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用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的高精度傳輸
摘要：詳細(xì)闡述一種利用交錯(cuò)編碼的思想，來(lái)改遠(yuǎn)距離通信質(zhì)量的新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)由FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，能很方便加載到各種單片機(jī)有線或無(wú)線通信系統(tǒng)的收發(fā)接口中。通過(guò)對(duì)發(fā)、收信息的編、解碼處理，增強(qiáng)信息在傳輸過(guò)程的抗干擾能力，以達(dá)到遠(yuǎn)距離高精度傳輸目的。關(guān)鍵詞：FPGA遠(yuǎn)距傳輸高精度交錯(cuò)編碼解碼
1意義
簡(jiǎn)單的多機(jī)間數(shù)據(jù)通信在我們的設(shè)計(jì)中很普遍，一般情況下數(shù)據(jù)傳輸距離很短，不會(huì)超過(guò)百十m，因此僅采用雙絞線加RS232或RS485標(biāo)準(zhǔn)就可以有效傳輸。但有時(shí)多機(jī)之間的距離也會(huì)很遠(yuǎn)，如我們所設(shè)計(jì)的一個(gè)氣象項(xiàng)目，就要求子站遍布在基站1km范圍內(nèi)。因此在考慮成本、不增加很多設(shè)備的前提下，有效防止噪聲干擾，保證子站與基站的數(shù)據(jù)高精確傳輸就很重要。
圖1方案框圖
通常多機(jī)短距通信中，可以在收發(fā)端加入奇校驗(yàn)、累加和校驗(yàn)等出錯(cuò)就重發(fā)的防噪聲措施；但以上措施都只能檢錯(cuò)，不能糾錯(cuò)，也就是說(shuō)傳輸過(guò)程中不能容錯(cuò)。在遠(yuǎn)距離、干擾大、出錯(cuò)概率非常高的情況下，單純的出錯(cuò)就重發(fā)措施會(huì)失去工作效率和意義。因此，我們需要一種能容錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，就要對(duì)數(shù)據(jù)編碼。因此，不同傳輸環(huán)境的噪聲性質(zhì)不相同，對(duì)應(yīng)的編碼方式也不一樣，所以我們?cè)O(shè)計(jì)編碼時(shí)強(qiáng)調(diào)更多位的糾錯(cuò)冗余，以適合較多的環(huán)境，但相應(yīng)地就降低了傳輸速率。另外，出于通用性和簡(jiǎn)易性的考慮，我們的設(shè)計(jì)應(yīng)可直接加載于原有的有線或無(wú)線通信系統(tǒng)上，除數(shù)據(jù)連線外，不需對(duì)原有系統(tǒng)做任何改變。
在此，我們采用了交錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)增加數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的容錯(cuò)能力。編解碼設(shè)備插入加載到通信系統(tǒng)原來(lái)的數(shù)據(jù)收發(fā)端口。因此，微處理器要發(fā)送的數(shù)據(jù)由原先的直接經(jīng)發(fā)送端（無(wú)線通信為調(diào)制器和發(fā)送器）發(fā)送，變?yōu)橄冉?jīng)編碼設(shè)備編碼，然后再經(jīng)原有的發(fā)送端發(fā)送；同理，接收端（無(wú)線通信為接收器和解調(diào)器）收到信息，經(jīng)解碼設(shè)備解碼出數(shù)據(jù)，再傳送給微處理器。
2設(shè)計(jì)方案
為適應(yīng)多種信道，要求我們的設(shè)計(jì)能同時(shí)糾隨機(jī)錯(cuò)和突發(fā)錯(cuò)，并且能有多位的糾錯(cuò)冗余。因此，我們基于常用的卷積碼和循環(huán)碼特性，自定義一種簡(jiǎn)單的線性分組碼作為糾錯(cuò)編碼，以便我們刻意去提高糾錯(cuò)的位數(shù)。同時(shí)我們采用交錯(cuò)發(fā)送技術(shù)來(lái)提高糾突發(fā)錯(cuò)能力，并利用FPGA去實(shí)現(xiàn)該方案。
�。�1）方案的應(yīng)用范圍
