（信号与信息处理专业论文）基于fpga的级联编译码模块在936c图像传输系统的应用.pdf

t h e a n d n a p p l i c a t i o no fc a s c a d e de n c o d i n g d e c o d i n gm o d u l eb a s e d o nf p g a i n9 3 6 c i m a g e t r a n s m i s s i o ns y s t e m a t h e s i si n e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n d t e c h n o l o g y b y z h o uq i a n g a d v i s e d b y y em i n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 一 叫 - 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名、：i 虱丝 e l 期：丝丝墨：! ! 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着数字多媒体技术的飞速发展，人们对视频图像传输的质量和实时性提出了更高的要求。 由于传输信道特性的不理想及噪声的存在，使接收到的信号不可避免地会出现差错，从而导致 图像质量的下降。为此必须采用信道编码的方式来提高信息传输的可靠性。 为进一步改善9 3 6 c 视频图像传输系统的性能，本文提出了级联码结合交织技术的纠错方 案，即将r s 码，分组交织，卷积码三种编译码技术相融合以实现纠错。本文主要工作及贡献 如下： 1 、将数字摄像头采集的动态视频图像，使用z 2 2 8 图像处理芯片进行m p e g 4 压缩编码， 完成了图像压缩和回放的硬件电路设计； 2 、阐述了r s 码，分组交织，卷积码的编解码的原理，给出了整个信道编解码模块的设计 方案，并利用x i l i n x 公司f p g a 芯片x c 3 s 2 0 0 0 研制了实时的信道编解码器。 3 、在编译码模块设计中，通过设置一个接收缓冲区，解决了编码器的码率不匹配问题；在 r s 解码算法的实现中，引入了流水线机制，提高了译码的效率； 4 、在v i t e r b i 译码器设计中，采用新的a c s 设计方法，避免了分支度量值的溢出，节省了 硬件资源的消耗；译码输出单元则采用改进的回溯方法，使用四块r a m 同时进行回溯，提高 了译码的速率。 5 、将图像压缩编译码模块、两级信道编解码器和数据帧处理器相级联，形成一个实时图像 传输系统的基带处理平台，完成了全部硬件设计和信道编译码f p g a 算法的软件设计。 在方案中，通过对9 3 6 c 实时图像传输系统基带处理单元的f p g a 仿真实验，验证算法的 正确性与可靠性；并且信道编译码器的数据吞吐速率达到1 0 0 h 们o p s ：在整个系统联试中，基带 处理单元的性能达到了设计要求。 关键字：图像压缩，r s 码，分组交织，卷积码，f p g a 基丁：f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应用 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , m o r er e q u i r e m e n t so fh i g hq u a l i t y a n dr e a l t i m eo fv i d e oi m a g e sa r en e e d e dw h e nt r a n s f e ri n f o r m a t i o n a st h et r a n s m i s s i o nc h a n n e li s n o ti d e a la n dt h en o i s e se x i s te v e r y w h e r e ，t h es i g n a lr e c e i v e db yt h er e c e i v e rh a ss o m ei n e v i t a b l e e r r o r sw h i c hd e c l i n et h ei m a g e s q u a l i t y s ow ec a nt a k et h ew a yo fc h a n n e lc o d i n gt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v e9 3 6 cv i d e oi m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m sp r o p e r t y , t h i sp a p e r p r o p o s e sa l l e r r o rc o r r e c t i o np r o g r a mo fc o n c a t e n a t e dc o d ew i t hi n t e r l e a v i n gt e c h n o l o g yw h i c h i n t e g r a t e dt h r e ek i n d so fc o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha l er sc o d e s ，p a c k e ti