1、1 毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 FPGA 的差错控制编码的设计与实现 一、前言 由于电子设计技术领域的不断发展 , 可编程逻辑器件 FPGA 应运而生，其广泛应用为数字系统的设计带来极大的灵活性。 随着现代信息技术的不断发展 ,高速信息传输和高可靠性传输成为信息传输的两个主要方面。其中可靠性尤为重要 。 由于信道状态的恶劣 ,信号不可避免的会受到干扰而出错 。 为实现可靠性通信 ,可以通过两种途径 :一种是增加发送信号的功率 ,提高信号噪声比 ;另一种是采用编码的方式对信道差错进行控制 。 前者常常受各种条件 如衰落、噪声和干扰 等的限制 ,不是所有情况都能采用 。 而建立在香农基础
2、上的编码理论可以解决这个问题 1。 由于差错控制编码技术的蓬勃发展 ,作为信道传输过程抗干扰的有效手段 ,其中较为成熟的编码方法如汉明码 1-2，被广泛应用于计算机、电子通信、控制等各个领域 3。 结合 可编程逻辑器 4件 灵活的器件集成能力 ,使得差错控制编码技术能够更加快速的得到实现，其应用前景具有广阔的未来。 二、主题 1、 EDA 技术发展与应用 随着大规模集成电路技术的发展和电子产品市场运作节奏的进一步加快，涉及诸如计算机应用 、 通信 、 智能仪表 、 医用设备 、 军事 、 民用电器等领域的现代电子设计技术已迈入一个全新的阶段， EDA 技术已成为当今电子设计领域的主流。 EDA
3、 技术是在电子 CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计 5。 利用 EDA 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC 版图或 PCB 版图的整个过程的计算机上自动处理完成 5。 2 20世纪 90年代以来，微电子技术 以惊人的速度发展，其工艺水平达到了深亚微米级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可达到 GHz，这为制造出规模更大，速度更快和信息容量更大的芯片系统提供
4、了条件，但同时也对 EDA 系统提出了更高的要求，并促进了 EDA 技术的发展。此阶段主要出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代 EDA 技术，不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上，这个阶段 EDA 技术的主要特征为 6： （ 1） 高层综合（ HLS， High Level Synthesis）的理论与方法取得较大进展，将 EDA 设计层次提高到系统级（又称行为级），并划分为逻辑综合和测试综合。 （ 2） 采用硬件描述语言 HDL来描述 10万门以上的设计，并形成了 VHDL和 Verilog H
5、DL 两种标准硬件描述语言 6。它们均支持不同层次的描述，使得复杂 IC 的描述规范化，便于传递、交流、保存于修改，也便于重复使用。它们多应用于 FPGA/CPLD/EPLD7-8的设计中。 （ 3）可测性综合设计。随着 ASIC 的规模与复杂性的增加，测试难度与费用急剧上升，由此产生了将可测性电 路结构制造在 ASIC 芯片上的想法，于是开发了扫描插入、 BLST（内建自测试）、边界扫描等可测性设计（ DFT）工具，并已集成到 EDA 系统中。 （ 4）建立并行设计工程 CE（ Concurrent Engineering）框架结构的集成化设计环境，以适应当今 ASIC 的如下一些特点：数字
6、与模拟电路并存，硬件与软件设计并存，产品上市速度要快。在这种集成化设计环境中，使用统一的数据管理系统与完善的通讯管理系统，由若干相关的设计小组共享数据库和知识库，并行地进行设计，而且在在各种平台之间可以平滑过渡。 随着百万门规模的复杂 的可编程逻辑器件（ CPLD） 的推出及大规模的芯片组和高速、高密度印刷电路板的应用， EDA 技术在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及操作平台的扩展等方面都面临着新的问题，这些问题实际上也是新一代 EDA 技术的未来发展趋势 8-9。 现代电子产品面临高功能、设计周期短、上市快的要求，其复杂度日益加深，一个电子系统可能由数万个中小规模的集成