我們所設(shè)計(jì)的方案用于遠(yuǎn)距離的多機(jī)通信。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本方案默認(rèn)微處理器收發(fā)的數(shù)據(jù)為8位并行數(shù)據(jù)+1位同步時(shí)鐘，因此提供8位數(shù)據(jù)線和1位同步線。對(duì)于串口，則可增加串行轉(zhuǎn)換的移位寄存器來(lái)轉(zhuǎn)化。
圖3解碼器仿真圖
�。�2）方案的實(shí)現(xiàn)
方案的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。
�、僭谧诱尽⒒镜氖瞻l(fā)端口與微處理器之間分別加入相應(yīng)的編解碼設(shè)備，使得子站與基站間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)編解碼再傳輸，以達(dá)到增強(qiáng)容錯(cuò)的能力。
②用幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)碼字的交錯(cuò)。
③遠(yuǎn)距離傳輸，收發(fā)端最好選用同步方式，但這不是本設(shè)計(jì)的內(nèi)容，不予以討論。
圖4編碼器仿真器
�。�3）基于精度，對(duì)數(shù)據(jù)的每一位單獨(dú)編碼
實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)數(shù)據(jù)精確的定義并非數(shù)據(jù)的完全重合，而是要求某一個(gè)精度。完全重合只對(duì)用做標(biāo)志的數(shù)據(jù)有意義，對(duì)單純計(jì)算用的數(shù)據(jù)并沒(méi)有必要�；诰纫螅@然一個(gè)數(shù)據(jù)信息的高位對(duì)精度影響遠(yuǎn)比低位大（如：FFH，當(dāng)最高位出錯(cuò)變?yōu)?FH時(shí)，精度變化最大，而最低位出錯(cuò)變?yōu)镕EH時(shí)，精度變化最�。Ｒ虼�，我們并沒(méi)有對(duì)8位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整體編碼，而是逐位分開(kāi)進(jìn)行編碼：高數(shù)據(jù)位，采用更長(zhǎng)的編碼，以保證更高的正確率；低數(shù)據(jù)位，則可采用較短的編碼，兼顧效率和設(shè)備容量。具體編碼如表1所列。
表1
8位數(shù)據(jù)最低位（3，1）碼0對(duì)應(yīng)010，1對(duì)應(yīng)101，漢明距3，糾1錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第二位（3，1）碼0對(duì)應(yīng)010，1對(duì)應(yīng)101，漢明距3，糾1錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第三位（5，1）碼0對(duì)應(yīng)01010，1對(duì)應(yīng)10101，漢明距5，糾2錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第四位（5，1）碼0對(duì)應(yīng)01010，1對(duì)應(yīng)10101，漢明距5，糾2錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第五位（7，1）碼0對(duì)應(yīng)0101010，1對(duì)應(yīng)1010101，漢明距7，糾3錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第六位（7，1）碼0對(duì)應(yīng)0101010，1對(duì)應(yīng)1010101，漢明距7，糾3錯(cuò)8位數(shù)據(jù)第七位（9，1）碼0對(duì)應(yīng)010101010，1對(duì)應(yīng)101010101，漢明距9，糾4錯(cuò)8位數(shù)據(jù)最高位（9，1）碼0對(duì)應(yīng)010101010，1對(duì)應(yīng)101010101，漢明距9，糾4錯(cuò)
表2
