（信号与信息处理专业论文）基于fpga的hdb3编译码设计.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于f p g a 的h d b 3 编译码设计 信号与 孙燕妮 汉泽西 摘要 一般由信源发出的数字基带信号含有丰富的低频分量，甚至直流分量，这些信号往 往不宜直接用于传输，易产生码间干扰进而直接影响传输的可靠性，因而要对其进行编 码以便传输。传统的并下信号在传输过程中普遍采用曼彻斯特码的编解码方式，而该方 式的地面解码电路复杂。f p g a ( 现场可编程门阵列) 作为一种新兴的可编程逻辑器件， 具有较高的集成度，能将编解码电路集成在一片芯片上，而h d b 3 码( 三阶高密度双极 性码) 具有解码规则简单，无直流，低频成份少，可打破长连0 和提取同步方便等优点 基于上述情况，本文提出了基于f p g a 的t - i d b 3 编译码设计方案。 该研究的总体设计方案包括用m a t l a b 进行h d b 3 编译码算法的验证，基于f p g a 的h d b 3 码编译码设计与仿真，结果分析与比较三大部分。为了保证该设计的可靠性， 首先是进行编译码的算法验证；其次通过在f p g a 的集成设计环境q u a r t u s i i 软件中完 成h d b 3 码的编译、综合、仿真等步骤，通过下载电缆下载到特定的f p g a 芯片上， 用逻辑分析仪进行时序仿真；最后将算法验证结果与仿真结果作一对比，分析该研究的 可行性与可靠性。 研究表明，基于h ，g a 的h d b 3 编译码设计具有体积小，译码简单，编程灵活， 集成度高，可靠等优点。 关键词： f p g ah d b 3 码m a t l a bq u a r t u s l l 逻辑分析仪 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：t h ec o d i n ga n dd e c o d i n go f h d b 3b a s e do nt h ef p g a s p e c i a l i t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：s u ny a n n i ( s i 弘a t l i r e ) i 亟2 纽丝 1 n s t r i c t o r = h a nz e l j ( s i g n a t u r e ) 上丝簪立 a b s t r a c i 。 g e n e r a l l yt h ed i g i t a lb a s e b a n ds i g n a lw h i c hs e n d so u tb yt h ei n f o r m a t i o ns o r i c eo f i f c n c o n t a i n sr i c ht h el o w 白既l u c n c yc o m p o n e n t , e v e nt h ed i r e c t - c u r r e n tc o m p o n e n t , t h e s es i g n a l s a r 蜘to r s u i t a b l et ot r a n s m i td i r e c t l y t h e ya g ee a s yt oh a v et h ec o d et od i s t u r ba n di m p a c t t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yd i r e c t l y , s oi tm u s tb ee n c o d e di no r d e rt ot r a n s m i t s t r a d i t i o n a l l l y , s i g n a l si np e t r o l 蛐u s e st h em a n c h e s t e rc o d et ot r a n s m i t , b u tt h eg r o u n dd e c o d i n gc i r c u i t o ft h i sw a yi sc o m p l e x f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) i sa ne m e r g i n g p r o g r a r a m a b l el o g i c a lc o m p o n e n t , h a sah i g h e ri n t e g r a t i o nl e v e l ，c a ni n t e g e rt h ee n c o d i n ga n d d e c o d i n gc i r c u i to n o n ep i e c eo f c h i p , h d b 3c o d e ( t h r e es t e p sh i g l ld e n s i t yb i p o l a rc o d e s ) h a s m a n ya