BCH编解码器的设计和实现

1、【题目介绍】我们小组做的题目是BCH编解码器的设计和实现。系统分为四部分：1 单片机串并变换2 (7，4)BCH编码器3 FSK调制发射和FSK解调4 (7，4)BCH解码器首先，计算机通过串口向单片机发送串行ASCII码数据，单片机把这些串行数据进行串并变换后，把每个8位的ASCII码并行送入 (7，4)BCH编码器，8位并行数据在编码后变为14位的串行数据，FSK调制模块将编码后的数据发射，然后解调模块进行接收(中途没有经过无线信道，因为无法模拟)，解调后得到编码后的数据，送给(7，4)BCH解码器进行解码，然后解码器将解码得到的8位ASCII码送给单片机，单片机将并行ASCII码进行并串

2、变换后，将串行数据送入计算机串口，这时，在屏幕上将显示接收到的ASCII码。【分工】【编码模块原理】 编码方式：将信息码多项式i(x)升n-k次幂后除以生成多项式g(x)，然后将所得余式置于升幂后的信息多项式i(x)之后。可以用下式表示： r(x)为监督码多项式 系统循环码多项式为： 要得到监督位，关键要进行多项式除法，可以用带反馈的线性移位寄存器来实现。u (n, k)BCH码生成多项式g(x) = 1 + g1x + g2x2 + . + gn-k-1xn-k-1 + xn-k （n，k）BCH码编码电路：若前n-k次移位只是用于将信息码元输入移位寄存器，还需n-k次移位才能输出监督码元，

3、其间存在n-k位间隙。通过时钟控制开关可以使编码过程流畅，不存在时间间隙。编码器的开关动作如下：Ø 1 到k个时钟节拍，信息比特直接输出（S2 置于2）同时计算余式监督码，每当一个“1”移出寄存器进入反馈线，相当于从被除式中减去除式。 Ø k+1到n个时钟节拍，监督码位输出（S2 置于1），断开移位寄存器的反馈线（S1-off） Øu (7, 4)BCH码生成多项式g(x) = 1 + x + x3 一次编码过程产生4位信息码元和3位监督码元，3位监督码指示的8种校正子图样中，一种代表无误码，其余7种能纠正一位误码。（7，4）BCH码编码电路：编码器的开关动作如下

4、：Ø 1 到4个时钟节拍，信息比特直接输出（S2 置于2）同时计算余式监督码。Ø 5到7个时钟节拍，监督码位输出（S2 置于1），断开移位寄存器的反馈线（S1-off） Ø【编码模块系统框图】 clk 时钟节拍 reset 是来自单片机的数据有效信号(脉冲信号) din_v7.0 是单片机向FPGA发出的并行信号 dout 是编码后的串行信号，头三位为高电平帧信号 当reset的上升沿到来时，读取单片机发出的并行数据信号din_v7.0，首先产生3位高电平信号送至dout。 然后启动编码电路，8位信息码分两组进行编码，历时14个时钟节拍，加上帧信号共17个时钟节拍

5、。 u reset 信号上升沿的识别reset上升沿的识别捕捉是启动编码过程的关键，若采用同于捕捉时钟信号上升沿的方法（if reset event and reset=1），会导致上升沿的嵌套捕捉，不能通过编译。用两路信号Q1,Q2分别在时钟的上升沿和下降沿采集reset信号Process beginWait until clk'event and clk='1'Q1<=reset;End process;Process beginWait until clk'event and clk='0'Q2<=reset;End proce

6、ss;判断reset 上升沿的标准是(Q1 xor Q2)='1') and reset='1' 即Q1,Q2不等且reset='1'时。Reset 上升沿出现在时钟的高电平，Q1,Q2不等状态恰好卡住时钟信号上升沿Reset 上升沿出现在时钟的低电平Q1,Q2不等状态卡住时钟信号下降沿编码的控制信号往往是要靠reset 上升沿起动，而后在时钟沿时有相应动作。倘若要先判断时钟沿的来临（比如上升沿），再判断是否有Q1,Q2不等的状态，有一半的概率会捕捉不到reset 上升沿，因为显然Q1,Q2不等状态以0.5的概率卡住时钟信号下降沿。为了使判断Q1