n t e r l e a v i n g a n dc o n v o l u t i o n a lc o d e st oc o r r e c te r r o r s t h i sm a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h i ss t u d ya r ea s f o l l o w s ： 1 i tu s e sz 2 2 8i m a g ep r o c e s s i n gc h i pt od om p e g 4c o m p r e s s i o nc o d i n gf o rt h ed y n a m i cv i d e o i m a g e st h a tc a p t u r e db yt h ed i g i t a lc a m e r a , a n dc o m p l e t e st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i n go fi m a g e c o m p r e s s i o na n dp l a y b a c k 2 i tr e p r e s e n t st h er sc o d e s ，p a c k e ti n t e r l e a v i n g ，c o n v o l u t i o nc o d e s e n c o d i n ga n dd e c o d i n g p r i n c i p l e s ，p r o v i d e st h ed e s i g np r o j e c to ft h ew h o l ec h a n n e l se n c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l ea n d d e v e l o p sar e a l t i m ec h a n n e lc o d e cb yu s i n gx i l i n x sx c 3 s 2 g 0 0c h i p 3 i th a sr e s o l v e dt h ee n c o d e rb i tr a t em a t c h i n gp r o b l e r nb ys e t t i n gar e c e i v i n gb u f f e ri nt h e e n c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l e t h r o u g ht h er sd e c o d i n gp r o c e s si ti m p r o v e st h ed e c o d i n ge f f i c i e n c y b ya p p l y i n gt h ep i p e l i n i n gm e c h a n i s m 4 i nt h ev i t e r b id e c o d e rd e s i g n i n g ，i ta d o p t st h en e wa c sd e s i g n i n gm e t h o dt oa v o i dt h e b r a n c h i n gm e a s u r e s o v e r f l o wa n dr e d u c et h ec o n s u m p t i o no fh a r d w a r er e s o u r c e s t h e ni nt h e d e c o d e ro u t p u tu n i ti tt a k e sa ni m p r o v e dw a c e b a c km e t h o d , u s i n g4r a mt ot r a c e b a c ka tt h es a m e t i m e ，i m p r o v i n gt h ed e c o d i n gr a t e 5 i tc a s c a d e st h ei m a g ec o m p r e s s i o ne n c o d i n ga n dd e c o d i n gm o d u l e ，2 - c h a u n e lc o d e ca n dt h e d a t af l a m ep r o c e s s o rt of o r mab a s e b a n dp r o c e s s o rp l a t f o r mf o rt h er e a l - t i m ei m a g et r a n s m i s s i o n s y s t e m ，a n dc o m p l e t e sa l lt h eh a r d w a r e sd e s i g n i n ga n df p o a - c h a n n e le n c o d i n ga n dd e c o d i n g a l g o r i t h m ss o f t w a r ed e s i g n i n g i nt h ep r o j e c t ，t h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e dt h r o u g hm a k i n gf p g a