d v a n t a g e s , t h es i m p l ed e c o d i n gr u l e ，d o e sn o th a v ed i r e c t - c u r r e n tc o m p o n e n t , f e w e r t h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t , b ea b l et ob r e a kt h el o n gs e r i e so fz e r o s e x t r a c t i n g s y n c h r o n o u sc l o c kc o n v e n i e n t l ya n ds oo n b a s e do nt h es i t u a t i o na b o v e , t h i sp a p e rp r o p o s e s t h ed e s i g np l a nw h i c hi sa b o u th d b 3e n c o d i n ga n dd e c o d i n gb a s e do nf p g a t h ew h o l er e s e a r c hi n c l u d et h r e em a j o r 肼i r t s ，u s i n gm a t l a bt ov e r i f yt h ea l g o r i t h mo f 皿b 3e n c o d i n ga n dd e c o d i n g ；t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fi - i d b 3e n c o d m ga n dd e c o d i n g b a s e do nf p g a ；a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h er e s u l t s i no r d e rt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t y o f t h i sd e s i g n , f i r s t l y ，c a r r yo nt h ea l g o r i t h mv e r i f i c a t i o n ；s e c o n d l y , c o m p l e t eh d b 3e n c o d i n g a n dd e c o d i n g , s y n t h e s i sa n ds i m u l a t i o nu n d e rt h ei n t e g r a t e dd e s i g ne n v i r o n m e n tw h i c h p r o v i d e db yq u a r t o s l is o f l w t 脚 e ，t h e s o f t w a r es u p p o r t st h em p u tw a yo ff p g a , t h e n d o w n l o a dt h ep r o g r a mt ot h es p e c i f i cf p g ac h i pt h r o u g ht h ee l e c t r i cc a b l e d , t h e nc a r t i e so n t h et i m i n gs i m u l a t i o nw i t ht h el o g i c a la n a l y z e r f i n a l l y , b yc o n t r a s t i n gt h er e s u l t sw h i c h 眦 a b o u ta l g o r i t h mv e r i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o n , a n a l y s et h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e r e s e a r c h t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h eh d b 3e n c o d i n ga n dd e c o d i n gb a s e do nf p g ah a v em a n y m e r i t s ，t h es m a l lv o l u m e ，s i m p l ed e c o d i n gr u l e s ，f l e x i b l ep r o g r a m m i n g ，h i g h l yi n t e g r a t i o n r a t ea n dr e l i a b i l i t y , a n ds oo i l k e y w o r d s ：v e g a , h d b 3 ，m a t l a b , q u a r t u s l l ，l o g i c a la n a l y z e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：氆蓝丝论文作者签名：生! 