第1位第2位第3位第4位第5位第6位第7位最高位00100100101001010010101001010100101010100101010101101101101011010110101011010101101010101101010101
對(duì)8個(gè)位遠(yuǎn)逐位編碼，8個(gè)生成矩陣為1維矢量。因此用FPGA實(shí)現(xiàn)編碼時(shí)，采用查表法更方便，如表2所列。
之所以選用010等作為碼字，是因?yàn)?1相間在組合為幀發(fā)送時(shí)，可以減少連0或連1的出現(xiàn)概率。
（4）幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)發(fā)送技術(shù)
為糾突發(fā)錯(cuò)，碼字要按交錯(cuò)格式發(fā)送。因此，用幀實(shí)現(xiàn)碼字的交錯(cuò)，數(shù)據(jù)發(fā)端按幀發(fā)送，數(shù)據(jù)收端按幀解碼。8個(gè)碼字共48位（6字節(jié)），加幀頭2字節(jié)，所以，幀為8字節(jié)。為說(shuō)明幀結(jié)構(gòu)，暫以字母表示碼字各位：
碼字0：a2a1a0;碼字3：d4d3d2ed1d0；
碼字1：b2b1b0;碼字4：e6e5e4e3e2e1e0；
碼字2：c4c3c2c1c0；碼字5：f6f5f4f3f2f1f0;
碼字6:g8g7g6g5g4g3g2g1g0;
碼字7：h8h7h6h5h4h3h2h1h0；
幀結(jié)構(gòu)如表3所列。
圖5糾突發(fā)錯(cuò)仿真圖
利用幀頭1和幀頭2的重合特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)幀頭，因?yàn)榇a字交錯(cuò)發(fā)送時(shí)相鄰兩字節(jié)對(duì)應(yīng)位基本01相間的。由表3可得，第3字節(jié)到第8字節(jié)，相鄰字節(jié)至少有6位不相同。因此可借用漢明距的糾錯(cuò)思想，認(rèn)為幀頭1和2不重合的位在2位以?xún)?nèi)，則表示正確收到幀頭。
表3
幀頭111010100幀頭211010100第3字節(jié)a0c0e0f6f0g0g6h0第4字節(jié)a1c1e2d0f1g1g7h1第5字節(jié)a2c2e2d1f2g2g8h2第6字節(jié)b0c3e3d2f3g3h6h3第7字節(jié)b1c4e4d3f4g4h7h4第8字節(jié)b2e6e5d4f5g5h8h5
3FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)
�。�1）單工條件下的實(shí)現(xiàn)
用兩塊FPGA分別實(shí)現(xiàn)編碼器和解碼器。按前面的編解碼原理，編碼器接收子站8位信息和1位同步，輸出8字節(jié)×8位幀結(jié)構(gòu)編碼作遠(yuǎn)程傳輸，解碼器收到幀結(jié)構(gòu)編碼，輸出8位信息和1位同步給基站。（在實(shí)際應(yīng)用中，子基站兩MPU還要加入通常的累加和檢錯(cuò)或偶校驗(yàn)檢錯(cuò)。因不屬編解碼內(nèi)容，不作討論。）
單工電路原理如圖2。
為檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，假設(shè)輸入信號(hào)為11001010，編碼輸出的幀結(jié)構(gòu)為表4。
表4
幀頭111010100=D4幀頭211010100=D4第3字節(jié)00000111=07第4字節(jié)11111000=FB第5字節(jié)00000111=07第6字節(jié)11111010=FA第7字節(jié)00000101=05第8字節(jié)10111010=BA
編碼器仿真圖如圖3。
同步信號(hào)clk_in上升沿到來(lái)時(shí)，編碼器讀入數(shù)據(jù)信息11001010，并按內(nèi)部的波特率clk；在下降沿產(chǎn)生正確的幀格式編碼輸出（D4、D4、07、FB、07、FA、05、BA）。
解碼器的仿真圖如圖4所示。
當(dāng)解碼器判斷收到幀頭（兩個(gè)D4），則將同步信號(hào)clk_out置高，再按內(nèi)部波特率clk在上升沿收6字節(jié)的幀結(jié)構(gòu)碼字，在同步信號(hào)的下降沿輸出譯碼（11001010）。