s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nt h eb a s e b a n dp r o c e s s i n gu n i to f9 3 6 cr e a l t i m ei m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m ， 南京航空航天人学硕士学位论文 一_ 一 a n dt h ed a t at h r o u g h p u tr a t eo fc h a n n e lc o d e cr e a c h e st o lo o m b p s i nt h ew h o l es y s t e m t e s t ，t h e b a s e b a n dp r o c e s s i n gu n i t sp r o p e r t ym e e t st h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n ，r sc o d e s ，p a c k e ti n t e r l e a v i n g ，c o n v o l u t i o nc o d e s ，f p g a 基于f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应用 目录 第一章绪论l 1 1 数字通信系统。l 1 1 1 数字通信系统模型l 1 1 2 课题研究背景2 1 2 纠错码技术的发展4 1 3 可编程逻辑器件的发展4 1 4 论文的研究内容以及结构安排5 第二章基于a r m 的图像处理模块的硬件实现7 2 1 基于a r m 的图像处理电路的硬件平台设计7 2 1 1a r m 的功能和结构7 2 1 29 3 6 c 实时图像处理电路的硬件实现8 2 2m p e g 4 视频编码技术特点1 l 2 3 图像压缩解压缩，传输及回放的流程1 l 2 3 1 图像压缩与解压缩器的结构和工作流程1 1 2 3 2 图像压缩与解压缩数据的传输和回放1 2 2 4 本章小结1 3 第三章外码r s 码编译码的原理与硬件实现1 4 3 1 纠错码的基本概念1 4 3 2r s 码的编译码原理1 5 3 2 ir s 码的编码原理1 5 3 2 2r s 码的译码原理1 5 3 3 r s 码编译码器的硬件实现：1 9 3 3 1r s 码的编码器的硬件实现1 9 3 3 2r s 码的译码器的硬件实现2 l 3 4r s 码编译码器的仿真测试2 8 3 4 1 编码器的测试和仿真结果2 8 3 4 2 译码器的测试和仿真结果3 0 3 5r s 码译码器的性能分析3 2 3 5 1 译码器的流水线分析3 2 南京航空航天大学硕士学位论文 3 5 2 译码器的资源利用率和时序分析3 3 3 6 本章小结3 4 第四章 交织器与去交织原理和硬件实现3 5 4 1 交织器的算法研究3 5 4 2 交织器的f p g a 硬件实现3 6 4 3 交织器与去交织器的仿真测试与性能分析3 7 4 3 1 交织器与去交织器的仿真测试3 7 4 3 2 交织器与去交织器的性能分析3 8 4 4 本章小结3 8 第五章 内码卷积码的编译码原理与硬件实现4 0 5 1 卷积码的基本概念4 0 5 2 卷积码的编译码原理4 3 5 3 卷积码的编译码器的设计实现4 5 5 3 1 卷积码编码器的硬件实现4 5 5 3 2 卷积码译码器的硬件实现4 5 5 4 卷积码的编译码器的仿真测试5 0 5 4 1 卷积码编码器的仿真测试5 0 5 4 - 2 卷积码译码器子模块的仿真测试5l 5 4 3 卷积码译码器的整体仿真测试 5 5 卷积码译码器的性能分析5 4 5 6 本章小结5 5 第六章信道编解码器在9 3 6 c 实时图像传输系统中的应用5 6 6 1 级联编译码器的连接5 6 6 1 1 级联编码器的连接5 6 6 1 2 级联解码器的连接6 0 6 2 信道级联编解码器的性能分析6 l 6 2 1 信道级联编码器的性能分析6 l 6 2 2 信道级联解码器的性能分析6 2 6 3 信道编解码器的硬件设计6 2 6 - 3 1 f p g a 的结构和器件选型。6 2 6 3 2f p g a 的设计6 4 6 3 3 实现信道编解码器的f p g a 硬件电路设计6 5 基于f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应用 6 4 图像传输系统的基带处理平台的测试6 9 6 4 1 图像传输系统的基带处理平台的测试系统6 9 6 4 2 图像传输系统的基带处理平台的测试结果6 9 6 5 本章小结7 2 第七章总结和展望7 3 参考文献7 5 致谢7 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 图3 1 图3 2 图3 2 图目录 数字通信系统的基本模型1 9 3 6 c 实时图像传输系统的结构框图3 z 2 2 8 处理器的系统结构框图8 图像处理电路的硬件结构框图8 视频采集模块的硬件设计框图9 f l a s h 与a r m 处理器的连接框图1 0 s d r a m 与a r m 处理器的连接框图1 0 a r m 处理器与视频压缩相关的模块结构图1 2 尼s ( 咒，后) 系统编码器的码字结构1 9 尼s 伽，后) 系统编码器的硬件实现结构2 0 r s 译码器的结构框图一2 2 通用伴随式计算的硬件结构框图2 2 的滤波器硬件实现结构一2 3 钱搜索模块的硬件实现框图2 5 q ( 功计算模块的硬件实现框图2 6 t = 1 6 时人。