7、,Q2状态不受到时钟沿的限制，要先判断是否有Q1,Q2不等的状态，然后判断时钟沿的来临。If(Q1 xor Q2)='1')and reset='1')then 。Elsif (clk'EVENT and clk=1) then 。End if;u din_v7.0并行信号转换成编码电路的串行输入从单片机送入FPGA的是8位并行信号，为了满足移位寄存器的串行操作。必须转换成串行信号。在编码过程的每个时钟节拍，8位信号逐次向前移位，取出头位，即为串行信号移位条件：信息码输出时移位If (Q1 xor Q2)='1') and reset=1

8、) thenbufferv<=din_v;Elsif (clk'event and clk='1') then If (workk=1) then If (vdin=1) then bufferv (6 downto 0)<=bufferv (7 downto 1); end if；End if;End if;u 帧头信号的产生由于从单片机发过来的并行数据是一帧一帧间断的，dout不是一直都输出有效编码信号，为了使解码器能够识别出每一帧，必须在有效编码信号前添加一个“帧头”。采取的“帧头”是连续发三个“1”，然后是14个时钟节拍的编码输出信号。dout帧头c

9、ountt帧头节拍用一个计数变量countt 控制三个节拍的帧头reset上升沿来到时，countt就开始启动计数，由于电路的反馈作用，countt的初值不是“000”故选用了“011”“100”“101”这三个状态dout输出高电平。在时钟下降沿的时候对countt进行计数，在时钟上升沿的时候利用count状态来判断相应操作。If (Q1 xor Q2)=1) and reset=1) then countt<="001" flag1<='1' /flag1 表示countt计数已启动 Elsif (clk'event and clk=

10、'0') then If (flag='1' and flag1=1) then countt<=countt+1; End if; If (countt="101") then countt<="110" flag1<='0' End if;End if;If (clk'event and clk=1) then Case countt isWhen "001" => flag<='1'When "010" =&

11、gt; flag<='1'When "011" => flag<='1'dout<='1'When "100" => flag<='1'dout<='1' When "101" => flag<='0'。When others => dout<=。; 。End case; End if;u 开关S1 , S2 等控制信号的产生vdin 移位寄存器反馈控制信号vdin=1，构成

12、反馈环，信息码输出vdin=0，断开反馈环，监督码输出workks 编码工作信号 workks=1，编码的14个节拍中 workks=0，其余 帧头信息码0001 监督码011 输入的串行信号为00010001，得到信息码0001。监督码011，不编码期间dout=0 cout 是循环周期为7的计数信号，1，2，4，3节拍输出信息码，6，7，5节拍输出监督码。【解码模块系统框图】在这个大实验中，我主要负责了(7，4)BCH解码器的实现，下面我也主要做关于解码器的总结。【理论介绍】该BCH译码器实际上是基于错误图样识别的译码器，也叫做梅吉特译码器，它的原理图如下所示：错误图样识别器是一个具有n-

13、k各输入端的逻辑电路，原则上可采用查表的方法，根据校正子找到错误图样，利用循环码的特性可以简化识别电路。梅吉特译码器特别适合纠正t<=2个随机独立错误的纠错码。(7,4)循环汉明码的生成多项式是，相应的梅吉特译码器如下图所示：但是由于这种电路译一组码共需2n个节拍，必须等第一组码元移出缓存器后才能接收第二组，因此只能间歇的工作，为了使译码连续，实际电路必须再加以个校正子计算电路，；两个除法电路并联，交替工作。(7，4)循环码完整译码器电路如下图所示：Ø 解码器各门的状态和时钟节拍的关系门1：clk 在1-5 、8-12、15-18时处于打开状态，表示输入的数据打入缓存门2：cl