7、电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是来用可编程逻辑器件（ PLD）进行设计。3 可编程逻辑器件，尤其是 CPLD/FPGA 器 件 4-7-8，具有集成度高、运行速度快、可靠性强、设计方式灵活、快速等特点，现已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。本课题研究了 EDA 技术发展对电路设计方法的影响，深入探讨了用 VHDL 语言和可编程逻辑器件 FPGA 开发的基本方法，为开发专用集成电路提供了基本的设计步骤。作为应用对象，进一步开发差错控制编码技术 9-10-11。 开发这一系统的目的并不是为了实际的应用或应用到市场中去，只是通过一个简单系统的整体设计
8、完成过程，深入体会 FPGA 技术优势性，了解这些编码的特性及其应用，使这几类编码得到更广泛的 应用。在数字系统过程中，为了减少误码率，使这些编码技术很好的应用到相关的一些领域中去，我总结出这些编码的异同点，为以后选择这些编码时在相关领域的应用奠定一定的基础。 现在利用 FPGA 技术实现差错控制编码的种类很多，而且这些具有很强的纠错、检错码，被广泛应用到密码学、通信、磁盘阵列及光存储等方面。 2、差错控制编码技术 如今各种数字通信系统已广泛用于我们的生产生活中。然而数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将变坏。接收端收到后可能发生错误判决。如果干扰超出误码率要求，就要考虑差错控制
9、措施了。 差 错控制在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。在 数字通信 中常利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的准确性。差错控制系统的组成及其作用原理如图。图中虚线内的部分就是数字通信中的差错控制系统 10。当没有差错控制时， 信源输出的数字序列将直接送住 信道 。由于信道中存在干扰，信道的输出将发生差错。数字在传输中发生差错的概率是传输准确性的一个主要指标。在数字通信中信道给定以后，如果误码率不能满足要求 ,就 要采取差错控制。按具体实现方法的不同 ,差错控制可以分为前向纠错法、反馈重传法和混合法三种类型 10。 信源 信道编
10、码器 信道 信道译码器 信宿 重传控制 反向信道 重传控制 4 (1)前向纠错法 差错控制系统只包含信道编码器和译码器。从信源输出的数字序列在信道编码器中被编码 ,然后送往信道。由于信道编码器使用的是 纠错码 ，译码器可以纠正传输中带来的大部分差错而使信宿得到比较正确的序列。 (2)反馈重传法 只利用检错码 以发现传输中带来的差错，同时在发现差错以后通过反向信道通知发信端重新传输相应的一组数字，以此来提高传输的准确性。根据重传控制方法的不同，反馈重传法还可以分成若干种实现方式。其中最简单的一种称为等待重传方式。采用这种方式时发信端每送出一组数字就停下来等待收信端的回答。这时信道译码器如未发现差
11、错便通过收信端重传控制器和反向信道向发信端发出表示正确的回答。发信端收到后通过发信端重传控制器控制信源传输下一组数字，否则信源会重新传输原先那组数字。 上述两种方法的主要差别是：前向纠错不需要反向信道，而反馈重传必须有 反向信道。前向纠错利用纠错码，而反馈重传利用检错码。一般来讲，纠错码的实现比较复杂，可纠正的差错少，而检错码的实现比较容易，可发现的差错也多。前向纠错带来的消息延迟是固定的，传输消息的速率也是固定的，而反馈重传中的消息延迟和消息的传输速率都会随重传频度的变化而变化。前向纠错不要求对信源控制，而反馈重传要求信源可控。经前向纠错的被传消息的准确性仍然会随着信道干扰的变化而发生很大变
12、化，而经反馈重传的被传消息的准确性比较稳定，一般不随干扰的变化而变化。因此，两者的适用场合很不相同。 (3)混合法 在信道 干扰较大时，单用反馈重传会因不断重传而使消息的传输速率下降过多，而仅用前向纠错又不能保证足够的准确性，这时两者兼用比较有利，这就是混合法。此法所用的信道编码是一种既能纠正部分差错又能发现大部分差错的码。信道译码器首先纠正那些可以纠正的差错，只对那些不能纠正但能发现的差错才要求重传，这会大大降低重传的次数。同时，由于码的检错能力很强，最后得到的数字消息的准确性是比较高的 10-11。 差错控制编码 又可分为检错码和纠错码 11。 检错码只能检查出传输中出现的差错，发送方只有
13、重传数据才能纠正差错；而纠错码不仅能检查出差错而且能自动纠正5 差错，避免了重传。 1948年 C.E.香农（ Shannon） 1发表论文指出，只要采用适当的纠错码，就可在多类信道上传输消息。宣告了纠错码的诞生。自 Shannon 之后，人们不断向逼近信道容量努力，取得重大发展，如分组码，代数码，卷积码，网格码和 Turbo 码。所能达到的性能也越来越接近 Shannon 限间的距离。并广泛应用在卫星通信、移动通信、深空通 信等众多领域。 纠错码又称信道编码，它与信源编码是信息传输的两个方面。它们之间存在对偶的关系。应用信道译码直接对一些自然信息进行处理，可以去掉剩余度，以达到压缩数据的目的