( z ) 的硬件实现框图2 6 f o m e y 算法及误码校正模块的硬件框图2 7 r s 译码器的子模块连接框图2 8 r s ( 2 5 5 2 2 3 ) 编码器模块的顶层原理图2 9 r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 编码器仿真图形：一3 0 r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 编码器的前端输入数据波形图3 0 r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 编码器的校验位输出波形图：3 0 无错误码字的伴随式计算输出时序图3 0 有错误码字的伴随式计算输出时序图3 l r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 模块的项层原理图3 l r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 译码器输入含错误码字的时序图3 2 r s ( 2 5 5 ，2 2 3 ) 译码器的纠错输出时序图3 2 优化后的r s 译码器的流水线示意图一3 3 实现r s 译码器的f p g a 的资源利用率3 3 基于f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应用 图3 2 2r s 译码器的时序分析报告3 3 幽4 1 分组交织器的读写方式3 5 图4 2 交织器的结构框图3 6 图4 3交织器的顶层原理图3 7 图4 4 交织器的仿真时序图3 7 图4 5去交织器的仿真时序图3 8 图4 6 实现交织器或去交织器的f p g a 资源利用率3 8 图4 7 交织器或去交织器的时序分析3 8 图5 1 卷积码( n ，m ，k ) 的一般结构4 0 图5 2( 2 ，1 ，2 ) 编码器结构4 l 图5 3( 2 ，l ，2 ) 卷积码编码器的状态图4 l 图5 4 ( 2 ，l ，2 ) 码的码树图4 2 图5 5 ( 2 ，l ，2 ) 码l = 5 时的篱笆图4 3 图5 6v i t e r b i 译码器在篱笆图上的译码过程4 4 图5 7 ( 2 ，l ，7 ) 卷积码编码器结构图4 5 图5 8 卷积码译码器的结构框图4 6 图5 9 分支度量计算单元的硬件电路结构4 7 图5 1 0a c s 蝶形运算单元框图4 8 图5 1 l加比选蝶形运算单元的电路结构4 8 图5 1 2a c s 单元中的比较器的电路结构4 9 图5 1 3 回溯单元结构图4 9 图5 1 4 ( 2 ，l ，7 ) 卷积码的回溯译码单元结构图5 0 图5 1 5 卷积码编码器的顶层原理图5 1 图5 1 6 卷积码编码器的仿真图形5 l 图5 1 7 译码器蝶形运算单元的顶层原理图。5 2 图5 1 8 译码器蝶形运算单元的仿真图形5 2 图5 1 9 卷积码译码器的回溯译码的控制模块的顶层原理图5 2 图5 2 0 卷积码译码器的回溯单元的仿真图形5 3 图5 2 1 卷积码译码器的顶层原理框图5 4 图5 2 2 卷积码译码器的仿真图形5 4 图5 2 3实现卷积码译码器的f p g a 的资源利用率5 5 图5 2 4 卷积码译码器的时序分析报告5 5 v i i i 南京航空航天大学硕士学何论文 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 l 图6 2 2 图6 2 3 图6 2 4 信道级联编码器的连接框图5 6 s p i 时序图5 7 双口黜蝴的状态转移图5 7 r s 编码器的状态转移图5 8 加入帧同步标志的状态转移图5 9 系统发送端的交织器的数据输出时序图5 9 信道解码器的结构框图6 0 帧同步检测控制状态机状态图6 0 系统接收端的去交织器的数据输出时序图6 l 实现信道编码器的f p g a 资源利用率6 l 信道编码器的时序分析报告6 l 实现信道解码器的f p g a 资源利用率6 2 信道解码器的时序分析报告6 2 f p g a 的结构框图6 3 f p g a 的设计流程6 5 f p g a 的主模式配置电路6 6 7 4 l 、 c 4 2 4 5 结构示意图6 7 f p g a 与p c 机的连接框图6 8 串口电路图6 8 p c 机端的测试平台6 9 使用卷积码纠错的传输系统的性能测试图7 0 使用级联码纠错的传输系统的性能测试图7 0 加入干扰后的图像7 l 经过信道译码纠错后的恢复图像7 1 基tf p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的麻刚 x b e r 帆 b p s k f i f o f p g a d s p e d a h d l k w g n 注释表 b i te r r o rr a t e s i g n a lt on o i s er a t i o b i n a r yp h a s es h i f tk e y f i r s ti nf i r s to u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 误比特率 信噪比 二相移键控 堆栈 现场可编程逻辑门阵列 数字信号处理 电子设计自动化 硬件描述语言 加性白高斯噪声 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 数字通信系统 1 1 1 数字通信系统模型 第一章绪论 通信的目的是要把对方不知道的信息及时可靠地传送给对方，因此，这就要求一个通信系 统传输信息必须快速且可靠。