基于VHDL语言的卷积码编解码器的设计
时间：2006-12-28 10:45:00
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[导读]本文在阐述卷积 码编解码器基本工作原理的基础上，提出了在MAX+PlusⅡ开发平台上基于VHDL语言设计 （2，1，6）卷 积码编解码器的方法。仿真实验结果表明了该编解码器的正确性和合理性。
摘 要：卷积码是一种性能优良的差错控制编码。本文在阐述卷积 码编解码器基本工作原理的基础上，提出了在MAX+PlusⅡ开发平台上基于VHDL语言设计 （2，1，6）卷 积码编解码器的方法。仿真实验结果表明了该编解码器的正确性和合理性。
关键词：卷积码；编解码器；VHDL；MAX+PlusⅡ
1引言
数字信息在有噪信道中传输时，会受到噪声干扰的影响，误码总是不可避免的。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误码率指标，在合理设计基带信号，选择调制、解调方式，并采用频域均衡或时域均衡措施的基础上，还应采用差错控制编码等信道编码技术，使误码率进一步降低。卷积码和分组码是差错控制编码的2种主要形式，在编码器复杂度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码，因此卷积码几乎被应用在所有无线通信的标准之中，如GSM ，IS95和CDMA2000的标准中。
目前,VHDL语言已成为EDA领域首选的硬件设计语言,越来越多的数字系统设计使用 VHDL语言来完成。原因是通过VHDL描述的硬件系统“软核”便于存档,程序模块的移植和AS C设计源程序的交付更为方便。因此,他在IP核的应用等方面担任着不可或缺的角色。在某扩频通信系统中，我们使用VHDL语言设计了（2，1，6）卷积码编解码器，并经过了在FPGA芯片上的验证实验。
2卷积编码器
卷积码通常记作(n0,k0,m)，其编码效率为k0/n0，m称为约束长度。(n0 ,k0,m)卷积码可用k0个输入、n0个输出、输入存储为m的线性有限状态移位寄存器及模2加法计数器电路来实现，卷积码的编码方法有3种运算方式：离散卷积法；生成矩阵法；多项式乘积法。此外，卷积码的编码过程还可以用状态图、码树图和网格图来描述。本文设计的编码器考虑到硬件电路的实现，选择了多项式乘积法。 本系统所选卷积编码器如图1所示，该卷积编码器为（2，1，6）自正交卷积编码器。
3大数逻辑解码器
卷积码的解码可分为代数解码与概率解码2类。大数逻辑解码器是代数解码最主要的解码方法，他既可用于纠正随机错误，又可用于纠正突发错误，但要求卷积码是自正交码或可正交码。 本文所选（2，1，6）系统自正交卷积码的大数逻辑解码器如图2所示。
图2中，Ｉ端输入信息码元，Ｐ端输入校验码元。解码器把接收到的R(D)中的每一段信息元送入编码器中求出本地检验元，与其后面收到的检验元模2加。若两者一致，则求出的伴随式分量si为0，否则为1。把加得的值送入伴随式寄存器中寄存。当接收完7个码段后开始对第 0码段纠错，若此时大数逻辑门的输出为1，则说明第0码 段的信息元有错。这时正好第0子组的信息元移至解码器的输出端，从而纠正他们。同时，纠错信号也反馈至伴随式 寄存器修正伴随式，以消去此错误对伴随式的影响。如果大数判决门没有输出，则说明第0子组的信息元没有错误，这时从编码器中直接把信息元输出 。
4卷积码编解码器的VHDL设计
4.1VHDL设计的优点与设计方法
与传统的自底向上的设计方法不同，VHDL设计是从系统的总体要求出发，采用自顶向下（ toptodown）的设计方法。其程序结构特点是将一项工程 设计（或称设计实体），分成外部（即端口）和内部（即功能、算法）。在对一个设计实体定义了外部端口后，一旦内部开发完成，其他的设计就可以直接调用这个实体。
本设计所用VHDL设计平台是Altera的MAX+PlusⅡ EDA软件。MAX+PlusⅡ界面友好，使用便捷；他支持VHDL，原理图，V语言文本文件，以及波形与EDIF等格式的文件作为设计输入；并支持这些文件的任意混合设计；具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确地仿真结果；支持除APEX20K，APXⅡ，Mercury，Excalibur和Stratix系列之外的所有Altera FPGA/CPLD大规模逻辑器件。设计中采用的FPGA器件是Altera的FLEX系列芯片FLEX 10K20。用MAX+PlusⅡ软件进行VHDL设计的过程是：
(1)用Text Editor编写VHDL程序。
(2)用Compiler编译VHDL程序。
(3)用Waveform Editor，Simulater仿真验证VHDL程序。
(4)用Timing Analyzer进行芯片的时序分析。
(5)用Floorplan Editor安排芯片管脚位置。
(6)用Programer下载程序至芯片FLEX10K20。
在实际的开发过程中，以上个步骤需反复进行，直至将既定的VHDL设计通过所有的测试为止 。
4.2卷积编码器VHDL顶层建模（top level）及系统 功能仿真
4.2.1卷积编码器各功能模块及顶层建模端口的VHDL描述
LIBRARY IEEE；
用MAX+PlusⅡ编译后生成的编码器图形符号如图3所示。
4.2.2卷积编码器VHDL顶层建模的VHDL仿真波形
?
