張紹練,高世杰,吳志勇*
(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
RS碼仿真與基于RiBM算法的硬件實(shí)現(xiàn)
張紹練1,2,高世杰1,吳志勇1*
(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
分析了里德-所羅門(mén)碼(RS碼)的誤碼率性能,提出了一種基于RiBM算法的RS(15,9)譯碼器。該譯碼器采用流水線結(jié)構(gòu),通過(guò)RiBM算法求解關(guān)鍵方程,在此基礎(chǔ)上將高斯加性白噪聲(AWGN)引入光纖模擬大氣激光通信系統(tǒng),并在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)平臺(tái)上完成了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:提出的譯碼器譯碼速率達(dá)到1.11 Gbit/s,為A1tera IP核的3.54倍。RiBM算法具有硬件復(fù)雜度低、關(guān)鍵路徑延時(shí)短的優(yōu)點(diǎn),能滿足系統(tǒng)譯碼的要求。
RS碼;現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA);RiBM算法;誤碼率;譯碼速率
大氣激光通信是利用激光束作為載體在大氣中進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù),在解決“最后一公里”問(wèn)題、應(yīng)急通信等方面具有良好的應(yīng)用前景[1]。大氣對(duì)激光傳輸產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、波前畸變等影響,從而影響激光通信距離、誤碼率等工作性能,所以如何抑制大氣信道影響是一個(gè)必須突破的技術(shù)難點(diǎn)[2]。大氣激光通信系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性、高可靠性要求傳輸系統(tǒng)的誤碼率極低,為了保證相同的通信質(zhì)量,采用信道編碼所獲得的增益可以提高通信距離,節(jié)省發(fā)射功率[3-5]。
1960年,Reed和So1omon應(yīng)用MS多項(xiàng)式構(gòu)造的RS碼是性能優(yōu)良的多進(jìn)制BCH(Bose Chaudhuri-Hochquenghem)碼,為極大最小距離可分碼(MDS碼)[6],相比于其它線性分組碼,在同樣的編碼效率下,它具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。在現(xiàn)有的大氣激光通信系統(tǒng)中RS碼是最有效、應(yīng)用最廣的糾錯(cuò)編碼之一,具有同時(shí)糾正隨機(jī)和突發(fā)兩種差錯(cuò)的能力。它通過(guò)高斯加性白噪聲(AWGN)信道模擬大氣激光通信信道,用Simu-1ink仿真分析2-PAM(Pu1se Amp1itude Modu1ation脈幅調(diào)制)+RS碼在有無(wú)突發(fā)干擾情況下對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)誤碼率性能的影響,并用RS碼直觀地說(shuō)明圖像去噪的糾錯(cuò)能力。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于定義在有限域GF(2m)符號(hào)位寬度為m的RS碼,其碼字長(zhǎng)度n=2m-1,這類(lèi)RS碼稱為系統(tǒng)碼或全碼[7]。全碼的譯碼裝置包括伴隨式計(jì)算、關(guān)鍵方程求解、Chien搜索、Forney算法和錯(cuò)誤求解4個(gè)部分,其中關(guān)鍵方程求解是RS譯碼過(guò)程中最復(fù)雜最重要的步驟。目前常見(jiàn)的求解算法,包括iBM(B1ahut)、iBM(Ber1ekamp)、Euc1idean和Euc1idean(fo1ded)算法,都無(wú)法很好地滿足大氣激光通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)高速處理的要求[8]。高速的激光通信系統(tǒng)要求較高的RS碼譯碼速率,因此提高求解速率對(duì)于硬件處理速率至關(guān)重要。
為了適應(yīng)硬件設(shè)計(jì)的需要,由Ber1ekamp和Massey最早提出的BM算法幾經(jīng)修改,主要有無(wú)逆BM算法(iBM)和重組的無(wú)逆BM算法(RiBM)。Di1ip V.Sarwate,Naresh R.Shanbhag于2001年提出RiBM算法[6],該算法的硬件結(jié)構(gòu)可采用規(guī)整的脈動(dòng)陣列并行實(shí)現(xiàn),門(mén)限復(fù)雜度更低,控制結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)的譯碼速率更高,從而符合大氣激光通信系統(tǒng)對(duì)譯碼速率的要求。本文選用碼長(zhǎng)n=15,信息長(zhǎng)度k=9,碼率為3/5的RS(15,9)碼來(lái)降低誤碼率和設(shè)計(jì)難度;并對(duì)RS(15,9)碼用QuartusⅡ完成了基于RiBM算法的譯碼器電路設(shè)計(jì),最終在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)。