在数字通信系统中快速与可靠往往是一对矛盾。若要求快速，则 必然使得每个数据码元所占的时间缩短，波形变窄，能量减少，从而在受到干扰后产生错误的 可能性增加，传送消息的可靠性降低。若要求可靠，则使得传送消息的速率变慢。因此，如何 较合理地解决速度与可靠性这个矛盾是一个通信系统的关键问题之一。所有的数字通信系统如 通信，雷达，遥控遥测等都可以归结成图1 1 所示的模型1 1 2 1 。 图1 1 数字通信系统的基本模型 从图1 1 可以看出一个完整的数字通信系统由九个部分组成：信源，信源编码器，信道编 码器，数字调制器，信道，数字解调器，信道解码器，信源解码器，信宿。信源的功能是将信 息传送出去，其输出可以是模拟信号，也可以是数字信号。由信源产生的信息经信源编码器变 换成二进制数字序列。理论上，应当用尽可能少的二进制的数字表示信源输出。换句话说，我 们要寻求一种把信源的输出有效地变化成二进制序列的处理过程，该过程称为信源编码或数据 压缩。由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列，它被传送到信道编码器中。 由于信道中的各种噪声和干扰的存在，使数字通信系统中的接收机接收到的数据存在误码 的情况，所以由信源编码器输出的二进制信息序列，需要传送到信道编码器中。与信源编码器 的解相关作用相反，信道编码器是对信源编码器输出的离散信息序列适当地增加冗余度( 或相 关性) ，使接收机的信道解码器具有自动纠错能力，以降低比特( 或符号) 误码率。这些冗余位 的作用就是减少信号在信道传输时所遭受的噪声和干扰的影响，从而提高接收数据的可靠性。 信道编码器输出的数字信号通常不适合直接在信道中传输，而数字调制器的作用就是将信 基于f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应用 道编码器输出的二二进制序列转换成适于信道传输的信号波形，即完成二进制数字0 映射成波形 最( f ) ，而二进制数字l 映射成波形s ( f ) ，简单地说就是将2 7 进制数字映射成波形。 信道的功能是承载和存储信息，它包括从调制器输入到解调器输出的所有硬件设备、传输 媒质和存储媒质。硬件设备中存在热噪声和各种非线性失真，传输媒质会引起各种自然和人为 的干扰，存储媒质则容易受到损伤。由于上述种种因素，使得到达接收端的信号不可避免地产 生失真，从而使解调器的输出出现错误。有时为了分析方便，把导致接收信号失真的各种干扰 和噪声从信道中分离出来，等效为图1 1 中的噪声源。 在接收端，解调器通常输出q 进制( q 2 ) 数字信号或模拟信号作为对受到噪声和干扰损 伤的接收信号的估计，随后信道解码器输出共同估计发送端所传送的信息。如果将解调器的输 出量化成两个电平，那么我们称之为硬判决解调，相应的译码过程称为硬判决译码。反之，如 果将解调器的输出量化成q 个( q 2 ) 电平，我们称之为软判决解调，与软判决解调相应的译 码过程为软判决译码。由于硬判决解调通常会造成信息不可逆转的损失，因此对性能要求较高 的通信系统一般均采用软判决解调。信道解码器根据信道编码器所使用的码的知识以及接收数 据所含的冗余度重构初始信息序列。 1 1 2 课题研究背景 众所周知，人类获取信息的途径是多种多样的，其中信息通过图像方式进行传输，尤其是 动态的视频图像信号，可以使人获得更加真实的视觉信息。而随着通信业务的增加，视频图像 通信已获得非常广泛的应用。一个实时的图像传输系统面临着视频图像的传输数据量过大的问 题。比如要传输一段视频图像数据，假设图像的大小是6 4 0 * 4 8 0 像素，每个像素是8 比特编码， 视频图像的播放速度为2 5 帧秒，这样传输系统每秒就需要传输近6 0 兆比特的图像数据，因此 图像数据必须要经过压缩处理，以便后续的存储和传输。压缩后的数据无论是通过有线信道或 是无线信道传输，都不可避免会受到通信系统内外各种噪声的干扰，使得接收到的图像数据不 可避免地出现差错。这些误码会使图像产生马赛克现象，因此在实时的图像传输系统中需要加 入实时纠错编解码器，通过在发送端对压缩后的图像数据增加冗余数据，以便于在接收端纠正 传输过程中造成的误码，这样就可以避免出现图像的马赛克现象。 整个9 3 6 c 实时图像传输系统的结构框图如图1 2 所示。本课题所设计的数字通信系统是无 线实时图像传输系统中的基带处理平台，整个基带处理平台的结构框图如图1 2 中的大方框内 所示。该基带处理平台的发送端是由微型摄像头，图像压缩电路和信道级联编码器组成，而接 收端则由信道级联解码器，图像解压缩电路和终端l c d 显示部分组成。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 29 3 6 c 实时图像传输系统的结构框图 在实时图像传输系统中，采集的图像数据的原始质量是非常重要的。该系统中微型摄像头 采用的是s t 意法半导体公司的v s 6 6 2 4 照相机模块，像素尺寸3 0 u m ，1 3 寸光学格式。它具 有像素缺陷校正，锐化增强，灰度校正和色彩空间转换等方面的特点，保证嵌入式图像处理器 能够获取最出色的画质。利用先进的消除黑角算法和自动白平衡技术，它可以在变化的光线条 件下支持最高质量的色彩还原，支持多种输出格式，而且它的安装空间要求很低，集成灵活性 很高。 