丝丝兰型 学位论文使用授权的说明 日期：矽7 m , l s 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名基互堑盔 导师签名：文t l 。一 1 7 # ：硼s 坻 f i 期：d 7 r r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 信号在信道的传输过程中，如何才能保证信号失真最小且可靠的传输是研究人员一 致的目标。一个完整的通讯系统，当信号经过一定距离的传送后，总要受到干扰、移相 和衰减，因而必须要对数字信号进行再生。从信源输出的信号一般是0 、l 两种状态的 单极性n r z 码，在进行数字信号传输时，必须考虑到传输信道的特点，将信息比特变 换为适合于信道传输的数字信号，即进行线路编码。由模拟信源转换而来的p c m 信号， 或离散信源产生的符号序列，以及数字源发出的代码，从广义角度，我们均称其为p c m 编码在p c m 的基带传输系统中，存在着平衡电路和不平衡电路的变换，及远端的供 电电路，这些电路中都存在着变压器，因而含有丰富的直流和低频的基带信号，这些信 号就不适宜在信道中传输，否则会造成正常信号的严重畸变。为了使得终端机编码输出 的由0 和l 组成的单极性数码流适应于传输信道的特性，还必须经过码型变换，即对信 号进行编码。 选择码型时一般应该考虑几方面的因素，比如从线路码流中容易提取时钟，线路码 型中不宜含有直流分量，高、低频成分应尽量减少，设备应简单，易于实现码型变换和 码型反变换的调试等然而传统的石油井下信号在传输过程中普遍采用曼彻斯特编码方 式，此方法的缺点是地面解码电路复杂，基于此，人们又在考虑能不能有一种更好的方 法来弥补这一不足之处f p g a 具有编程灵活的特点，能够在不大改动系统平台的情况 下具有改变系统特性和行为的灵活性，因而能完成对实时信号的处理；同时f p g a 作为 一种新兴的高密度可编程逻辑器件，可以将编码与解码电路集成在一片f p g a 芯片上， 它的体积小，其结果大大提高了系统的集成度h d b 3 码的具有其译码规则简单，便于 时钟的提取，无直流分量，实现的电路也远比采用曼彻斯特编码方式简单等优点。本文 主要就是要研究如何在一片f p g a 芯片上实现h d b 3 编译码的设计。 1 2 编码技术的发展现状及课题背景 1 2 1 编码技术的发展现状 传统的石油井下信号在传输过程中普遍采用曼彻斯特编码方式，所谓曼彻斯特码， 就是将每一个码元分成两个相等的间隔。码元l 是用前一个码元为高电平而后一个码元 为低电平来表示码元o 正好相反，它是用前一个码元为低电平而后一个码元为高电平 来表示。这种编码的好处是可以保证每一个码元( 这里的码元是指源码) 的正中间出现 一次变化。这对接收端提取位同步信号是非常有利的。但是这也同时增加了信息传送量， 延长传输时间，所占的频带宽度比原始信号的频带宽了近一倍，而且地面解码电路太复 杂，不利于现场携带。 西安石油大学硕士学位论文 随着数字通信的迅速发展，线路编码已越来越被人们重视，人们先后提出了各种适 合线路传输的码型，如c m i 码，m i l l e r 码，2 b i q 码，a m i 码，h d b 3 码等。传输 码型是研究数字通信传输系统的一项重要课题，正确选择传输码型不但能改善传输性能， 提高通信质量，而且能延长中继距离，使中继器结构简单，从而获得显著的经济效益。 目前，线路编码广泛地用于数字移动通信、数字微波通信和数字光纤通信系统中，是数 字通信系统中不可缺少的部分。1 1 1 j t 原c c r r r g 7 0 3 建议中规定2 m 8 m 3 4 m 的数字接 口码型均采用h d b 3 码。 当前，。可配置性”的概念在电子设计领域深入人心，设计界的目标是一致的，即 寻求一种能够满足功能性要求，又能够保持足够灵活性的可配置设计平台。可配置性， 或者说挑选标准处理器特性的能力，可配置性是减少传统处理器功率的最显著的方式。 定义可配置系统的一个共同思路是在不大改动系统平台的情况下具有改变系统特性和行 为的灵活性，每一个可配置性定义之间的差异在于如何解释大改系统平台的含义。一个 可配置系统允许你在某一粒度等级内规定或嵌入你所需的特性或功能，它旨在满足你的 需要并通过避免不需要功能的费用来降低成本。软件可编程性提供一种高级的系统可配 置性和灵活性。而目前市场中比较成熟的、符合“不大改动系统平台的情况下具有改变 系统特性和行为的灵活性”定义的可配置设计平台，大多基于f p g a 。 电子设计的必由之路是数字化并已经成为共识，然而大规模可编程逻辑器件 c p l d f p g a 可以通过软件编程来对其硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件设计如 同软件那样方便，因而f p g a 在各种通信电路中都已经得到了广泛的使用。