)的芯片后用ChipScope進(jìn)行在線測(cè)試,采用主時(shí)鐘75 MHz,得到測(cè)試結(jié)果如圖6所示?

圖6 中,con_en 表示輸入使能信號(hào),con_in 表示編碼之前的數(shù)據(jù),data_out表示3/4碼率編碼之后的數(shù)據(jù),rdy_34 表示輸出數(shù)據(jù)有效的信號(hào),輸入時(shí)鐘頻率為75 MHz,采樣時(shí)鐘頻率為150 MHz?

通過(guò)對(duì)比圖5的仿真結(jié)果和圖6的在線測(cè)試結(jié)果,可以驗(yàn)證在高速的時(shí)鐘下設(shè)計(jì)的正確性?

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了L-DACS1 中多速率卷積編碼器的工作原理,利用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以在高速多碼率條件下正常工作的多速率卷積編碼器?同時(shí)用VerilogHDL 硬件描述語(yǔ)言對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,最后使用75 MHz的主時(shí)鐘頻率,在Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153 型號(hào)的芯片下完成了硬件的調(diào)試?仿真及在線測(cè)試,結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,并用于實(shí)際項(xiàng)目中?