2.1 Simulink仿真分析RS碼誤碼率性能
對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)的探測(cè)體制,理論和實(shí)驗(yàn)早已證明在弱起伏大氣湍流下,大氣激光通信信道是低頻對(duì)數(shù)正態(tài)分布+高頻高斯噪聲的混合信道,在強(qiáng)起伏大氣湍流下,其信道是低頻負(fù)指數(shù)分布或低頻K分布+高頻高斯噪聲信道,而不是單一的高斯噪聲信道??捎肧DGN(Signa1Dependent Gaussian Noise)模型模擬FSO(Free Space Optica1)信道[9]。為便于Simu1ink建模以及簡(jiǎn)化Mat1ab運(yùn)算,將大氣信道簡(jiǎn)化為AWGN信道。理想AWGN信道只有當(dāng)信噪比≥-1.6 dB時(shí),才可能實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸[10]。通過(guò)在AWGN信道中配置突發(fā)干擾所占比例W,可近似模擬大氣激光通信信道。
2-PAM+RS碼AWGN信道仿真模型如圖1所示。數(shù)據(jù)源產(chǎn)生每幀1 000·k·1og2(n+1)= 36 000個(gè)碼元的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列,經(jīng)過(guò)RS(15,9)編碼、2-PAM調(diào)制、受突發(fā)干擾的高斯信道、2-PAM解調(diào)、RS(15,9)譯碼后統(tǒng)計(jì)編碼前后的誤碼率。
圖1 2-PAM+RS碼AWGN信道仿真模型Fig.1 Simu1ation mode1of2-PAM+RS codes in AWGN channe1
不考慮突發(fā)干擾,當(dāng)信噪比為4 dB時(shí)輸出誤碼率在Disp1ay上顯示為10-2,而通過(guò)RS(15,9)碼編碼輸出誤碼率在Disp1ay1上顯示為10-4,編碼數(shù)據(jù)相比未編碼數(shù)據(jù)誤碼率提高了2 dB。
Simu1ink仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知,誤碼率隨著信噪比的增加而下降。在相同的信噪比下,有突發(fā)干擾的信道的誤碼率比無(wú)突發(fā)干擾的信道的誤碼率高。信道質(zhì)量較差時(shí),編碼對(duì)于接收數(shù)據(jù)誤碼率改善不大。當(dāng)信道信噪比大于0 dB以后,編碼后對(duì)于誤碼率的改善非常明顯,可見(jiàn)RS編碼在理論上對(duì)于通信系統(tǒng)性能的改善是非??捎^的。
圖2 AWGN信道RS(15,9)編碼前后有無(wú)突發(fā)干擾時(shí)的誤碼率與信噪比的關(guān)系Fig.2 Re1ationship between BER and SNR of fore-andaft RS(15,9)encodings and with or without burst turbu1ences in AWGN channe1
2.2 RS碼的圖像去噪效果
為了更形象地觀察RS碼對(duì)信道傳輸性能的改善效果,將RS碼對(duì)受高斯噪聲污染的圖像進(jìn)行處理,如圖3所示。由Mat1ab仿真可知,在相同的信噪比下,誤碼率隨著編碼效率的降低而減小。
圖3 RS碼對(duì)圖像的去噪效果Fig.3 RS′s noise suppressing effect for figure
3.1 RS編碼
RS(15,9)碼可糾正t=(n-k)/2=3個(gè)錯(cuò)誤[11]。信息多項(xiàng)式為m(x)=m8x8+m1x+m0,其中x代表信息位,mi(i=0,…,8)代表信息值。碼字生成多項(xiàng)式為:
式中,α代表生成元,則監(jiān)督多項(xiàng)式表示為:
最終碼字多項(xiàng)式為U(x)=p(x)+x6m(x)。
硬件上通過(guò)6級(jí)4位二進(jìn)制乘除法的線性反饋移位寄存器(LFSR)電路實(shí)現(xiàn)RS時(shí)域編碼器。
3.2 RS譯碼
若碼字中存在v個(gè)錯(cuò)誤,位置分別在xj1,xj2,…,xjv,錯(cuò)誤位置號(hào)為βi=αil,則錯(cuò)誤圖樣多項(xiàng)式表示為:
式中:eji(i=1,…,v)代表錯(cuò)誤值,r(x)表示受破壞的碼字多項(xiàng)式,為發(fā)射多項(xiàng)式和錯(cuò)誤圖樣多項(xiàng)式之和,即r(x)=U(x)+e(x)。
譯碼目的是從r(x)中計(jì)算出e(x),進(jìn)而糾正U(x)。若v≤t,譯碼器能夠正確譯碼。
本文通過(guò)采用四級(jí)流水線(pipe1ine)結(jié)構(gòu)提高RS譯碼器處理速度:
3.2.1 一級(jí)流水:伴隨式計(jì)算
3.2.2 二級(jí)流水:關(guān)鍵方程求解
伴隨多項(xiàng)式表示為:
錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式定義為:
錯(cuò)誤值多項(xiàng)式定義為:
這3個(gè)多項(xiàng)式的關(guān)系可通過(guò)關(guān)鍵方程描述:
3.2.3 三級(jí)流水:錯(cuò)碼糾正
一旦σ(x)和ω(x)從S(x)中確定下來(lái),可用Chien搜索算法σ(x)=0找出錯(cuò)誤位置x=,并通過(guò)Forney算法計(jì)算出錯(cuò)誤值:
式中,todd表示不大于t的最大奇數(shù)。有限域的求逆運(yùn)算采用ROM查表法實(shí)現(xiàn)。將FIFO(first-in first-out)里緩存的接收數(shù)據(jù)讀出與計(jì)算得到的錯(cuò)誤位置對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤值相減完成糾錯(cuò)過(guò)程。
3.2.4 四級(jí)流水:伴隨式檢驗(yàn)
對(duì)于糾錯(cuò)后碼字再進(jìn)行一次伴隨式檢驗(yàn),若結(jié)果syndomes為0,則譯碼成功,否則說(shuō)明譯碼失敗。
四級(jí)流水結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵方程(8)的求解是決定RS譯碼速率的關(guān)鍵。本文采用RiBM算法設(shè)計(jì)譯碼電路。
RiBM算法的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分:一是控制單元CONTROL實(shí)現(xiàn)差值更新;二是10個(gè)功能相同的PE1計(jì)算單元串接實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的脈動(dòng)計(jì)算,如圖4所示。
PE1i兩鎖存器初始化值(0)和(0):PE10至PE15分別為S0至S5;PE16至PE18都為0;PE19為1。
CONTROL單元兩鎖存器初始化值:κ(0)= 0;γ(0)=1。
運(yùn)算過(guò)程:控制單元內(nèi)計(jì)數(shù)器CNTR值r每個(gè)時(shí)鐘上升沿加1,根據(jù)κ(r)和(r)計(jì)算MC(r),并更新γ(r)和δ(r);從PE19至PE10依次計(jì)算(r)和(r),并最終更新(r),進(jìn)入下一輪迭代。
圖4 脈動(dòng)RiBM算法結(jié)構(gòu),PE1計(jì)算單元和控制單元Fig.4 Skematic of homogenous systo1ic RiBM architecture,PE1 processor and CONTROL b1ock
迭代6次后,PE13至PE16的(6)為錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式λ(x)系數(shù),PE10至PE12的(6)為錯(cuò)誤值多項(xiàng)式ωh(x)系數(shù)。由Chien搜索算法λ(x)=0計(jì)算出錯(cuò)誤位置x=,F(xiàn)orney算法公式(9)修正為:
由圖4可見(jiàn),RiBM算法對(duì)RS(15,9)碼電路需要22個(gè)鎖存器,20個(gè)有限域乘法器,12個(gè)選通門(mén),10個(gè)有限域加法器,只需要6個(gè)周期就完成關(guān)鍵方程求解,關(guān)鍵路徑延時(shí)Tmu1t+Todd(Tmu1t表示乘法器處理延時(shí),Todd表示加法器處理延時(shí))。RiBM算法能工作在很高的頻率上,數(shù)據(jù)吞吐量得到了極大的提高,在FPGA的實(shí)現(xiàn)上具有很強(qiáng)的靈活性和通用性。
5.1 基于A ltera IP核與基于RiBM算法的RS(15,9)譯碼器的時(shí)序仿真與比較
系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)在QuartusⅡ中完成。采用A1tera公司Cyc1one系列的EP1C3T144I7芯片進(jìn)行編譯,該芯片共有2,910個(gè)邏輯單元,59,904 bit的存儲(chǔ)單元,可用IO引腳104個(gè)。采用QuartusⅡ自帶的A1tera IP核實(shí)現(xiàn)的RS譯碼器,基于Ava1on-ST深度為三碼長(zhǎng)的流水線結(jié)構(gòu),運(yùn)用修正的歐幾里德算法MEA(modified Euc1idean a1gorithm)求解關(guān)鍵方程[12]。兩種方法實(shí)現(xiàn)的RS(15,9)譯碼器的編譯報(bào)告如表1所示。
表1 RS(15,9)譯碼器在EP1C3T144I7芯片中的編譯報(bào)告Table 1 Compilation report of RS(15,9)decoders in EP1C3T144I7 device
基于RiBM算法的譯碼器與基于A1tera IP核的譯碼器相比,雖然使用的邏輯單元多一些,但是占用的存儲(chǔ)單元比特和引腳卻少得多,總體上看耗費(fèi)的硬件資源并不多,說(shuō)明RiBM算法硬件復(fù)雜度低。系統(tǒng)頻率達(dá)到55.5 MHz,保證了譯碼效率。RS(15,9)譯碼器經(jīng)過(guò)邏輯綜合、布局布線后的時(shí)序仿真如圖5所示。