用f p g a 实 现从单极性归零码( n r z ) 到三阶高密度双极性码( h d b 3 ) 的转换比采用专用集成电 路具有结构简单，且体积更小，灵活性高，调试方便等优点。 1 2 2 课题的研究背景 上海嘉地仪器有限公司的长线产品是c c t ( 即可调节注水并测调仪) ，它通过探测 井下的流量、压力、温度信号来判断不同的地层需要注入的水量，目的是用尽可能少的 水来采更多的油。本研究就是针对采集到的井下信号在传输过程中进行编解码，以使信 息量尽可能无衰减地传至地面。具体地讲就是将井下单片机输出的流量、压力、温度信 号经过编码后用单芯电缆传至地面并进行解码，最后再定义一种通信协议与计算机的 u s b 接口完成通信。图l - l 为井下信号的整个传输过程。 图1 - 1 井下信号的传输过程 2 第一章绪论 1 3 选择码型和常用码型 1 3 1 选择码型的考虑 发送信号设计中一个主要的问题是确定信号的线路编码类型，基本考虑有以下几 点： ( 1 ) 对直流或低频受限信道，线路编码应不含直流分量； ( 2 ) 码型变换应保证透明传输，唯一可译，同时可使两端用户方便发送并正确接收 原编码序列，而无觉察中间环节的形式转换，即码型选择仅是传输的中间过程； ( 3 ) 便于从接收码流中提取定时信号； ( 4 ) 所选码型以及形成波形，应有较大能量，以提高自身抗噪声及干扰的能力； ( 5 ) 码型具有一定检错能力，能减少误码扩散； ( 6 ) 频谱收敛功率谱主瓣窄，且滚降衰减速度快，以节省传输带宽，减少码间 干扰。 1 3 2 常用码型及其特点 a 几种基本的基带信号码型 ( 1 ) 单极性不归零码( n r z l ) 单极性不归零码( u n i p o l a r n o r u e t u m - t o - z e r o ) 的0 、l 码与基带信号的0 电位及正 电位对应，脉冲无间隔，只适于短距离传输。 缺点：含有直流( d c ) 分量；接收判决门限为接收电平的一半，门限不稳，判决易错； 不便直接从接收码序列中提取同步信号；传输时信道一端需接地( 不平衡传输) ( 2 ) 双极性码( b i - n r z ) 双极性码的0 、l 码与基带信号的负、正电位对应。与单极性相比，双极性不归零 码( b i p o l a r - n r z ) 优点为：从统计平均看，l 、0 各半，不含直流分量；两种码元极性 相反，接收判决电平为0 ，稳定性高；可在电缆等线路不接地传送( 平衡传输) 。 因此，b i - n r z 码比较常用，更适合于速度不高的比特流传输，将单极性转换为双 极性也较简单。 缺点：不易从中直接提取同步信息；i 、0 不等概率时仍有直流分量。 ( 3 ) 单极性归零码0 z - l ) 其脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到o 电位。这种码型除仍有单极性n r z 码缺点外，其优点是可直接提取同步信息，但由于存在直流分量，不宜直接传输，宜先 将其转换为其它码型进行传输，接收时再转换为r z - l 。 ( 4 ) 双极性归零码( b i - r z ) 这种码型的一个直观优点是当在接收归零码时，则认定传送完毕，便于经常维持位 同步，收发无须定时，故称其为自同步方式，它得到了广泛应用。 西安石油大学硕士学位论文 ( 5 ) 差分码 差分码也称为相对码，其0 、l 码反映相邻码元的相对变化。它又分为传号差分码与 空号差分码它利用码元间互相关，减少误码扩散，同时在连续多个误码时，接收误码 反而减少。 b 传输码型 许多数字基带信号不易于在信道中传输，需编成适合于基带系统传输的码型，下面 介绍常用的几种传输码型 ( 1 ) 交替传号极性码( a m i ) a m i 码( a l t e r n a t i v em a r ki n v e r s e de n c o d i n g ) 又称双极性方式码( b i p o l a re n c o d i n g ) 、 平衡对称码或传号交替反转码，它属于单极性码的变型，当遇0 码时为0 电平，当遇l 码时则交替转换极性，这样成为确保正负极性个数相等的“伪三进制”码。 优点：确保无直流，零频附近的低频分量小，便于变量器耦合匹配；有一定检错能 力，当发生1 位误码时，可按a m i 规则发现错误，以a r q 纠错；接收后只要全波整流， 则变为单极性码，如果它是a m i - - r z 型，可直接提取同步。 缺点：码流中当连0 过多时，同步不易提取。 ( 2 ) 三阶高密度双极性码( h d b 3 ) 这种码型属于伪三进制码。h d b 3 中“3 阶”的含义是限制。连0 ”个数不超过3 位为减少连0 数，有的做法采取“扰码”，按一定规则将多个连0 分散，尽量使码序 列随机化。有效的办法是采用h d b 。( n = l ，2 ，3 ) ，一般多使用n = 3 。 h d b 3 码的优点为：译码规则简单；无直流；低频成份少；频带较窄；可打破长连 0 ，提取同步方便；不受信源统计特性的影响。 ( 3 ) 分相码( 曼彻斯特码- - m a n c h e s t e r ) 分相码也称孪生二进制码，实现分相码很简单，可将宽度为t b 的码元按如下处理， 当出现l 码时用正负各占t b 2 双极性码表示，0 码用宽为t b 2 的负正极性代替，这样 确保无直流，但实际频带却增大一倍，降低了传输频带利用率，适合于信道带宽较大或 码速较低的情况。 ( 4 ) 传号反转码( c m i ) 这种码的规则是l 码像a m i 码一样轮流反转极性，0 码采用在t b 内各占t b 2 的 负正极性双相码，因此又称其为“一组2 位二元码( i b 2 b ) ”。此种码型频带利用率低， 现多用5 8 6 b 码，5 位码加l 位冗余后，含3 个l 共2 0 种，含4 个1 或4 个0 共3 0 种。 除了较优的2 0 种外，其余3 0 种可选用。 其优点是：不含直流；有一定检错能力；易实现。 ( 5 ) 密勒码( m i l l e r ) 又称延迟调制码，其规则是l 码是按交替极性的双相码，而0 码却保持低电平，属 于一种特殊的双极性码。 第一章绪论 1 4 本研究的主要内容 本研究主要是针对f p g a 芯片，选用一种合适的码型，完成石油井下信号在传输过 程中的编解码操作。本研究所选用的码型是h d b 3 码，h d b 3 码具有无直流、低频成份 少、频带较窄、可打破长连0 和提取同步方便等特点。鉴于h d b 3 码的明显优点，p c m 系统各次群，常采用其做接口码型标准。本研究主要内容包括以下几方面： ( 1 ) 规划基于f p g a 的h d b 3 码设计的总体设计方案，合理利用各种软硬件资源。 ( 2 ) 用m a t l a b 对h d b 3 码算法进行验证用m a t l a b 验证h d b 3 编译码算法的 目的是为了增强基于f p g a 的h d b 3 编译码设计的可靠性，以便进一步验证该研究设计 方案。将在m a t l a b 中得到的算法验证结果与f p g a 的设计仿真结果进行对比，如果 二者得到的结果基本吻合，就证明了该研究设计的正确性。 ( 3 ) 基于f p g a 的h d b 3 码编译码的软件实现。h d b 3 码的编译码程序设计都是在 q u a r t u s l i 软件环境下进行的，首先在q u a r t u s n 软件环境下建立一个工程，通过使用 v e r i i o g 语言完成编译码程序的设计，并将其作为该工程的设计文件。 ( 4 ) 在q u a r t u s l i 环境下构建编译码系统总体框架。将编译码程序自动生成模块图的 对应端口通过信号线连接，并配以计数器，内部信号源模块，输入输出管脚的匹配，完 成整个编译码的原理图设计。 ( 5 ) 对系统进行逻辑仿真与时序仿真 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否符 合设计要求。功能仿真有时也被称为前仿真。通过仿真能及时发现设计中的错误，加快 设计进度，提高设计的可靠性这一部分是在q u a r t u s l l 软件环境下完成的。 除了对设计系统要进行功能仿真外，还要将编译好的程序下载到指定的f p g a 芯片 上用逻辑分析仪进行时序仿真，因为实际电路总是存在定的时钟毛刺，所以会产生不 可避免的时延，只有通过时序仿真的验证后才能保证设计的正确性。 ( 6 ) 对该研究的分析与总结。 通过分析设计方案的仿真结果，判断该研究设计的正确性，并将所做研究进行概括， 分析该研究的优缺点。 1 5 本研究的目的意义 本文是针对石油井下信号在传输过程中所做的研究，在通常所采用的曼彻斯特编码 方式的基础上提出了在一片f p g a 芯片上实现h d b 3 编译码的构思，并通过研究设计， 验证了其可行性，并为信号在不同环境下的传输构建了一个新的通用编译码平台。 1 6 论文组织 本文主要从该研究的总体设计、基于m a t l a b 的编译码算法验证、基于f p g a 的 编译码设计几部分进行论述，具体章节安排介绍如下： 5 西安石油大学硕士学位论文 第二章对本文的理论基础信息论与编码作了简单论述，其中包括信息论的发展、 主要研究问题及分类、通信系统、两种基本的编码理论等问题。 第三章对该研究作了一个简单的总体介绍，涉及到后续章节中总的设计方案、所要 用到的一些相关概念、软硬件平台简介等。 第四章介绍了在m a t l a b 环境中对h d b 3 编译码算法验证的实现过程及验证结果 分析，目的是为后面用f p a g 完成h d b 3 码设计奠定必要的理论基础。 第五章是该设计的核心部分，详细地介绍了基于f p g a 的h d b 3 编译码的设计流程， 设计原理，功能仿真，时序仿真等，最后将仿真结果与m a t l a b 中的结果作一比较， 得出结论。 第六章是完结篇，对所做研究的各部分工作、研究结果分别作了分析总结，提出了 该研究的创新点，并对f p g a 技术进行展望。 题目来源：上海嘉地仪器有限公司 6 第二章信息论与编码概述 第二章信息论与编码概述 信息与编码理论在近代工程技术中的应用范围很广，电子、计算机、通信工程、网 络技术，量子领域、生物技术中的信息处理，有的正是信息与编码理论今后发展的新起 点。信息论是通信理论的重要基石，它强调通过编码来提高通信的有效性和可靠性有 人曾说编码理论导致了信息理论，而信息理论又给出了编码的性能极艰。