基于COFDM的高清视频无线传输系统的RS解码技术

郑　昊，魏海刚

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

基于COFDM的高清视频无线传输系统的RS解码技术

郑昊，魏海刚

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

摘要：编码正交频分复用(COFDM)是高清视频无线传输系统常用的技术之一，RS编解码技术在无线传输系统中有着至关重要的作用。针对以往使用现场可编程门阵列(FPGA)实现RS解码出现延迟及资源占用较大的问题，研究了改进BM算法，对FPGA的实现方式进行优化，以很小的资源占用将其处理速度提升了约2.5倍，有效提升了RS解码速度。

关键词：编码正交频分复用；现场可编程门阵列；RS解码；改进BM算法

0引言

近年来，随着通用分组无线服务(GPRS)技术、码分多址(CDMA)、正交频分复用(OFDM)、第四代移动通信技术等无线通信网络的兴起，无线视频传输系统以其机动灵活、直观形象、操作方便等优点，被广泛应用于部队单兵作战、公安远程监控取证、电视节目转播、矿井油田安全监控、地下车库超市环境监控、小区环境监控等各个领域，并成为人们实现远距离、大范围现场监控的一种重要手段。COFDM技术传输速率高、抗干扰能力强，这使得在“高速运动中”和“非视通条件下”实现高质量实时图像和数据传输成为可能。

通常情况下，无线传输信道状况较差，极易发生错码等情况，使得通信质量降低。这对于要求高质量、高可靠性的图像、声音、文字快速高效传输的高清视频无线传输系统带来了巨大的影响，因此必须采用纠错能力强且高效的纠错码技术[1]对信息进行处理。而常用的奇偶校验码、汉明码、扩展汉明码等都只能纠正1个错误、检测2个错误。在高清视频无线传输等这些要求较高的传输系统里，通常会有多个比特或者码元发生错误，这就需要纠错能力强的编码方式，RS码正好对此类错误具有显著的纠错效果，因此成为了近年来研究的重点。

针对常用RS解码出现的延时及资源占用较大的问题，目前RS解码硬件研究的一个方向是对已有算法在一定条件下进行优化，取长补短，从而获得更快的解码速度或者更小的资源占用[2]。本文采用能有效避免除法回路的改进BM算法实现RS解码中的关键方程求解，在研究改进BM算法基础上，对现场可编程门阵列(FPGA)实现方式进行优化，减小资源占用的同时，有效提高其处理速度，提升了系统综合性能。

1RS解码技术方案分析

RS解码算法一般分为以下5步[3]：伴随式计算、关键方程求解、钱(Chien)搜索、错误值计算及判决纠错。其原理框图如图1所示。

图1　RS解码流程图

图2　伴随式计算

图3　改进BM算法实现电路图

(2) 采用改进BM算法实现RS解码的核心模块,优点主要是能够有效地避免除法电路，从而在降低资源占用的同时，有效提升系统性能。用改进BM算法计算错误位置多项式λ(x)和错误值多项式ω(x)，如图3所示。

第1步，初始化：λ0(0)=b0(0)=1，b-1(r)=1，k(0)=0，γ(0)=1，λi(0)=bi(0)=1(i=1,2,…,t)。

第2步，输入：Si(i=0,1,…,2t-1)。

第3步，迭代：for r=0 to 2t-1 (r取值从0到2t-1，步进为1)

(1) δ(r)=Sr·λ0(r)+Sr-1·λ1(r)+…+Sr-t·λt(r)。

(2) λi(r+1)=γ(r)·λi(r)-δ(r)·bi-1(r)，i=0,1,2,…,t。

(3) 如果δ(r)≠0 且k(r)≥0，那么：

bi(r+1)=λi(r)(i=0,1,2,…,t)，

γ(r+1)=δ(r)，

k(r+1)=-k(r)-1；

否则：

bi(r+1)=bi-1(r)(i=0,1,2,…,t)，

γ(r+1)=γ(r)，

k(r+1)=k(r)+1，

λi(2t),i=0,1,2,…,t,为错误位置多项式的各个系数。

(4) for i=0 to t-1(i取值从0到t-1，步进为1)

ωi(2t)=Si·λ0(2t)+Si-1·λ1(2t)+…+S0·λt(2t),i=0,1,2,…,t-1,为错误值多项式的各个系数。

(3) 计算错误位置采用钱搜索算法，即一次将α0,α,…,αn-1代入得到的错误位置多项式λ(x)中，由于αn=1，α-1=αn-1，所以，若αl是方程λ(x)=0的根，则可以判定αn-l是错误位置,如图4所示。

图4　计算错误位置

2RS解码硬件实现

依照上述算法原理，用可编程逻辑器件FPGA构建硬件实现的RS(204，188)解码主要由伴随式计算模块、关键方程求解模块、钱搜索模块、错误值计算模块、判决纠错模块、乘法器、先进先出(FIFO)、

只读存储器(ROM)、比较器以及加法器等实现。

图5　纠错模块

为验证算法运算的正确性，向端口输入188个字节的二进制数据(每个字节的十进制值均为24)，由编码电路得到其16个校验码为：216，227，158，151，43，142，190，199，79，57，100，80，212，232，228，116，在其中插入5个错误，即为：216，227，158，151，43，142，190，199，79，57，101，81，213，233，229，116。

从图6中可以看出，系统正确纠正插入的5处错误。在Virtex4系列器件的xc4vlx80-12ff1148上，通过ISE13.4综合、布局布线、功能仿真、时序仿真，RS译码器仅占用2 482个slice，工作时钟频率可达到160.531 MHz，数据吞吐率达到了601.037 Mbps。其它实现方法的数据吞吐量仅有240 Mbps，在本系统中实现RS解码，其处理速度有了明显的提升。

图6　RS解码仿真结果

3结束语

随着无线通信网络的发展，高效的处理速度和低错码概率必然是大势所趋。本文采用改进BM算法实现RS解码中的关键方程求解，在研究改进BM算法的基础上，通过对FPGA实现方式的优化，在不增加资源占用的同时，有效地提高了其处理速度，从而解决了在极易发生错码的无线传输过程中，高清视频无线传输系统等需要高质量、高可靠的图像、声音、文字快速高效传输与无线传输易发生错码的矛盾，提升了系统综合性能。

参考文献

[1]王新梅,肖国镇.纠错码原理与方法[M].西安：西安电子科技大学出版社,2001.

[2]Fedorenko Sergei V.A simple algorithm for decoding Reed Solomon codes and its relation to the Welch Berlekamp algorithm[J].IEEE Transactions on Information Theory，2005，51(3):1196-1198.

[3]刘延海,张亮.RS编解码的基本方法[J].信息技术，2011(32):3-5.

RS Decoding Technology of High Definition Video Wireless Transmission

System Based on COFDM

ZHENG Hao，WEI Hai-gang

(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Abstract:Coded orthogonal frequency division multiplexing (COFDM) is one of the technologies used in high definition video wireless transmission system commonly,RS coding and decoding technologies play a very important role in the wireless transmission system.Aiming at the problems of delay and large resource consumption appear using field-programmable gate array (FPGA) to realize RS decoding,this paper studies the improved BM algorithm,optimizes the realization way of FPGA,which advances the processing speed about 2.5 times with a little resource consumption,improves the RS decoding speed effectively.

Key words:coded orthogonal frequency division multiplexing;field-programmable gate array;RS decoding;improved BM algorithm

收稿日期:2015-01-29

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.014

中图分类号：TN918.4

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0051-03