信道编码的FPGA实现.docx

1、设计论文 毕业 任务书一、题目 信道编码的FPGA实现二、研究主要内容(1)了解信道编码理论和其发展状况。(2)掌握线性分组码编码原理，并基于MATLAB和FPGA进行实现。(3)掌握Turbo码编码原理，并基于MATLAB和FPGA进行实现。(4)掌握RS码编码原理，并基于MATLAB和FPGA进行实现。三、主要技术指标(1)分别利用MATLAB和Quartus II对同一组随机产生的数据序列进行(7,4)线性分组码编码，并使得编码结果一致。(2)分别利用MATLAB和Quartus II对同一组随机产生的数据序列进行Turbo码编码，并使得编码结果一致。(3)分别利用MATLAB和Quar

2、tus II对同一随机产生的数据序列进行RS(10,8)码编码，并使得编码结果一致。 四、进度和要求第1周-第4周 搜集相关资料、复习有关MATLAB和信道编码知识第5周-第6周 查阅资料、选定研究方向、翻译文献第7周-第9周 学习Verilog语言并完成Quartus II软件的下载和安装第10周-第11周 熟悉Quartus II仿真工具的操作、进行试编程第12周-第14周 使用MATLAB和Quartus II完成各种编码的仿真实验第15周-第17周 撰写毕业设计论文及答辩五、主要参考书及参考资料1 田耘，徐文波，张延伟著.无线通信FPGA设计.北京：电子工业出版社，2009.7 2 樊

3、昌信，曹丽娜著.通信原理.北京：国防工业出版社，2006.93 张莲，周登义，余成波著.信息论与编码.北京：中国铁道出版社，2008.4 4 刘皖，何道君，谭明著.FPGA设计与应用.北京：清华大学出版社，2006.65 刘冬华著.Turbo码原理与应用技术.北京：电子工业出版社，2004.16 何秋阳著.基于FPGA的RS编码器的设计与实现.EDN电子设计技术，2009.37 赵琦著.编码理论.北京：北京航空航天大学出版社，2009.3学生 _ 指导教师 _ 系主任 _摘 要信道编码发展迅速，应用越来越广泛，而信道编码的好坏对众多工程技术领域的发展有着重要影响，所以对信道编码的研究工作有着非

4、常重要的意义。本论文从阐述信道编码理论出发，介绍了编码理论的背景和其发展状况；分析了一般编码原理和流程，并着重对线性分组码、Turbo码和RS码编码原理以及编码器设计进行了详细介绍。本文是基于FPGA的信道编码实现。选取三种典型编码方式：线性分组码、Turbo码和RS码分别进行Quartus II平台的仿真实现，为了检验仿真的正确性，在另一种仿真环境-MATLAB下进行验证。并尽量使MATLAB设计与FPGA设计采用相同的设计思想。关键词：线性分组码，Turbo码，RS码，FPGA，MATLABABSTRACTChannel coding used more widely and develo

5、ped rapidly, while channel coding is good or bad on the development of a number of engineering technology have an important impact，so the channel coding research has very important significance.The thesis expounded the theory of channel coding, introduced the background and its coding theory develop

6、ment; analysis of a general coding principles and processes, focusing on linear block codes, Turbo codes and RS coding principle and the detailed design of the encoder.This article is based on FPGA implementation of channel coding. Select the encoding of three typical ways: linear block codes, Turbo

7、 codes and RS codes and Simulate on Quartus II platform separately, to test the accuracy of simulation, verify under another simulation environment - MATLAB. And to make MATLAB&FPGA design use the same design idea.KEY WORDS：Linear block codes, Turbo codes, RS codes, FPGA, MATLAB目 录第一章 绪论71.1本课题的研究意义

8、71.2 FPGA与信道编码81.3本论文研究目的和主要内容8第二章 信道编码简介102.1引言102.2数字通信系统和信道编码102.3信道编码的基本思想和分类122.4信道编码的发展132.5 FPGA简介152.6 FPGA工具简介182.7 FPGA语言(Verilog HDL)简介19第三章 线性分组码编码原理和仿真实现233.1线性分组码简介233.1.1 汉明码233.1.2 循环码243.1.3 BCH码253.2 线性分组码编码原理253.3 线性分组码的MATLAB实现273.4 线性分组码的FPGA实现283.5结论分析31第四章 TURBO码编码原理和仿真实现324.1