信息与编码理 论的核心问题就是给通信系统寻找一个最佳的数量与质量平衡点 2 1 信息论 信息及其交换，几乎是伴随人类社会的产生、发展而同时进行的。信息是指各个事 物运动的状态及状态变化的方式，是信息论中最基本、最重要的概念。信息论是关于信 息的本质和传输规律的科学理论，是研究信息的度量、发送、传递、交换、接收和储存 的一门新兴学科，同时信息论也是一门应用概率统计论、随机过程、数理统计、和近代 代数的方法来研究广义的信息传输、提取和处理系统中一般规律的工程科学。它的主要 目的是提高信息系统的可靠性和有效性以便达到系统的最优化；它的主要内容包括香农 理论、编码理论、维纳理论，检测和估计理论、信号设计和处理理论、调制理论和随机 噪声理论。 2 1 1 信息论的发展 信息理论的创建与发展是以通信实践与理论为基础的。1 9 2 4 年n y q u i s t 在b s t j 杂 志上发表的论文“影响电报速率的某些因素”阐明的信号带宽与信息速率之间的数量关 系，至今仍然是通信系统设计的指导准则；1 9 2 8 年h a r t l a y 发表在b s t j 上的论文“信 息传输”，最早研究了通信系统传输信息的能力，并引入了按等概率事件定义信息量的概 念；1 9 3 6 年a m s t r o n g 在对调频实验的研究中，得出“增大带宽可以提高抗干扰能力” 的结论。2 0 世纪4 0 年代，s h a n n o n 在前人工作的基础上，用概率统计的方法研究通信系 统，从而揭示了通信系统中传送的对象是信息，并对信息给以科学的定量描述，提出了 信息熵的概念；揭示出通信系统设计的中心问题是在于干扰噪声中如何有效而可靠的传 送信息，指出可以用编码方法实现这一目标；还从理论上证明了通信系统可以达到的最 佳性能的极限。 1 9 4 8 年，c e s h a n n o n 在b e l l 系统技术杂志上发表的著名论文“通信的数学原理” 是信息科学发展的起点，同时标志信息论作为- r j 学科的诞生，s h a n n o n 也因此被公认 为是信息论的奠基人。图2 1 揭示了s h a n n o n 信息理论 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 1s h l n n o n 信息论框架结构 2 1 2 信息论研究的主要问题 信息论研究的主要问题是通信系统在设计中如何实现可靠性和有效性。所谓可靠性， 就是要使信源发出的消息经过信道传输以后，尽可能准确地不失真地再现在接收端；所 谓有效性，就是经济效果好，即用尽可能短的时间和尽可能少的设备来传送一定数量的 信息，而两者结合就能使系统性能达到最优化。信息论研究的对象就是编码器和译码器， 编码器是信源编码器、纠错编码器和调制器的总称，它们的功能是将信源发出的消息变 换成适合于信道传送的信号。译码器原则上是编码器的逆操作，但由于信号受到干扰而 使正确译码变得很困难，并因此成为通信系统设计中的主攻点。 2 1 3 信息论的分类 信息论是在信息可以量度的基础上，研究有效地和可靠地传递信息的科学，它涉及 信息量度、信息特性、信息传输速率、信道容量、信源和信道编码、干扰对信息传输的 影响等方面的知识，通常把上述范围的信息论称为狭义信息论。狭义信息论研究的是收、 发端联合优化的问题，重点在各种编码，是通信中客观存在的问题的理论提升。广义的 信息论则包含通信的全部统计问题的研究，除了上述范围外，还包括信号设计、噪声理 论、信号的检测与估值等。广义信息论涉及主、客观两方面，但主观因素过于复杂，很 多问题本身及其解释尚无定论，因此还处于发展阶段 8 第二章信息论与编码概述 2 2 通信系统 信息论源于对通信系统的研究， 如下 信息漉 又服务于通信系统。s h a n n o n 给出的通信系统模型 比特流 比特汽信息漉 围2 2 通信系统的基本模型 这个通信系统实际包含了信息的传输与存储两大功能。从信源发出消息，经过编码 器将消息变换成适合于传输或存储的信号形式，可靠而有效的送入信道。译码器接收信 道输出的信号并将信号反变换成原来的消息送到称为信宿的信息接收器。 随着通信距离的加大，出现了信号强度的衰减与噪声干扰的加大等问题，因此如何 克服噪声干扰问题，就成为通信技术中一个迫切需要解决的问题。由于干扰的存在，信 道的输出信号可能与输入信号不同，从而形成还原消息与原始消息的不同，这种现象称 为通信误差，是需要克服的。一般通过硬件与软件两个途径来解决。所谓硬件就是改造 通信系统的物理条件，如元件的改进，加大信号功率与频带，降低噪声干扰等，但这种 改造是有限制的，而且会加大设备成本。软件的改进就是编码方式的改进，就是在外部 硬件环境基本不变的条件下，通过编码与译码函数的设计来实现提高通信速度、降低通 信误差的目标。这正是信息论所要讨论的基本内容，因此信息论又称为信息编码理论， 而在代数编码理论中，编码问题则归结为纠错码的改造与设计问题，同时也要考虑编码 的算法问题，尤其是译码算法的可计算问题，所改造的译码算法必须在通信过程中实时、 同步实现。 2 3 编码 在有线、无线电通信产生的同时，编码技术随之产生，早期的编码有莫尔斯( m o r s e ) 码和波多( b o d o ) 码等，它们把文字通过点、划、空等信号给以表达，这些虽很原始，但 它们实现了从文字到通信信号的转变。 