糾突發(fā)錯(cuò)仿真圖如圖5所示。
當(dāng)傳輸過(guò)程出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)時(shí)，第5字節(jié)改為FF，第7字節(jié)改為00，譯碼器給出信息11001010。
糾突發(fā)錯(cuò)仿真圖如圖5所示。
當(dāng)傳輸過(guò)程出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)時(shí)，第5字節(jié)改為FF，第7字節(jié)改為00，譯碼器給出信息11001010。
因?yàn)樾畔⒆畹臀坏木幋a能糾1位錯(cuò)，最高位能糾4位錯(cuò)，所以，當(dāng)?shù)?～5字節(jié)、第6～8字節(jié)分別出現(xiàn)一個(gè)8位的突發(fā)錯(cuò)，譯碼器均能完全糾正。出現(xiàn)多個(gè)突發(fā)錯(cuò)時(shí)，相應(yīng)的信息低位將出錯(cuò)，但信息高位因具有更多位的糾錯(cuò)能力而仍能保持準(zhǔn)確性。我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)也正是盡可能保證高位的正確，以保證精度。
（2）基于單工的雙工通信
此時(shí)一片F(xiàn)PGA內(nèi)集成了編碼器和解碼器，與MPU相連的數(shù)據(jù)通信接口仍為8位數(shù)據(jù)線，由MPU發(fā)W/R寫(xiě)讀信號(hào)來(lái)控制編解碼，因此同一時(shí)間只能單向傳送數(shù)據(jù)，編解碼不能同時(shí)進(jìn)行。準(zhǔn)確地說(shuō)，為半雙工通信。（要改為全雙工，須將MPU的數(shù)據(jù)線接口翻倍，非常占資源。）
雙工電路原理如圖6所示。
雙工編、解碼器的內(nèi)部電路如圖7所示。（編碼器，解碼器與單工的相同。）
實(shí)際上，我們對(duì)編碼器和解碼器的輸出分別加了一個(gè)傳輸門(mén)（transfer_X器件）。該傳輸門(mén)由W/R信號(hào)控制，一旦傳輸門(mén)關(guān)閉，則將傳輸門(mén)的輸出置于高阻態(tài)（"Z"），因此，編解碼器的輸入輸出不會(huì)相互干擾，從而能在同一數(shù)據(jù)線上進(jìn)行半雙工傳輸。
MPU向FPGA寫(xiě)信息，F(xiàn)PGA編碼輸出。W/R=0，信息為11001010。
MPU讀FPGA的信息，F(xiàn)PGA收幀結(jié)構(gòu)并解碼。W/R=1，解碼得11001010。
4總結(jié)
�、傥覀兊脑O(shè)計(jì)目的主要在于增加數(shù)據(jù)的容錯(cuò)能力。FPGA設(shè)備加載于MPU的數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)通信芯片接口之間，數(shù)據(jù)仍按原系統(tǒng)的發(fā)送方式遠(yuǎn)距離傳輸，如圖8所示。因此原有的通信設(shè)備不必作改動(dòng)，就能很方便地加載我們的設(shè)計(jì)。同時(shí)，因?yàn)榫幋a采用的分組碼的位數(shù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合再做簡(jiǎn)單調(diào)整，因而能夠提供更大的噪聲冗余。
�、贔PGA內(nèi)部提供統(tǒng)一的編解碼波特率，最高由FPGA時(shí)鐘頻率決定，仿真圖中采用100ns（10MHz）。MPU收發(fā)信息的波特率最高為編碼波特率的1/8，因?yàn)?字節(jié)的數(shù)據(jù)信息要轉(zhuǎn)換為8字節(jié)幀結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，我們是以降低通信的最高速率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取數(shù)據(jù)的高精度的。因此，我們的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于不要求過(guò)高速率的通信場(chǎng)合。
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