L-DACS1 中多速率卷积编码器的设计与FPGA 实现

引言

为了解决地-空的数据传输业务增长而带来的高通信速度要求和高宽带要求问题，国际民航组织(ICAO)要求民航通信从航空电报专用网络向新一代航空电网过渡.因此欧洲EUROCONTROL 提出了未来航空通信系统(FAC)，即L 波段数字航空通信系统类型1和2(L-DACS1 和L-DACS2)，利用L波段(960~1 164 MHz)构建新的地-空无线数据链路，提高数据传输速度，替代之前的窄带通信系统.

在L-DACS1 中，由于信道的噪声和畸变与多普勒频移的影响，会对传输的信息引起失真和信号判决错误，而且不同类型的数据需要采用不同的速率传输，因此需要使用多速率的信道编码来降低误码率.卷积编码是广泛使用的信道编码技术，具有一定克服突发错误的能力，可以降低信道的误码率，带来很高的编码增益.

因而多速率的卷积编码是目前L-DACS1 中重要的组成部分.

1 多速率卷积译码器原理卷积码通常用(n,k,N)表示.其中k 表示输入编码器的数据位数;n 表示编码器输出的数据位数;N 为编码约束长度，R = k n是卷积码的码率.L-DACS1 协议中采用(2,1,7)结构的主题：卷积编码，其生成多项式为[177,133],使用三种码率分别是R=1/2,2/3,3/4.

L-DACS1 中使用的码率R=1/2的卷积编码器结构如图1所示.图1中，D1D2D3D4D5D6 表示编码器的状态索引;U 表示输入数据比特;X(1)X(2)表示输出数据比特.

L-DACS1 基带信号处理中，为了实现更高的速率和多种不同的传输速率，需要在1/2码率卷积编码的基础上采用删余操作，来实现多码率的卷积编码功能.3/4码率的删余过程如图2 所示，2/3 码率删余过程如图3所示.

图2中，3/4码率的删余过程是每输入3 b数据，编码为6 b的数据，删除固定位置的2 b,最终产生码率为3/4的卷积码[8].

图3 中，2/3 码率的删余过程是每输入2 b 数据，编码为4 b的数据，删除固定位置的1 b,最终产生码率为2/3的卷积码.

2 多速率卷积编码器的设计与实现多速率卷积编码模块，根据主控单元输出的模式信号(MODE)来控制数据的传输码率，决定数据是否要进入删余处理以及进入哪个删余处理单元.

图4 为多码率卷积码在L-DACS1 中硬件实现结构图.

表1为多速率卷积编码器模块端口说明.

图4显示给出的多速率卷积编码器工作流程如下：数据在CLK时钟的驱动下以串行比特流的形式输入1/2码率的卷积码模块中进行编码处理，该卷积编码模块以同步的方式工作，每输入1 b将会并行输出2位编码数据，根据MODE控制信号，判断1/2码率卷积后数据进行何种删余操作，以实现3/4或2/3的码率.

若采用1/2码率编码，由于后续模块的实现算法是需要数据串行输入，因此需要进行并/串转换，同时将时钟提高至2×CLK_.为此需要增加一个2位的并入串出型缓存单元即删余缓存单元.若采用2/3和3/4码率编码，经过1/2码率的卷积编码模块处理后，根据MODE信号把数据放入相应的删余缓存进行删余操作，以达到所需的码率.输出时钟CLK_23,CLK_34 分别为1.33×CLK和1.5×CLK.

3 多速率卷积编码器仿真利用Verilog HDL硬件描述语言对多速率卷积编码器进行仿真[9],对工程文件进行综合.布线和仿真，以3/4码率卷积编码为例进行分析，其后仿真结果如图5所示.

图5 中，MODE 是模式控制信号，可根据该信号来选择不同的删余方式.con_in为模块的输入数据，每次连续输入144 b数据，先进行1/2 码率的卷积编码，数据变为288 b,由于模式信号MODE为1111,所以进行3/4码率的删余操作，得到192 b的串行数据，使用CLK_34时钟将3/4码率的卷积编码数据从data_out_34端口输出.

将仿真通过的工程文件使用ChipScope添加观察信号采样时钟.触发信号和待观察信号后重新综合.布局布线生成bit文件，下载到Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153型号的芯片后用ChipScope进行在线测试，采用主时钟75 MHz,得到测试结果如图6所示.

图6 中，con_en 表示输入使能信号，con_in 表示编码之前的数据，data_out表示3/4码率编码之后的数据，rdy_34 表示输出数据有效的信号，输入时钟频率为75 MHz,采样时钟频率为150 MHz.

通过对比图5的仿真结果和图6的在线测试结果，可以验证在高速的时钟下设计的正确性.

4 结语本文主要阐述了L-DACS1 中多速率卷积编码器的工作原理，利用FPGA设计实现了可以在高速多码率条件下正常工作的多速率卷积编码器.同时用VerilogHDL 硬件描述语言对此设计进行了仿真验证，最后使用75 MHz的主时钟频率，在Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-F1153 型号的芯片下完成了硬件的调试.仿真及在线测试，结果表明达到了预期的设计要求，并用于实际项目中.