14、k在8-12 15-18时处于打开状态，表示选通第一路做校正子计算门3：为门2的反，表示选通第二路做校正子计算门4：clk在1-8 15-18时处于打开状态，表示选择第一路的校正子用于校正运算门5：为门4的反，表示选择第二路的校正子做校正运算Ø 帧识别问题由于从单片机发过来的并行数据是一帧一帧的，为了使解码器能够顺利的识别出每一帧，必须在编码之后，每个帧前面添加一个“帧头”以便于解码器准确的探测帧。在这个实验中，我们采取的“帧头”就是在信息数据前面连续发三个“1”，这样，在解码端，在探测帧的时候，发现连续的三个“1”，则认为有一个帧到来。经过FPGA的仿真，帧识别问题可以通过这种方法

15、成功的解决。软件仿真的结果：输入有一位误码时：可见，对于一位误码情形，(7，4)BCH解码器能够正确的纠错。附录：解码器源程序(VHDL)library IEEE;use IEEE.std_logic_1164.ALL;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity decoder isport (clk,din: in std_logic; dout: out std_logic_vector(7 downto 0); ready:out std_logic);end decoder;architecture decodera of decoder issign

16、al buf: std_logic_vector(3 downto 0 );signal gate1, gate2, in_b,out_b,enable,dout1,dout2: std_logic;signal s1,s2:std_logic_vector(2 downto 0);signal out_buf:std_logic_vector(7 downto 0);signal din_buf:std_logic;-串行输入数据的寄存器signal detect_buf:std_logic;begindetect_buf<=din;ready<=enable;-4级缓存器cac

17、he:process(clk)beginwait until clk'event and clk='1'if enable='1' then din_buf<=din;if in_b='1' thenbuf<=buf(2 downto 0) & din_buf;end if;end if;end process cache;-校正子计算电路syndrome: process (clk)begin wait until clk'event and clk='1'if enable ='1&

18、#39; then-如果gate1为1，则选通第一路if gate1='1' thens1(0)<=s1(2) xor din_buf;s1(1)<=s1(0) xor s1(2);s1(2)<=s1(1);s2(0)<=s2(2);s2(1)<=s2(0) xor s2(2);s2(2)<=s2(1);elses2(0)<=s2(2) xor din_buf ;s2(1)<=s2(0) xor s2(2);s2(2)<=s2(1);s1(0)<=s1(2);s1(1)<=s1(0) xor s1(2);s1(2

19、)<=s1(1);end if;end if;end process syndrome;output:process(clk)beginwait until clk'event and clk='1'if out_b='1' thencase gate2 is when '1'=>out_buf<=out_buf(6 downto 0)&(s1(0) and (not s1(1) and s1(2) xor buf(3);when others=>out_buf<=out_buf(6 downto 0

20、)&(s2(0) and (not s2(1) and s2(2) xor buf(3);end case;end if;end process output;-采集帧以及设置各个门的进程clock: process(clk)variable count:integer range 0 to 20;variable shit:integer range 0 to 2;beginwait until clk'event and clk='1'-探测帧,设置enable信号 -探测到帧时，将计数器清零，准备计数if enable='0' thenif

21、 detect_buf='1' thencase shit iswhen 0 => shit:=1;when 1 => shit:=2;when 2 => shit:=0;enable<='1'end case;else shit:=0;end if;count:=0;gate1<='1'gate2<='1'in_b<='1'out_b<='0'else case count iswhen 4 =>in_b<='0'when

22、 7 => in_b<='1'out_b<='1'gate1<='0'when 11 =>in_b<='0'gate2<='0'out_b<='0'when 14 =>in_b<='1'out_b<='1'gate1<='1'when 19 =>count:=0;in_b<='0'out_b<='0'dout<=out_buf