在圖5(b)中驗(yàn)證:(1)輸入0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 8 13 13 13,輸出0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 8 9 3 10,糾錯(cuò)e(x)=7+14x+4x2;(2)輸入13 10 11 12 13 14 15 0 13 15 8 12 9 13 6,輸出9 10 11 12 13 14 15 0 1 15 8 12 9 13 6,糾錯(cuò)e(x)=12x6+4x14;(3)輸入2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 11 5 6 5 2,輸出2 3 4 56 7 8 9 10 5 11 5 6 5 2,糾錯(cuò)e(x)=8x5;(4)輸入13 12 13 14 15 0 1 2 13 13 0 12 2 4 13,輸出不變,而syndomes=6 12 11 1 10 3,伴隨式不為0,說(shuō)明譯碼失敗。
圖5 RS(15,9)碼譯碼器仿真Fig.5 Simu1ation of RS(15,9)decoder
可見(jiàn)RS(15,9)碼能糾正1到3個(gè)錯(cuò)誤,說(shuō)明RiBM算法正確。結(jié)合改進(jìn)的隔列交織方式,使信道更加離散化,能夠承受13-18的突發(fā)誤碼[13]。
從圖5(a)和圖5(b)中標(biāo)記的usedw可知,基于A1tera IP核的RS(15,9)譯碼器,F(xiàn)IFO需要緩存85個(gè)時(shí)鐘周期才能實(shí)現(xiàn)譯碼;而基于RiBM算法的RS(15,9)譯碼器,由于關(guān)鍵路徑延時(shí)短,F(xiàn)IFO只需要緩存24個(gè)時(shí)鐘周期就可實(shí)現(xiàn)譯碼,譯碼速率提高到IP核的85/24≈3.54倍。譯碼速率為:
式中:n為碼長(zhǎng),m為碼字位數(shù),Tc1k為時(shí)鐘周期,NFIFO為FIFO緩存周期數(shù),Npara11e1為并行通信總數(shù)[14]。
5.2 RS碼的FPGA實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)了大氣信道模擬板產(chǎn)生高斯噪聲,并配置選通門(mén)模擬大氣激光通信信道。硬件平臺(tái)與示波器顯示如圖6所示。
圖6 硬件平臺(tái)與示波器顯示Fig.6 Hardware p1atform and osci11ograph disp1ay
在自制光纖通信電路板上,發(fā)送板(左)產(chǎn)生4位循環(huán)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)流A,寫(xiě)時(shí)鐘周期為60 ns,經(jīng)FIFO以周期36 ns的讀時(shí)鐘讀取,經(jīng)RS(15,9)碼編碼后數(shù)據(jù)流為B,F(xiàn)PGA再通過(guò)Nationa1Semiconductor公司的DS92LV2421并串轉(zhuǎn)換芯片將B發(fā)送到光纖。大氣信道模擬板(中)調(diào)用Xi1inx公司的AWGN Core 1.0[15]產(chǎn)生高斯噪聲,通過(guò)周期T可控的選通門(mén)控制引入B的誤碼個(gè)數(shù),從而模擬大氣激光通信系統(tǒng)中的隨機(jī)噪聲,并將相加生成的誤碼數(shù)據(jù)流C發(fā)送給光纖。接收板(右)的DS92LV2422串并轉(zhuǎn)換芯片從光纖接收C,通過(guò)基于RiBM算法的RS(15,9)譯碼器糾錯(cuò),還原為數(shù)據(jù)流D,經(jīng)FIFO以周期為60 ns的寫(xiě)時(shí)鐘讀取,恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流E。示波器顯示為T(mén)=5時(shí)A與E的最高位MSB(most significant bit)比較,可見(jiàn)數(shù)據(jù)能完全恢復(fù),每個(gè)碼字成功糾錯(cuò)3個(gè)錯(cuò)誤。
譯碼前后的系統(tǒng)延時(shí)及其數(shù)據(jù)比較如圖7所示(為方便觀察,將示波器反色顯示)。圖7顯示為T(mén)=0,即不引入噪聲時(shí)接收的C與譯碼后的D的MSB比較,可見(jiàn)譯碼延時(shí)868 ns,約24.1個(gè)讀時(shí)鐘周期(36 ns),表明實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果符合。
圖7 譯碼前后的系統(tǒng)延時(shí)及其數(shù)據(jù)比較Fig.7 System de1ays and data comparison of fore-andaft decodings
