Nios SoC系统中的BCH编解码IP核的设计

　　循环码是最重要的一类线性分组纠错码，而BCH码又是目前发现的性能很好且应用广泛的循环码，它具有严格的代数理论，对它的理论研究也非常透彻。BCH码的实现途径有软件和硬件两种。软件实现方法灵活性强且较易实现，但硬件实现方法的工作速度快，在高数据速率和长帧应用场合时具有优势。FPGA(现场可编程门阵列)为DSP算法的硬件实现提供了很好的平台，但如果单独使用一片FPGA实现BCH编解码，对成本、功耗和交互速度都不利。最新的SoC(片上系统)设计方法可以很好地解决这个问题。

　　本文基于Altera公司的Nios软核+可编程资源的SoC平台设计了BCH编解码IP核，这样，在Nios系统中可以将BCH码作为一种片内资源进行调用，在工程设计上具有积极的意义。

　　1 BCH码

　　BCH码于1960年前后发明，可以纠检多个错误。通常的二进制BCH码元是取自加罗瓦域GF(2m)。对于参数m和可纠错码元数目t，BCH码的码长为n=2m-1，对于m≥3，t<2m-1的BCH码，监督码元数目n-k=mt；dmin≥2t+1。同时，BCH码元多项式的根为GF(2m)中的元素α，α3，…，α2t+1。例如一个m=6，t=3的BCH码，其参数为：n=63，n-k=18，dmin=7。这就构成了可以纠正3个错误的(63，45)BCH码。

　　BCH码基于加罗瓦域，BCH编解码的运算也是域内的闭合运算。加罗瓦有限域产生于一个本原多项式，GF(2m)有限域内有2m个元素。以GF(23)域为例，它的本原多项式p(x)假定为p(x)=x3+x+1，基本元素α定义为p(x)=0的根，GF(23)中的元素可以计算如下：

　　BCH码的编码取决于其生成多项式，令φ2i-1(x)是加罗瓦域元素α2i-1的最小多项式，则可以纠正t个错误的BCH码的生成多项式为：



　　有了生成多项式，BCH编码与普通的循环码编码相同，使用除法电路可以实现。
一个复杂度较低的BCH译码算法对于BCH码的应用有着重要的意义。BCH译码可以分为伴随式计算和Berlekamp迭代译码两部分。设接收码元多项式为r(x)，由于生成多项式的性质，如果传输过程中信道没有引入错误，α，α2，α3，…，α2t应是r(x)的根。因此，伴随式计算即将加罗瓦域中的元素代入接收码元多项式，如果所有伴随式结果都为0，则说明没有错误，否则就有错误。如果只使用BCH码进行检错，则译码过程就结束了。

　　伴随式计算结束后，如果有错，首先需要计算错误位置多项式δ(x)，译码的核心主要集中在这一步上。Berlekamp迭代算法不仅求解了错误位置多项式的关键方程，而且运算速度快，可以说它解决了BCH码译码的工程实用问题。其次，使用钱搜索找出δ(x)的根，即错误位置。最后，由于是二进制编码，只需把相应位置的码元取反就完成了整个译码过程。

　　2 BCH编解码IP核的设计

　　2.1 整体设计及CPU接口

　　在NiosⅡ系统中，平台免费提供了各种常用接口IP核以及对这些外设的驱动程序包，例如UART接口、Flash接口等。作为一个自行设计的IP核，需要挂接在NiosⅡ系统的Avalon总线上。这个过程使用Sopc Builder工具中的Interface t0 user logic模块可以方便地进行设计。NiosⅡ处理器和BCH IP核之间通过Avalon总线使用寄存器映射方式进行交互。图1是整个IP核的实现方框图。

　　其中与NiosⅡ的接口分为控制接口和数据接口两部分。控制接口包括复位、编解码控制、存储器状态报告和编解码状态报告等。数据接口为FPGA内部的RAM，分为发送和接收两部分，它在NiosⅡ中映射成存储空间。在NiosⅡ和BCH码IP核之间设置简单的数据协议，控制寄存器的起始控制位设置后，写入数据缓存的第1个字节为编解码输入数据的长度字节。BCH编解码模块从数据缓存中读入数据进行相应处理。其中，加罗瓦域的运算主要通过对域元素的查表得到。

　　2.2 BCH编码

　　BCH码属于系统码，其编码与一般循环码的编码形式基本相同，即为信息码元多项式与生成多项式之间的除法电路实现。除法电路采用带反馈的移位寄存器完成。信息码元发送完后，寄存器内存储的就是监督码元，再接着发送即可。其中反馈抽头连接为生成多项式控制。其基本结构见图2。

　　信息码元首先从数据缓存中被读出，然后通过并／串变换进入编码器后，一方面直接输出，同时送入除法电路，当信息码元输入结束后，开关进行相应的变换，存在寄存器中的监督码元输出。图3为(31，16)BCH编码的RTL(寄存器传输级)仿真结果。

　　2.3 BCH译码

　　前面已经介绍了BCH迭代译码的基本步骤。译码过程中的运算都为有限域运算，在运算过程中经常计算加罗瓦域的元素是不明智的，查表实现是通用的方法。例如GF(23)中，可以设计表1所示的表格来实现域元素的查找，同时，运算中还经常需要通过元素值反查元素类型，因此需要设计两张表格来正向和反向查找。图1中的GF域查表RAM模块就完成了这个功能。通过以上查表方法可以轻松实现有限域的加、减和乘运算。

　　首先进行伴随式计算，在设计中利用片内较高的工作频率和FPGA的并发实现优势，同时完成所有伴随式的计算。图4为伴随式计算的RTL仿真结果，当传输引入错误后，伴随式相或的结果Data_Out输出高电平，表示需要进行纠错。

　　然后进行迭代译码，迭代过程可以通过表2表示。其中μ为算法迭代的次数，第1次为了表示方便，可以认为初始值是0。δμ(x)就是错误位置多项式。dμ是一种差值，用于运算。ιμ是第μ次运算时δμ(x)的多项式阶数，2μ-ιμ是运算中应用的变量。

　　算法流程步骤如下：
a) 按如上μ为0和-1／2时初始化各个变量。

b) 如果dμ=0，此时，则往下进行。

c) 如果dμ≠0，则寻找以前运算的某一行ρ，其具有2μ-ιμ最大(正值)，且dρ≠0。

此时，



如果μ=t-1，则算法结束。
d)ιμ+1=deg(δμ+1(x))，即δμ+1(x)的多项式阶数。
e) dμ+1 =s2μ+3+δ1μ+1s2μ+2+δ2μ+1s2μ+1+…+δLμ+1s2μ+3-L，其中，L为ιμ+1，δu(x)的第i阶系数。

f) 增加μ，从步骤b开始。

得到错误多项式后，通过钱搜索和取反即可完成整个译码工作。

　　3 结束语

　　SoC技术以其低成本、低功耗和小体积已经成为电子设计领域的一个重要发展方向。BCH码是一种经典的分组纠错码，在通信系统中应用较为广泛。通过这两者的结合，本文设计的BCH码IP核嵌入NiosSoC中，使得BCH编解码在单片系统中可以自由调用，对SoC中的应用软件而言，调用接口简单，IP核屏蔽了所有算法细节。同时，由于采用硬件实现，具有高速、稳定的特点。