23、;enable<='0'when others => count:=count;end case;count:=count+1;end if;end process clock;end decodera;【单片机接口】单片机用于实现电脑（串口）与FPGA（并口）之间的数据通信。主要利用了8051单片机的串行口方式1的收发功能。端口设置：P3.0（RXD）：串口收（自电脑串口）P3.1（TXD）：串口发（向电脑串口）P0.0：给FPGA的数据有效信号（电平翻转时刻取数据）P1：并口发（向FPGA）P0.1：自FPGA的数据有效信号（电平翻转下降延取数据）P2：并口收（

24、自FPGA）串口通信的波特率设置为1200b/s，对于时钟振荡频率为11.059MHz的单片机，定时器T1工作在模式2，初值为E8H。串行口控制字SCON50H。即采用方式1、SM20、REN1、TIRI0。接收电脑的串口数据采用中断方式，向电脑串口发送数据采用查询方式。具体的，从电脑串口到FPGA并口的通信：RXD口（P3.0）一直接收来自电脑串口的数据（SCON寄存器中REN位置1），每收完一帧数据（收到9位数据），则将收到的前8位数据装入串行口的SBUF寄存器，最后一位作为停止位存入RB8（SCON.2），并置位RI。RI1后，进入中断服务程序。在判断引起中断位为Ri后（否则，Ti清0，

25、中断返回），Ri清0，将串行口的缓冲寄存器SBUF寄存器中数据发到P1口，一定延时后（确保FPGA取走数据有效），P0.0口电平翻转，中断返回。至此从电脑串口到FPGA并口的一帧数据通信完成，等待下一次RI1，开始下一次通信过程。从FPGA并口到电脑串口的通信：单片机主程序一直循环检测P0.1口电平，当电平变为0且之前电平为1时，将P2口数据发到单片机串行口寄存器SBUF中，单片机自动开始向电脑串口发送一帧串行数据及存在RB8（SCON.2）中的停止位。至此从FPGA并口到电脑串口的数据通信完成，程序继续循环检测P0.1口电平 主程序流程图 中断服务程序流程图org 0000h ajmp ma

26、in org 0023h ajmp sbr1 org 0150H main: mov tmod,#22h ;串口初始化 mov tl1,#0e8h mov th1,#0e8h mov pcon,#00h mov scon,#50h setb tr1 setb ea setb esloop: jnb p0.1,$ jb p0.1,$ ;判断P0.1口下降沿 mov sbuf,p2 ;从P2口收并口信号 sjmp loop org 0200hsbr1: jb ri,sin clr ti retisin: clr ri mov p1,sbuf ;p1口发并口信号 mov r0,#10h ;延时 dj

27、nz r0,$ cpl p0.0 ;P0.0口电平翻转 reti end【FSK调制与解调】1FSK调制FSK是最简单的一种数字调制手段。通常调制信号为一列串行码流，根据每时刻信息比特的取值不同，输出不同频率的波形。最简单的做法是：输入调制信号为S（n），S（n）1时，输出一个频率的方波；S（n）0时，输出另一频率的方波。VHDL代码为：RF<=(Din and Freq_h) or (not Din) and Freq_low);其中Din为输入调制信号，Freq_h为频率较高的一方波，Freq_low为频率较低的一方波，RF为以调波输出。2FSK解调FSK解调也十分方便。我采取的作法

28、是：以欲解调信号的时钟周期为周期，对接收到的FSK信号进行计数，若该周期内计数结果小于门限，则认定该周期为0码，否则为1码。VHDL代码为：（包括调制部分）library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity FSK_send is port (Din:in std_logic;Freq_h:in std_logic;Freq_low:in std_logic;FSK_out:out std_logic;S_clk:in std_logic;clr:out std_logic;Dout:o

29、ut std_logic );end FSK_send;architecture Module of FSK_send issignal RF:std_logic;signal S_clkh:std_logic;signal S_clkv:std_logic;signal S_delay:std_logic;signal clk:std_logic;signal clear:std_logic;signal count:std_logic_vector(4 downto 0);-beginRF<=(Din and Freq_h) or (not Din) and Freq_low);FSK_out<=RF;process(Freq_h,S_clk)beginif(S_clk'event and S_clk='1')then S_clkh&l