4.3卷积解码器VHDL顶层建模的VHDL端口描述
4.3.1卷积解码器各功能模块及顶层建模端口的VHDL描述
LIBRARY IEEE；
用MAX+PlusⅡ编译后生成的解码器图形符号如图5所示。
4.3.2卷积解码器VHDL顶层建模的VHDL仿真波形
卷积解码器VHDL仿真波形如图6所示。其中待解码信元datain=“11111010010000000001” ，速率为64kP/s，对应时钟为15.625μs。仿真结果表明，解码信元输出dataout =“111 1”，相应速率为32kP/s。实际仿真还验证了当卷积解码器输入的待解码信元中有错码时的纠错情况，与理论分析结果一致。
关键词：卷积码；编解码器；VHDL；MAX+PlusⅡ
1引言
数字信息在有噪信道中传输时，会受到噪声干扰的影响，误码总是不可避免的。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误码率指标，在合理设计基带信号，选择调制、解调方式，并采用频域均衡或时域均衡措施的基础上，还应采用差错控制编码等信道编码技术，使误码率进一步降低。卷积码和分组码是差错控制编码的2种主要形式，在编码器复杂度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码，因此卷积码几乎被应用在所有无线通信的标准之中，如GSM ，IS95和CDMA2000的标准中。
目前,VHDL语言已成为EDA领域首选的硬件设计语言,越来越多的数字系统设计使用 VHDL语言来完成。原因是通过VHDL描述的硬件系统“软核”便于存档,程序模块的移植和AS C设计源程序的交付更为方便。因此,他在IP核的应用等方面担任着不可或缺的角色。在某扩频通信系统中，我们使用VHDL语言设计了（2，1，6）卷积码编解码器，并经过了在FPGA芯片上的验证实验。
2卷积编码器
卷积码通常记作(n0,k0,m)，其编码效率为k0/n0，m称为约束长度。(n0 ,k0,m)卷积码可用k0个输入、n0个输出、输入存储为m的线性有限状态移位寄存器及模2加法计数器电路来实现，卷积码的编码方法有3种运算方式：离散卷积法；生成矩阵法；多项式乘积法。此外，卷积码的编码过程还可以用状态图、码树图和网格图来描述。本文设计的编码器考虑到硬件电路的实现，选择了多项式乘积法。 本系统所选卷积编码器如图1所示，该卷积编码器为（2，1，6）自正交卷积编码器。
3大数逻辑解码器
卷积码的解码可分为代数解码与概率解码2类。大数逻辑解码器是代数解码最主要的解码方法，他既可用于纠正随机错误，又可用于纠正突发错误，但要求卷积码是自正交码或可正交码。 本文所选（2，1，6）系统自正交卷积码的大数逻辑解码器如图2所示。
图2中，Ｉ端输入信息码元，Ｐ端输入校验码元。解码器把接收到的R(D)中的每一段信息元送入编码器中求出本地检验元，与其后面收到的检验元模2加。若两者一致，则求出的伴随式分量si为0，否则为1。把加得的值送入伴随式寄存器中寄存。当接收完7个码段后开始对第 0码段纠错，若此时大数逻辑门的输出为1，则说明第0码 段的信息元有错。这时正好第0子组的信息元移至解码器的输出端，从而纠正他们。同时，纠错信号也反馈至伴随式 寄存器修正伴随式，以消去此错误对伴随式的影响。如果大数判决门没有输出，则说明第0子组的信息元没有错误，这时从编码器中直接把信息元输出 。
4卷积码编解码器的VHDL设计
4.1VHDL设计的优点与设计方法
与传统的自底向上的设计方法不同，VHDL设计是从系统的总体要求出发，采用自顶向下（ toptodown）的设计方法。其程序结构特点是将一项工程 设计（或称设计实体），分成外部（即端口）和内部（即功能、算法）。在对一个设计实体定义了外部端口后，一旦内部开发完成，其他的设计就可以直接调用这个实体。