在通信过程中，信息一般都不能直接传送，而是要通过一定形式的电磁信号来传送， 由消息变成信号的运算称为编码。编码实质上是对信源的原始符号按一定的数学规则进 行的一种变换。同样地，当信号被接收后还需要还原成消息，由接收信号还原成消息的 运算称为译码。编码分为信源编码和信道编码编码理论主要包括： ( 1 ) 有效性编码：用来提高信息传输效率，主要是针对信源的统计特性进行编码， 有时也称为信源编码； 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 抗干扰编码：用来提高信息传输的可靠性，主要是针对信道统计特性进行编码， 有时也称信道编码。 2 3 1 信源编码 将信源产生的消息变换为数字序列的过程称为信源编码由于信源符号之间存在分 布不均匀和相关性，使得信源存在冗余度。信源编码的主要任务就是减少冗余度，提高 编码效率。信源编码的基本途径有两个：一是使序列中的各个符号尽可能的互相独立， 即解除相关性；二是使编码中各个符号出现的概率尽可能相等，即概率均匀化。 信源编码又分为无失真和限失真。信源编码的基础是信息论中的两个编码定理：无 失真编码定理和限失真编码定理。若接收端信宿要求无失真地精确复制信源输出的消息， 即保证信源产生的全部信息无失真地传送给信宿，这时的信源编码称为无失真编码。只 有对离散信源可以实现无失真的信源编码，而连续信源其输出的信息量无限大，因此不 可能实现无失真的信源编码。在信道中，由于带宽是受限的，所以信道容量受到限制， 因而不可能完全无失真的传送信息。为了提高传输和存储的效率，必须对待传送的信息 进行压缩，这样会损失一定的信息，带来失真。实际生活中，一般并不要求完全无失真 地恢复消息，也就是允许一定失真的存在。在允许一定程度失真的条件下，如何能快速 地传输信源的信息，就是限失真信源编码所要解决的问题。 2 3 2 信道编码 信道编码就是按一定的规律在待发送的信息码中加入一些人为多余的码元，以保证 传输过程的可靠性。通信的目的是要向对方高速、可靠地传送信息。然而对一个确定的 信道，可靠与高速常常是矛盾的。高速必然要使每个数据码元所占的时间短，导致代表 数据的脉冲波形变窄，能量减少，从而抗干扰能力变弱，产生译码能力的可能性增加， 这就使传送信息的可靠性下降。为了提高可靠性，就要采取一种技术措施一纠错编码。 信道编码的目的是为了改善数字通信系统的传输质量。由于实际信道存在噪声和干扰的 影响，使得经信道传输后与所接收的码字之间存在差异，称为差错通常，信道噪声和 干扰越大，码字产生差错的概率也就越大。信道编码的对象是信源编码器输出的数字序 列m ，又称信息序列，通常是由二元符号0 、l 组成的序列，而且符号1 和0 是独立等 概率的。信道编码的任务就是通过在选择发射的数据中引入冗余，防止数据出现差错。 其中用于检测差错的信道码称为检错码，而可以检测和校正差错的信道码称为纠错码。 2 0 世纪7 0 、8 0 年代，编码理论在快速通信技术中得到大量应用，当时的通信技术 正在从低速向高速发展。通信手段正向微波、卫星等方向发展，因此误差干扰问题就突 现出来，利用纠错码可大大降低通信中的差错率。 总之，信息论与编码理论可看作信息科学产生的一个新起点，它与应用科学关系十 分密切，它也是本研究的理论基础。 蔓三童焦星丝兰塑旦塑垄 2 4 小结 本章主要针对信息论与编码理论作了简要论述，包括以下几方面内容： ( 1 ) 从信息论的发展、研究的主要问题及其分类等方面对信息论作了简要论述； ( 2 ) 简要的介绍了通信系统，在本章中起到承上启下的作用； ( 3 ) 从信源编码与信道编码两方面介绍了编码理论 1 1 西安石油大学硕士学位论文 第三章研究的总体设计方案 f p g a 作为一种新兴的可编程逻辑器件，具有集成度高，编程灵活等优点，是可配 置系统的主要器件。而h d b 3 码具有译码规则简单，无直流，低频成份少，可打破长连 0 ，提取同步方便，频带较窄，不受信源统计特性的影响等优点。如何将二者有机的结合， 以达到更好的为用户服务的目的，是本研究的聚焦点 3 1 总体设计的构思 本研究的主要目的是在一片f p g a 芯片上实现h d b 3 编译码的设计，为了确保结果 的正确性，还应用了m a t l a b 及逻辑分析仪分别对设计进行验证。下图为该设计总体 框图， 图3 1 总体设计模型 在该设计中，首先在m a t l a b 环境中通过编程完成对h d b 3 编译码的算法验证； 接着在支持f p g a 的q u a r t u s l l 环境中用v c r i l o g 语言完成h d b 3 码编译码程序设计及 h d b 3 编译码的总体原理图设计、编译及仿真等工作；最后通过将m a t l a b 编译环境中 得到的算法验证结果与基于f p g a 的仿真结果进行比较，得出最终的结论。这些内容将 在后面章节作进一步的说明。 3 2h d b 3 码简介 h d b 3 码( 三阶高密度双极性码，t h r e es t e ph i g hd e n s i t yb i p o l a rc o d e s ) ，它是a m i 码的 改进型，h d b 3 中“3 阶”的含义是，限制“连0 ”个数不超过3 位为减少连0 数，有 的做法采取“扰码”，按一定规则将多个连0 分散，尽量使码序列随机化。