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        RDS基帶編碼CRC算法的研究

        2012-11-29 08:39:46于麗秋
        鐵路計算機應用 2012年6期
        關鍵詞:資源信息

        于麗秋,路 勇

        (北京交通大學 電子信息工程學院,北京 100044)

        RDS(廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng),Raidio data System)是一種應用在無線廣播領域中的技術(shù)。在不增加傳輸信道的情況下,調(diào)頻立體聲廣播可以增加多種通信業(yè)務,傳送多工信息。由于在通信系統(tǒng)中可靠性與傳輸率往往是相互制約的,當要求提高傳輸率時,校驗碼位數(shù)就必須要少,這樣在受到干擾后會產(chǎn)生錯誤的可能性增加,傳送信息的可靠性下降[1]。當要求可靠性時,校驗碼位數(shù)就要增加,這就導致傳送的速率變慢。為了降低信道內(nèi)噪聲及信道傳輸特性不理想造成的傳輸差錯,在要求的傳輸率下,盡可能的提高通信的可靠性,在RDS系統(tǒng)中采用CRC(循環(huán)冗余效驗碼,Cyclic Redundancy Check)縮短碼編碼技術(shù)對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯進行控制[2]。

        1 RDS基帶信號編碼格式

        在RDS基帶編碼的結(jié)構(gòu)中,以“組”為單元,每組包含4個塊,每個塊有26 bit,其中包含16 bit信息字和10 bit檢驗字,整個組共有104 bit[6]。

        在該結(jié)構(gòu)中信息字、校驗字、二進制數(shù)或二進制地址都是先傳送高位,數(shù)據(jù)傳送是完全同步的,各數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)組之間不留空隙。其中,為了使傳送的信息誤碼校驗和組塊同步,校驗字部分是由信息字生成的校驗字模2加上組和塊同步的偏置字。在這里主要研究由信息字生成的校驗字的兩種不同CRC并行算法,及仿真和綜合結(jié)果的分析。

        2 適用于RDS基帶信號的誤碼校驗

        RDS數(shù)據(jù)格式使用了一種縮短循環(huán)的塊編碼,它是由原始長為341 bit的循環(huán)碼315 bit而得到的(26,16)分組糾錯碼. 所用編碼是一種最佳的糾正突發(fā)誤碼的縮短循環(huán)碼,其生成多項式為[7]:

        為了使接收機的解碼器能檢測出并糾正傳送中的誤碼,故在發(fā)送端每發(fā)送一個26 bit塊就含有10 bit校驗字,這正是選擇(1)式所示的生成多項式的原因。

        下面介紹以信息字生成的校驗字的形成方法。

        (1)將16 bit信息字多項式左移10 bit;

        (2)用(1)式得到的新的26 bit多項式除以生成多項式G(x),得到的余數(shù)多項式R(x);

        (3)余數(shù)多項式R(x),即為所求的校驗字。

        CRC縮短循環(huán)碼有明顯的分組碼結(jié)構(gòu),即前16 bit是信息位,后10 bit是檢驗位,這種結(jié)構(gòu)利于在解碼時快速提取信息位。對于信息位和校驗位的編碼過程,通常會考慮用它的生成短矩陣G,關于短陣G的詳細說明及生成過程參考相關文獻。

        3 對常見的CRC算法實現(xiàn)的分析研究

        CRC碼常見的算法主要有串行和并行算法。

        串行數(shù)據(jù)通信中有著得天獨厚的優(yōu)勢,電路成本低,占用資源少;但是如果要求提高串行通信的速度就得完全依賴于時鐘頻率的提高,對于速度要求較高的場合,特別是實時通信,用串行通信就很難滿足要求。

        CRC碼的并行計算方法對于高速的實時通信的要求非常高,對于長幀結(jié)構(gòu),采用并行算法有利于減少算法的運算時間,但其所占用的資源相對于串行算法要多,同時要有嚴格的數(shù)學算法模型。

        下面將通過對兩種不同的并行算法的仿真綜合結(jié)果進行分析和對比,來找到適合RDS 傳輸?shù)男r灤a算法。

        3.1 異或并行算法

        將根據(jù)短陣G給出RDS傳輸?shù)臋z驗碼(26,16)的VHDL編碼器的算法,該算法的信息字與校驗字的邏輯關系如表1,它其實是利用短陣G的相應的信息位之間的異或運算來直接得到校驗字的不同位。具體的VHDL代碼就是根據(jù)表1得到的。