14、。为了使一种码具有检错或纠错能力，必须对原码字增加多余的码元，以扩大码字之间的差别，使一个码字在一定数目内的码元上发生错误时，不致错成另一个码字。准确地说，即把原码字按某种规则变成有一定剩余度的码字，并使每个码字的码元间有一定的关系。关系的建立称为编码。码字到达收端后，用编码时所用的规则去检验。如果没有错误，则原规则一定满足，否则就不满足。 由此可以根据编码规则是否满足以判定有无错误。当不能满足时，在可纠能力之内按一定的规则确定错误所在的位置，并予以纠正。纠错并恢复原码字的过程称为译码；码元间的关系为线性时，称为线性码；否则称为非线性码。检错码与其他手段结合使用，可以纠错。 R.W.汉明 12
15、-13于 1950年首先给出可以纠正一个独立错误的线性分组码 汉明码。差不多与此同时 E.戈雷给出一种可以纠正三个错误的完备码。完备码虽然十分罕见，但有较大实用意义。 1954年 D.E.莫勒提出一种能纠正多个错误的码； I.S.里德则立即给出它的译码方法，用的 是择多判决法，这种码常称为 RM 码。 1957年， E.普勒齐引入了循环码的概念。 1959 1960年出现了 BCH 码 ,引进有限域的概念，解决了循环码的构造和性能估计等基本问题。后来成为线性分组码中最重要的一类码。它能纠正多个错误，且在实用范围内接近信道编码定理所指出的误码率值。但当 n 增大时，其误码率不能呈指数下降。 BC
16、H 码的译码问题是 W.W.彼得森解决的 ;钱天闻则提供了一种系统地搜索根的方法。 1967年， E.R.伯利坎普提出一种迭代算法，大大简化了译码，使纠错码趋于实用。 1970年 B.H.戈帕提出一种线性分组码的 构造方法，原则上它可以达到吉尔伯特限，实现了理论上预期的目标。但至今仍未解决如何具体构造这种码的问题 13。 卷积码最早由 P.伊莱亚斯于 1955年提出。它的纠错能力较强，设备复杂程度与分6 组码大体相当。首先获得成功的译码方法是序列译码。 1967年 A.J.维特比提出的译码算法，能较好地按最大似然准则译码，且在许多领域中均可应用。卷积码还可用代数方法译码。它的设备虽较简单，但性
17、能较差。卷积码在理论上不如分组码成熟，所用的工具也比较多样，尚缺乏系统的、统一的方法处理 13-14。 分组码和卷积码不但可以用来纠正 独立错误，而且可以用来恢复删除错误和纠正突发错误 15。 现如今通信已无处不在，已成为人们生活中息息相关的一部分。而各种数字通信系统更是层出不穷。人们可以针对不同的通信要求来选择不同的差错控制编码技术进而达到通信的目的。由此可以看出，差错控制技术已是各数字通信系统的一项关键技术，各种成熟的差错控制技术已广泛应用于各种通信系统。在通信领域，同欧美等发达国家相比，我国还处在相对落后的地步，所以加快在此领域的研究，有着非常重要的意义。 三、总结 本课题的研究方向主要
18、是涉及通信技术中差错控制编码技术以及电子设计自 动化相关内容。当今世界，通信需求无处不在，通信的质量也不断要求提高。这就需求高效率的技术革新， EDA 技术的飞速发展恰恰为差错控制技术的发展提供了高效的电子设计平台。针对差错控制技术，基于可编程逻辑器件 FPGA 的设计方案，以其灵活的器件集成能力，为差错控制技术的进一步研究提供了便利。随着 FPGA 制作工艺的提升，功耗的下降， 越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的 FPGA 芯片中，基于 FPGA的开发 将 成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高， FPGA 的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代 ASIC 来实现
19、电子系统的前景将日趋光明 ，必将是今后电子设计与应用的主流选择之一。 四、参考文献 1樊昌信 ,等 .通信原理 M.北京 :国防工业出版社 ,2005. 2R.W.Hamming.CodingandInformationTheoryM.Prentice-Hall.Englewood Cliffs.New Jersey.1980. 7 3潘松 ,黄继业 EDA 技术与 VHDLM.北京 :清华大学出版社 , 2005-07:15-18. 4黄智伟 .FPGA 系统设计与实践 M.北京 :电子工业出版社 ,2005 5王兴亮 .数字通信原理与技术 M.西安 .西安电子科技大学出版社 .2000 年
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