有效的办法 是采用h d b 。( n _ - 1 ，2 。3 ) ，一般多使用n = 3 ，它克服了a m 码长连0 串现象，并具有 以下特点： ( 1 ) 基带信号无直流成分，且只有很少的低频成分； ( 2 ) 连0 串符号最多只有3 个，利于定定时信息的提取； ( 3 ) 不受信源统计特性的影响。 3 2 1h d b 3 码编码规则及建模 a h d b 3 码的编码规则简介 第三章研究的总体设计方案 h d b 3 码的编码原理是：先检出消息代码( 二进制) 的连“0 ”情况，当没有4 个或4 个 以上连。0 ”串时，则按照a m i 码的编码规则对消息代码进行编码( 即传号极性交替) ； 当出现4 个或4 个以上连“0 ”串时，则将每4 个连“o ”小段的第4 个o 变换成与前一 个非0 符号( 1 或+ 1 ) 同极性的符号显然，这样做可能破坏。极性交替反转”的规律。 这个符号被称为破坏符号，用v 表示( 即+ l 记为+ v ，一l 记为v ) 。为使附加v 符号后 的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，还必须保证相邻v 符号也应极性交 替。这一点，当相邻v 符号之间有奇数个非0 符号时，则是能得到保证的；当有偶数个 非0 符号时，则就得不到保证，这时再将该小段的第一个0 变换成+ b 或- b ，b 符号的极 性与前一非0 符号相反，并让后面的非0 符号从v 符号开始再交替变化。 b h d b 3 码编码器的建模 根据h d b 3 码的编码规则，该设计可用框图3 - 2 表示， n r z h db3 围3 2h o b 3 编码器的整体模型 3 2 2i - i d b 3 码译码规则及建模 乱h d b 3 码译码规则简介 根据编码规则，破坏点v 脉冲与前一个脉冲同极性。因而可从所接收的信码中找到 v 码，然后根据加取代节的原则，v 码与前面的三位代码必然是取代码，在译码时，需 要全部复原为四连0 。只要找到v 码，不管v 码前面是两个o ”码，还是3 个“0 ”码， 一律把取代节清零，完成了扣v 扣b 功能，进而得到原二元信码序列。h d b 3 译码器包 括双单极性变换，v 码检测、时钟提取，扣v 扣b 四部分。 b h d b 3 码译码器的建模 图3 3 中双，单极性变换电路由两个正负整流电路组成。正整流电路提取正电平部分； 负整流电路提取负电平部分。v 码检测电路包括+ v 和- v 码检测两部分。根据编码规则， v 脉冲必然是同极性脉冲。当无v 脉冲时，传号脉冲。+ l ”和“一l ”交替出现。当连 续出现两个。+ l ”或“一l ”时，若无误码，则后一个一定是v 脉冲扣v 和扣b 电 路在v 脉冲和同步时钟的控制下，完成扣v 和扣b 的功能。时钟提取电路用于提取同 步时钟。 西安石油大学硕士学位论文 图3 - - 3f i l m 3 译码器模型 3 3 软硬件平台简介 3 3 1 硬件平台简介 3 3 1 1s t r a t i x 版的n i o s l l 开发板简介 本设计所选取的是s t r a t i x 版的n i o s l l 开发板，其本身所配置的f p g a 器件类型是 s t r a t i x e p l s l 0 f 7 8 0 c 6 e s ，s t r a t i xe p i s l 0 f 7 8 0 c 6 器件的特点是具有1 0 5 7 0 个逻辑单元和 9 2 0 k b i t s 的片上记忆容量。n i o s l i 处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成 开发环境( i d e ) 、j t a g 调试器、实时操作系统( r t o s ) 和t c p i p 协议栈。设计者能 够用a l t e r aq u a r t u si i 开发软件中的s o p cb u i l d e r 系统开发工具很容易地创建专用的处 理器系统，并能够根据系统的需求添加n i o si i 处理器核的数量。 s t r a t i x 版的n i o s 开发板为基于a l t e r as t r a t i x 装置提供了嵌入式开发平台。n i o s 开 发板具有预编程序和3 2 位n i o s 处理器参考设计。硬件设计师能将一个具有特点的n i o s 开发板作为参考设计的例子，软件设计师能使用被预编程序的n i o s 处理器设计在线路 板上立刻开始原型化开发软件。这一部分包含了一个简明的n i o s l i 开发板上的一些重要 的组成部分，一套完整的原理图，一个物理布局数据库，以及n i o s l l 开发板上被安装在 n i c 瞎i i 开发套件文件目录中的g e r b e r 文件。图3 4 是n i o s l i 开发板的组成部分。 第三章研究的总体设计方案 i 竺竺竺竺卜0 1 、+_ _ _ _ _ _ - _ _ “一r t q 臣固 巨虽卫黝 r 野 l 脚c _ r _ 卜 丽 i 黼胁 s t y x e p 1 5 1 0 0