        表1 校驗位與信息位的邏輯關系

        3.2 循環(huán)并行算法

        下面給出的算法是模擬人腦思維的并行算法,它主要是利用VHDL的循環(huán)語句來實現(xiàn)的,其具體實現(xiàn)的流程圖如圖1 。

        從流程圖1中看出,該方法主要是根據(jù)實際中每次的模2除法后所得的余數(shù)來判斷余數(shù)最高位是否為“0”,如果為“0”時,則從信息位依次后補位數(shù),直到為“1”,接著進行模2除法,循環(huán)處理。直到最后所得到的余數(shù),即為信息字的校驗位。

        4 仿真結(jié)果

        根據(jù)上面給出的兩種不同的并行算法,將通過對這兩種并行算法的時序仿真波形、占用資源情況及延遲時間這3方面來進行分析比較,來找出來找到適合RDS傳輸?shù)男r灤a算法。

        圖1 循環(huán)并行算法流程圖

        4.1 功能仿真

        本仿真采用的是Xilinx ISE 10.1軟件平臺自帶的仿真工具進行功能仿真,采用的是Spartan系列的XC3S500E芯片進行功能仿真,由于異或并行算法和循環(huán)并行算法所實現(xiàn)算法功能相同,所以它們所形成的功能仿真波形圖相同,如圖2。

        圖2 功能仿真

        4.2 資源占用情況

        利用短陣G的邏輯關系進行的異或運算來實現(xiàn)的算法,其占用資源的情況如圖3。

        圖3 異或運算資源占用情況

        運用模擬人腦思維的模2并行循環(huán)算法,所占用的資源情況如下圖4。

        圖4 循環(huán)運算資源占用情況

        根據(jù)以上給出的這兩種算法占用資源的情況來看,可以得出,Slices的占用情況為,異或并行算法使用量為15,循環(huán)并行算法則為16;

        而異或并行算法占用LUT2、LUT3和LUT4的資源數(shù)量分別為8、3、和15;而循環(huán)并行算法使用LUT2、LUT3和LUT4的資源數(shù)量分別為1、8和19,故異或算法比循環(huán)算法占用LUT資源相對節(jié)省約0.21%。

        4.3 延時時間情況

        下面將給出這兩種算法的延時時間的情況,并對它們的延時時間進行分析和對比。

        (1)異或并行算法的時間延時情況的報告結(jié)果如圖5 。

        圖5 異或運算時間延遲情況

        (2)循環(huán)并行算法的時間延時情況的報告結(jié)果如圖6 。

        從以上這兩種并行算法的時間延時情況,可以看出,異或算法總的延時的時間為8.051 ns,而循環(huán)算法總的延時時間為14.242 ns,由于延遲時間短,信息傳輸速率就快,所以可以得出異或并行算法的傳輸時間相對于循環(huán)并行算法的傳輸時間要快6.191 ns,尤其在進行大量的數(shù)據(jù)信息傳輸時這種優(yōu)勢就會更加明顯。

        圖6 循環(huán)運算時間延遲情況

        5 結(jié)束語

        通過上面對這兩個不同的并行算法的仿真時序,占用資源及延時時間的結(jié)果分析和對比,很容易看出,無論從占用資源情況還是延時時間上,異或并行算法都要比循環(huán)并行算法占優(yōu)勢,尤其是對于傳送多位的數(shù)據(jù)信息字的通信系統(tǒng)來說就優(yōu)勢就更突出了,可以得出,異或并行算法要比循環(huán)并行算法更適合RDS傳輸?shù)男r灤a算法。

        [1]唐 躍. 編碼在通信中的應用[J]. 湖北廣播電視大學學報,2006(5).

        [2]顧文斌,王 怡,馬 莉. 基于FPGA的CRC算法的實現(xiàn)[J]. 計算機與現(xiàn)代化,2008(5).

        [3]葉 懋,劉宇紅,劉 橋. CRC碼的FPGA實現(xiàn)[J]. 重慶學院學報(自然科學版). 2007, 21 (3):85-87.

        [4]梁少潔,常天海. 循環(huán)冗余校驗碼并行算法的FPGA實現(xiàn)[J]. 廣東通信技術(shù),2008(2):57-59,63.

        [5]王海光. 并行CRC算法硬件實現(xiàn)研究與VHDL設計[J]. 漳州師范學院學報(自然科學版),2007(4):51-56.

        [6]盧云川,過 靜. RDS編碼和解碼技術(shù)及應用[J]. 工程勘察,2000(2):50-52,58.

        [7]姚冬蘋,蔡超時,宋宜純. 廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)的信道編解碼[J]. 鐵道學報,1997(2):46,71-75.

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