本设计所用VHDL设计平台是Altera的MAX+PlusⅡ EDA软件。MAX+PlusⅡ界面友好，使用便捷；他支持VHDL，原理图，V语言文本文件，以及波形与EDIF等格式的文件作为设计输入；并支持这些文件的任意混合设计；具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确地仿真结果；支持除APEX20K，APXⅡ，Mercury，Excalibur和Stratix系列之外的所有Altera FPGA/CPLD大规模逻辑器件。设计中采用的FPGA器件是Altera的FLEX系列芯片FLEX 10K20。用MAX+PlusⅡ软件进行VHDL设计的过程是：
(1)用Text Editor编写VHDL程序。
(2)用Compiler编译VHDL程序。
(3)用Waveform Editor，Simulater仿真验证VHDL程序。
(4)用Timing Analyzer进行芯片的时序分析。
(5)用Floorplan Editor安排芯片管脚位置。
(6)用Programer下载程序至芯片FLEX10K20。
在实际的开发过程中，以上个步骤需反复进行，直至将既定的VHDL设计通过所有的测试为止 。
4.2卷积编码器VHDL顶层建模（top level）及系统 功能仿真
4.2.1卷积编码器各功能模块及顶层建模端口的VHDL描述
LIBRARY IEEE；
用MAX+PlusⅡ编译后生成的编码器图形符号如图3所示。
4.2.2卷积编码器VHDL顶层建模的VHDL仿真波形
? 卷积编码器VHDL仿真波形如图4所示。仿真前设置输入信息序列datain=“1111”，速率为32 kP/s，对应时钟为31. 25μs。仿真结果表明，卷积编码输出dataout =“1111101 0010000000001”，相应速率为64 kP/s，与理论分析结果一致。
4.3卷积解码器VHDL顶层建模的VHDL端口描述
4.3.1卷积解码器各功能模块及顶层建模端口的VHDL描述
LIBRARY IEEE；
用MAX+PlusⅡ编译后生成的解码器图形符号如图5所示。
4.3.2卷积解码器VHDL顶层建模的VHDL仿真波形
卷积解码器VHDL仿真波形如图6所示。其中待解码信元datain=“11111010010000000001” ，速率为64kP/s，对应时钟为15.625μs。仿真结果表明，解码信元输出dataout =“111 1”，相应速率为32kP/s。实际仿真还验证了当卷积解码器输入的待解码信元中有错码时的纠错情况，与理论分析结果一致。
5结语
将通过仿真的VHDL程序下载到FPGA芯片FLEX10K20上，并在实际扩频系统中用于差错控制 ，取得了较为满意的效果。
参考文献
将通过仿真的VHDL程序下载到FPGA芯片FLEX10K20上，并在实际扩频系统中用于差错控制 ，取得了较为满意的效果。
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］褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用［M］. 西安：西安电子科技大学出版社，2002.
［3］潘 松，王国栋.VHDL实用教程［M］.成都：电子科技大学出版社，2 000.
［2］褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用［M］. 西安：西安电子科技大学出版社，2002.
［3］潘 松，王国栋.VHDL实用教程［M］.成都：电子科技大学出版社，2 000.
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