9、 Turbo特点和发展现状324.2 Turbo码编码原理334.2.1 Turbo码的编码结构334.2.2 RSC递归系统卷积码354.2.3 Turbo码的交织器364.2.4 Turbo码的截余模块374.3 Turbo码译码原理384.3.1 Turbo码的译码结构384.3.2 MAP算法以及Log-MAP算法、Max-Log-MAP算法394.4 Turbo码编码的MATLAB实现414.5Turbo码编码的FPGA实现424.6结论分析44第五章 RS码编码原理和仿真实现455.1 RS码特点455.2 RS码编码算法465.3 RS码编码器475.3.1 基于乘法形式的RS编

10、码器475.3.2基于除法形式的RS编码器475.4 RS码译码算法495.5 RS码编码的MATLAB实现505.6 RS码编码的FPGA实现525.7 结论分析54第六章 全文总结55参考文献56致 谢57毕业设计小结58第一章 绪论1.1本课题的研究意义信息时代的来临使得高效可靠的数据传输成为一个重要课题。随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现新的通信业务和信息业务，同时用户对通信质量和数据传输速率的要求也在不断提高。从第三代移动通信系统方案来看，普通要求提供中速或高速的数据业务，一般的数据业务信道为64kbps、144kbps、384kbps。3G移动通信系统所提供的

11、业务种类的多样性、灵活性，对差错控制编译码提出更高的要求。但是由于通信信道固有的噪声和衰落特性，信号在经过信道传输到达通信接收端的过程中不可避免会受到干扰而出现信号失真。通常需要采用差错控制码来检测和校正由信道失真引起的信息传输错误。由于差错控制码主要用于实现信道纠错，因此又称为纠错码或信道码。图1.1纠错码的分类最早的纠错控制码主要用于深空通信和卫星通信，随着数字蜂窝电话、数字电视以及高分辨率数字存储设备的出现，信道编码技术的应用已经不仅仅局限于科研和军事领域，而是逐渐在各种实现信息交流和存储的设备中得到成功应用，与我们的生活联系更加密切。可以说，现代信息社会是离不开信道编码技术的，而信道编

12、码技术的好坏决定着这个社会文明的进步速度。1.2 FPGA与信道编码信道编码也就是纠错编码，他是为了降低信息码元的传输误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码技术。信道编码的实现主要可分为软件实现和硬件实现两种，目前主流的是通过可编程逻辑器件的硬件技术来实现。FPGA (Field Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，解决了定制电路的不足和原有可编程器件门电路数有限的缺点。发展迅速，应用越来越广泛，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域都有涉及。信道编码器的作用是在信息序列中嵌入冗余码

13、元，提高其纠错能力，在有限的信号功率、系统带宽和硬件复杂性要求下提高系统的可靠性，因此对硬件速度和精度要求较高。目前主流的FPGA是基于查找表(Look Up Table，LUT)技术的，已经远远超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬块。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成及其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域，用于信道编码器的制作具有很大优势，并且FPGA发展趋势是朝着大容量、低电压、低功耗方向，对于灵巧便携的移动通信系统更是必不可少。并且FPGA在设计阶段，完全由用户通过软件进行

14、配置和编程，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使得硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计周期，提高了实现的灵活性并降低了设计过程中的成本。1.3本论文研究目的和主要内容目前针对信道编解码的研究已经比较成熟，各种新的理论也在不断出现，适用于不同领域的信道编解码方案也在不断推出和完善，诸多成果已经用于实践环节。本论文以信道编码理论为主要研究方向，选取三种典型编码方式线性分组码、RS码和Turbo码进行功能性验证，首先根据上述编码理论进行编码器的结构设计，继而进行硬件仿真，所选用的仿真工具为Xilinx公司的Foundation Series ISE，设计语言选用Viewlogic公司开发的Verilog HDL。最后分别对三种编码方式的仿真结果进行评估和对比。本论文分为六部分：第一章 主要介绍信道编码背景，设计实现和文章概要；第二章 介绍了数字通信系统和信道编码理论及其发展，简要介绍了FPGA和仿真软件及其语言；第三章 研究线性分组码编码理论和设计思想，并进行MATLAB和基于FPGA的仿真实现。第四章 研究Turbo码编码理论和设计思想，并进行基于FPGA和MATLAB的设计以