通過(guò)Simu1ink仿真分析了RS碼對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)誤碼率性能的影響,并在闡述RS(15,9)碼編譯碼原理的基礎(chǔ)上給出其Quartus II電路設(shè)計(jì)方案,譯碼器采用流水線結(jié)構(gòu),采用RiBM算法求解關(guān)鍵方程。RiBM算法是一種脈動(dòng)陣列式的并行結(jié)構(gòu),具有低復(fù)雜度、高速譯碼的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的RS(15,9)碼譯碼器能對(duì)每個(gè)碼字(15個(gè)碼元)中的不大于3個(gè)碼元的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正,譯碼速率達(dá)到1.11 Gbit/s,為A1tera IP核的3.54倍,滿足大氣激光通信系統(tǒng)高速率、高可靠性和高實(shí)時(shí)性的信息傳輸要求。最后在FPGA上實(shí)現(xiàn)了RS碼在大氣激光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,表明采用FPGA實(shí)現(xiàn)該譯碼算法在工程上具有可行性。
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Simulation of RS codes and hardware implementation based on RiBM algorithm
ZHANG Shao-1ian1,2,GAO Shi-jie1,WU Zhi-yong1*
(1.Changchun Institute of Optics,F(xiàn)ine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
*Corresponding author,E-mail:wuzy@ciomp.ac.cn
To improve communication qua1ity and meet the re1iabi1ity requirement of data transmission,the Bit Error Rate(BER)performance of Reed-So1omon(RS)codes is ana1yzed,and a RS(15,9)hardware decoder based on Reformu1ated Inversion1ess Ber1ekamp-Massey(RiBM)a1gorithm is proposed.The decoder operates in pipe1ine architecture,and its key equation is reso1ved by the RiBM a1gorithm.On thatbasis,an atmospheric 1aser communication system is simu1ated by adding AdditiveWhite Gaussian Noise(AWGN)in a fiber,and it is tested on a Fie1d Programmab1e Gate Array(FPGA)p1atform.The experimenta1resu1t shows that decoding speed can be up to 1.11 Gbit/s,as3.54 times as that of A1tera′s IP core.The RiBM a1gorithm has advantages of 1ow hardware comp1exity and short critica1path de1ay,and can meet the demands of the decoding system.
Reed-So1omon(RS)codes;Fie1d Programmab1e Gate Array(FPGA);Reformu1ated Inversion1ess Ber1ekamp-Massey(RiBM)a1gorithm;Bit Error Rate(BER);decoding speed
TN918
A
10.3788/CO.20130602.0171
張紹練(1986—),男,貴州甕安人,碩士研究生,2010年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2013年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得碩士學(xué)位,主要從事大氣激光通信信道編碼方面的研究。E-mai1:zs11ck@mai1.ustc. edu.cn
高世杰(1979—),男,吉林撫松人,博士研究生,助理研究員,2000年于哈爾濱理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2003年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得碩士學(xué)位,主要從事高速光通信技術(shù)的研究。E-mai1:yoursjohn@163. com
吳志勇(1965—),男,內(nèi)蒙通遼人,學(xué)士,研究員,博士生導(dǎo)師,1989年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事光電測(cè)控設(shè)備總體技術(shù)、視頻調(diào)光調(diào)焦技術(shù)和光纖通訊技術(shù)的研究。E-mai1:wuzy @ciomp.ac.cn
1674-2915(2013)02-0171-08
2012-12-16;
2013-02-18
中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(No.Y10532B110)