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 1、 选题的背景、意义 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。由乘性干扰引起的码间串扰，可以采用均衡的办法纠正。而加性干扰的影响则需要用其它办法解决。在设计数字通信系统时，应该首先从合理选择调制制度、解调方法以及发送功率等方面考虑，使加性干扰不足以影响达到误码率的要求。在仍不能满足要求时，就要考虑差错控制措施了，这就是我们研究差错控制技术 的意义所在。 差错控制编码的历史始于 1948年香农 (Claude S
2、hannon)发表的一篇著名论文“通信的数学理论”。论文首次阐明了在有扰信道中实现可靠通信的方法，提出了著名的有扰信道编码定理，奠定了差错控制编码的基石。在此之后，差错控制编码沿着两条路发展：第一条道路带有浓厚的代数气息，基本上为分组码；第二条道路有着更多的概率气息，其代表为卷积码。近年来又把两条研究道路结合起来，出现了新的编码方法，如 turbo码，其性能接近香农限。伴随着差错控制编码理论的发展，编码技术大量应用于各种数字通信系统。 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电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，
3、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。可编程逻辑器件，尤其是 FPGA器件， 即现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 ，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2 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
4、象，进一步开发差错控制编码技术。 2、 相关研究的最新成果及动态 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 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。 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
5、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。 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
6、要特征为： （ 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 HDL 两种标准硬件描述语言。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/EPLD 的3 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
7、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 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
8、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。 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。 本课题的研究方向主要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
9、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 FPGA4 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。 3、
10、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 对于差错控制编码技术的研究，我主要是研究 (8,4)增余汉明码编译码、 CRC 循环编码和 MD5 编码，首先分别研究这几种编码的算法，对前两种分别应用 FPGA 技术去实现，用 VHDL 语言去编写代码，然后再进行编译，下载，仿真及其去了解这些编码；然后是对 MD5 码进行研 究和算法分析；最后总结出它们的异同点，以适应在以后需要的时候选择适当的编码应用到相应的领域中去。 具体方法如下： （ 1）查阅相关书籍和资料，了解差错控制编码理论，进一步理解纠错编码汉明码的理论。 （ 2）熟悉 VHDL 硬件描述语言，在理解汉明
11、码理论的基础上，用 VHDL 语言描述汉明码的编码、译码的具体实现方法。 （ 3）在翻阅大量 FPGA 芯片资料后，选择合适的芯片，并对其技术特性进行深入的了解，根据课题要求选择对应的外围芯片设计电路系统。 （ 4）用 protel 对所设计的电路系统进行 pcb 封装、制板。对焊接完的电路进行调试、测试。 （ 5）在 EDA 编译环境下，采用自顶向下的层次设计方法，以及 VHDL 文本输入的输入方法编制程序，经编译正确后进行波形仿真，经过仿真、调试。 （ 6）验证输出码元错误率是否满足课题要求，如不满足则寻找方法对代码进行修改和修正。 （ 7）验证了功能和时序正确性后，将代码烧入到设计的 F
12、PGA 系统中，最终实现5 硬件电路的开发和设计。 本课题的难点首先在于，要对差错控制理论有一定的认识，尤其是对汉明码，在对其充分理解的基础上才能着手进行硬件语言描述，并要求达到一定数量级的误码率。其次是硬件电路的设计，从 FPGA 芯片的选择到外围电路的设计，从电路的绘制，到最终实体电路板的调试，都需要大量的时间和精力。必须对整个硬件电路设计过程都要保持准确无误，否者最终的电路将无法工作。因此，要熟悉开发流程，并具有一定的熟练度。 4、 研究工作详细进度和安排 2011.3.1 2009.3.20：确定系统研究方法与技术路线。 2011.3.21 2011.4.17：完成系统软硬件设计。 2
13、011.4.18 2011.5.1: 完成系统调试。 2011.5.2 2011.5.15：完成论文初稿。 2011.5.16 2011.5.22： 完善系统设计，修改论文，论文定稿。 5、 参考文献 1潘松 ,黄继业 EDA 技术与 VHDLM.北京 :清华大学出版社 , 2005-07:15-18. 2黄智伟 .FPGA 系统设计与实践 M.北京 :电子工业出版社 ,2005 3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 . 4R.W.Hamming.CodingandInformationTheoryM.Prentice-Hall.Englewood
14、 Cliffs.New Jersey.1980. 5刘科峰 ,张沙清 , 田丰 .EDA 技术在电子设计中的应用 J.广西物理 , 2004,(02) 6 6侯伯亨 顾 新 .VHDL 硬件描述语言与数字逻辑电路设计 M.西安 :西安电子科技大学 出版社 , 1999. 7吴继华 ,王诚 .Altera FPGA/ CPLD 设计 M.北京 :人民邮电出版 ,2005. 8刘佳 ,焦斌亮 .FPGA 的发展趋势及其新应用 J.电子技术 ,2008. 9樊昌信 ,等 .通信原理 M.北京 :国防工业出版社 ,2005. 10周贤伟 .差错控制编码与安全 M.北京 :国防工业出版社 ,2004.
15、11辛英 .汉明码纠错检错能力分析与应用 J.盐城工学院报 :自然科学版 ,2008,21(1):34. 12郭瑛 ,俞宗佐 .基于 FPGA 的循环冗余校验模块设计 J,内蒙古大学学报 :自然科学版 2010 年第 4 期 . 13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 ,1991. 14Shu Lin,Daniel J.Costello.Error Control CodingM:Fundamentals and Applications, 2nd Edition 15Tsfasman MA. Moduar curves,Shimura curves and Goppa codes,better than V arshamov2Gilbert boundJ.Math N ach r,1982,104:13 28.