一 图像压缩与解压缩电路采用的是主频为2 6 6 m h z 的a r m 9 2 6 e j 处理器内核的z 2 2 8 图像处 理芯片，它集成了一个支持m p e g 4 格式的视频硬件全双工编解码器，能同时以3 唧s 的帧率录 制和回放高达6 4 0 * 4 8 0 分辨率的视频，内置的l c d 控制器能支持高达8 0 0 * 6 0 0 分辨率的真彩色 液晶显示。处理器具有丰富的硬件接口，可以构建个性化解决方案。 信道编解码器是在f p g a 平台上实现的。本课题中采用的信道编解码的方式是级联码方式。 该级联码采用由卷积码，r s 码以及交织技术组成的级联信道编码方案。交织方法采用分组交织， 其中交错深度为5 级。级联编码的系统框图如图1 2 中的小方框内所示。在交织器输出和卷积 码编码器输入中间需要对数据进行打包，并对数据包进行同步标认。这里采用在数据包前加入 帧同步标志字节，采用的帧同步标识的长度为3 2 比特。将打包后的数据经过并串转换后，送入 卷积码编码器中完成内码卷积码的编码，编码后连续的码流通过调制器后进行无线传输。而在 系统的接收端，解调后的数据在完成v i t e r b i 译码后进行串并转换，同时进行帧同步标志的检测。 当检测到帧同步标志有效时，开始接收一个定长的数据包，同时开始进行去交织和r s 译码， 完成整个信道的译码工作，最后将译码后的数据传输给图像解压缩电路进行图像解压缩处理和 终端显示。在系统中，图像压缩电路与信道编码器以及图像解压缩电路与信道解码器之间都是 通过s p i 串口进行通信的。 3 基于f p g a 的级联编译码模块在9 3 6 c 图像传输系统的应，【 j 1 2 纠错码技术的发展 可靠性是通信系统的一个重要指标，一般来说，通信信道都是有噪声的，它会对传输信息 产生干扰，降低通信的可靠性。信道编码是伴随着现代数字通信理论发展起米的一门信息学科， 其作用是纠正数字通信中由于信道的各种噪声带来的影响。提高通信系统可靠性的一个主要方 法就是正确应用信道编码，如采用纠错编码。信道编码以某种方式引入冗余比特，克服信息传 输中受到的噪声和干扰的影响。s h a n n o n 指出只要以小于这个信道容量的速率在信道里传输信 息，传输错误概率就可以任意小【3 l 。但是s h a n n o n 给出的信道编码定理只是一个存在的证明， 因此真正使用的码还需要人们采用其他方法继续努力寻找。特别是近年来，国内外在寻求用于 各类噪声信道上有效与实用的编码方案方面以及在编解码的实现和实际应用上进行了大量的研 究。r s 码是由r e e d 和s o l o m o n 于19 6 0 年在论文“p o l y n o m i a lc o d eo v e rc e r t a i nf i n i t ef i e l d s ” 中所提出的，尽管1 9 6 1 年已经存在了可行的r s 码译码算法，即p g z 算法，但是无论是当时 还是现在，该算法的复杂性都不适合通过数字电子技术来实现。然而到了1 9 6 5 年，由 e b e r l e k a m p 提出的有效译码算法最终为r s 码的实际应用扫清了最后的障碍。 卷积码是e l i a s 等人在1 9 5 5 年提出的，是一种非常有前途的编码方法。尤其是在最大似然 译码算法_ t e r b i 译码算法提出之后，卷积码在通信系统中得到了极为广泛的应用。卷积码已 经成为商业卫星通信系统中的标准编码方法，在许多太空探测器上也都采用了卷积码作为其差 错控制编码方法。 f o m e y 予1 9 6 6 年基于分级编码的概念提出了级联码( c o n c a t e n a t e dc o d e s ) 编码方案。其基本 思想是将编译长码的过程分级完成，从而通过用短码级联构造长码的方法来提高纠错码的纠错 能力。构成码以顺序方式进行编码和译码。一个短长度信道编码的译码错误概率可能比较高， 但是它不仅能改变错误分布，而且能有效增加信号的接收信噪比。事实上它提供了一个信道容 量较大的等效信道，在此基础上再进行一级编码，则期望能实现有效而且可靠的通信【4 1 。当有 了有效的算法后，其应用又受限于v l s i 设计水平，不过随着近年来f p g a 的发展，纠错码技 术的发展也越来越迅速。 1 3 可编程逻辑器件的发展 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从小规模集成电路( s s i ) ，中规模集成电 路( m s d ，大规模集成电路( l s i ) ，超大规模集成电路( v l s i ) 逐步发展到专用集成电路( a s i c ) ， a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸，但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种 更灵活的设计方法，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入 使用，这就提出了可编程逻辑器件的基本思想【5 】。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 可编程逻辑器件随着微电子制造j l j 艺的发展取得了长足的进步。从早期的只能存储少量的 数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器( p r o m ) ，紫外线可擦除只读存储器( e p r o m