用FPGA實現TETRA數字集群通信系統語音信道編碼中的交織器
時間：2017-06-16 來源：中國集群通信網 作者：網絡 點擊：
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交織技術能很好地糾正信息傳輸過程中出現的突發性錯誤。在數字信息傳輸系統中得到了廣泛應用。本文將在討論信息產業部重點支持發展的TETRA數字集群通信系統語音信道編碼結構和流程的基礎上，重點研究交織技術在其語音信道編碼中的應用及用FPGA實現該交織器的方法。
1 語音信道編碼流程
TETRA數字集群系統中，語音信號數字化處理再經過ACELP算法［1］編碼后得到低速率的語音數據流，該語音數據流分為三類，分別為：每幀（30 ms）0類為51比特、1類為56比特、2類為30比特。
在這三類中，2類是最關鍵的。2類比特用CRC碼和卷積碼來保護，1類比特只用卷積碼來保護，而0類比特是沒有保護的。根據TETRA數字集群標準，將2個連續的30 ms（精確為29．97 ms）語音信息組合并。第一步把0類、1類和2類比特組合成一個群，產生一個代表60 ms話音的274比特的單組。2類比特通過一個CRC碼產生8比特校驗碼，并加到2類子組的尾部。卷積碼既適用于1類比特，又適用于2類比特。4比特的尾部加到重新設置的編碼器狀態上。這里采用一種經濟的收縮碼以3／2速率用于1類比特，以18／8速率用于2類比特、奇偶校驗比特和尾部。
然后，所合成的330比特與無保護的0類比特重新合并，形成一個432比特組。最后對形成的432比特組進行時隙內的比特交織［2］，形成新的數據比特流，最后將該數據比特流與系統其他信息比特流復用，經過調制后送入無線信道。
在信道編碼中采用交織技術，將連續的突發錯誤分散，使其轉換為隨機錯誤，從而提高整個通信系統的可靠性。下面將主要研究語音信道編碼中如何使用交織技術。
2 交織器工作原理
數字通信中常用的交織器按交織對象分可分為字節交織和比特交織。這里以比特交織為例介紹一下交織器的工作原理。
假設有3個要傳輸的（5,3）碼塊B1，B2，B3為：
不采用交織技術在信道上傳輸的數據比特流為：
變換后即交織處理后在信道上傳輸的數據比特流為：
假設不采用交織技術接收端收到數據為（“×”表示傳輸過程中出錯的數據）：a2a1a0P1P0b2b1×××c2c1c0 R1R0。因為傳輸的是（5，3）碼塊，這樣每個碼塊中出現一位錯誤可以糾正，故對碼塊b2 b1×××連續突發出現的三位錯誤就無法進行糾正了。如果采用交織編碼后再傳輸數據，接收端收到數據應為：a2b2c2a1 b1c1 a0×××Q1R1 P0 Q0 R0。接收端再對數據進行序列變換得：a2 a1a0×P0b2 b1×Q1Q0c2c1×R1 R0。這樣連續突發出現的三位錯誤就分散到3個碼塊中，均可得到糾正。
一般來說，如果有r個（n，k）碼，排成r×n矩陣，按列交織后存儲或傳送，讀出或接收時恢復原來的排列，若（n，k）碼能糾t個錯誤，那么交織后就可糾rt個錯誤［3］。對糾正信道傳輸過程中出現的突發錯誤效果明顯。TETRA語音信道編碼中使用這種比特交織器。
3 用FPGA實現交織器的方法
TETRA數字集群系統語音信道編碼對語音比特流進行交織編碼時，以CRC和FEC編碼后一個時隙內432比特的語音數據流為處理單位，分成18行，每行24比特，進行比特交織編碼。
根據Altera公司FLEX系列器件的內部結構特點，可以利用EAB資源，用存儲器實現TETRA數字集群語音信道編碼中的交織器。這種方法實現起來比較簡單，可以用現有的邏輯器件LPM-RAM-DP來實現。
考慮到語音實時傳輸過程延時要盡可能小，在此選用雙口RAM，以保證能對存儲器的緩沖區同時讀寫，減小延時。因為24×18＝432＜1 024，故容量用1kB即可，圖1為實現該交織器的原理框圖。交織器實際工作時，先將一個時隙內（60 ms）的432比特語音數據流按地址從0～431全部寫入左RAM，432比特的數據全部送達左RAM后，用分頻器產生控制信號使左RAM由寫狀態轉換為讀狀態，可以從中讀出交織處理后的數據。同時右RAM狀態變為寫，下一時隙的432比特數據寫入右RAM，432比特的數據全部送達右RAM后，用分頻器產生控制信號使右RAM由寫狀態轉換為讀狀態，同時左RAM變成寫狀態，依次反復循環完成交織編碼。
這種實現交織編碼的方法是將輸入的數據直接存入存儲器，存儲的順序由地址確定。然后再將這些數據按照一定的順序讀出來，順序也是由地址確定。因此做一個合適的地址產生器便能滿足交織編碼的要求，使用Altara的開發工具QUARTUS可以實現對該交織器的仿真。圖2為使用QUARTUSII實現該交織器的電路原理圖。
這是基于FLEX10K的EPF10K30EFC256-1器件實現的交織器，在QUARTUSII編輯器中，在lpmrom0存儲器中存儲滿足交織編碼的數據地址變換程序，仿真后編碼延遲遠小于60 ms（一個時隙），滿足TETRA數字集群系統語音信道編碼中交織編碼的要求。
4 結 語
隨著通信技術的發展，我國現有的模擬集群通信系統必將被數字集群通信系統所代替。本文針對信息產業部重點支持發展的TETRA數字集群通信系統，詳細介紹了該系統語音信道編碼結構和流程，分析了信道編碼中采用的交織技術，針對語音通信的特點，詳細介紹了用FPGA實現TETRA數字集群通信系統語音信道編碼中的交織器的方法。為進一步研究TERTA數字集群通信系統和信道編碼打下了良好的基礎。
參考文獻
［1］傅寅飛，劉亞康，朱學勇．全數字集群系統（TETRA）聲碼器的仿真與實現［J］．移動通
［2］蘇閩，張乃通，譚學治，等．交織編碼在TETRA數字集群系統語音業務信道中的性能研究［J］．移動通信，2002，（5）：39-42.
［3］林福宗．多媒體技術基礎［M］．北京：清華大學出版社，2000．
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