用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離的高精度傳輸

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作者：時間：2007-10-16 來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應用

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　　1 意義

　　簡單的多機間數(shù)據(jù)通信在我們的設計中很普遍，一般情況下數(shù)據(jù)傳輸距離很短，不會超過百十m，因此僅采用雙絞線加RS232或RS485標準就可以有效傳輸。但有時多機之間的距離也會很遠，如我們所設計的一個氣象項目，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。

　　通常多機短距通信中，可以在收發(fā)端加入奇校驗、累加和校驗等出錯就重發(fā)的防噪聲措施;但以上措施都只能檢錯，不能糾錯，也就是說傳輸過程中不能容錯。在遠距離、干擾大、出錯概率非常高的情況下，單純的出錯就重發(fā)措施會失去工作效率和意義。因此，我們需要一種能容錯的數(shù)據(jù)傳輸方式，就要對數(shù)據(jù)編碼。因此，不同傳輸環(huán)境的噪聲性質(zhì)不相同，對應的編碼方式也不一樣，所以我們設計編碼時強調(diào)更多位的糾錯冗余，以適合較多的環(huán)境，但相應地就降低了傳輸速率。另外，出于通用性和簡易性的考慮，我們的設計應可直接加載于原有的有線或無線通信系統(tǒng)上，除數(shù)據(jù)連線外，不需對原有系統(tǒng)做任何改變。

　　在此，我們采用了交錯編碼技術來增加數(shù)據(jù)傳輸過程的容錯能力

　　。編解碼設備插入加載到通信系統(tǒng)原來的數(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(無線通信為調(diào)制器和發(fā)送器)發(fā)送，變?yōu)橄冉?jīng)編碼設備編碼，然后再經(jīng)原有的發(fā)送端發(fā)送;同理，接收端(無線通信為接收器和解調(diào)器)收到信息，經(jīng)解碼設備解碼出數(shù)據(jù)，再傳送給微處理器。

　　2 設計方案

　　為適應多種信道，要求我們的設計能同時糾隨機錯和突發(fā)錯，并且能有多位的糾錯冗余。因此，我們基于常用的卷積碼和循環(huán)碼特性，自定義一種簡單的線性分組碼作為糾錯編碼，以便我們刻意去提高糾錯的位數(shù)。同時我們采用交錯發(fā)送技術來提高糾突發(fā)錯能力，并利用FPGA去實現(xiàn)該方案。

　　(1)方案的應用范圍

　　我們所設計的方案用于遠距離的多機通信。根據(jù)實際經(jīng)驗，本方案默認微處理器收發(fā)的數(shù)據(jù)為8位并行數(shù)據(jù)+1位同步時鐘，因此提供8位數(shù)據(jù)線和1位同步線。對于串口，則可增加串行轉(zhuǎn)換的移位寄存器來轉(zhuǎn)化。

　　(2)方案的實現(xiàn)

　　方案的實現(xiàn)如圖1所示。

　?、僭谧诱?、基站的收發(fā)端口與微處理器之間分別加入相應的編解碼設備，使得子站與基站間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先經(jīng)過編解碼再傳輸，以達到增強容錯的能力。

　　②用幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)碼字的交錯。

　?、圻h距離傳輸，收發(fā)端最好選用同步方式，但這不是本設計的內(nèi)容，不予以討論。

　　3)基于精度，對數(shù)據(jù)的每一位單獨編碼

　　實際應用中，對數(shù)據(jù)精確的定義并非數(shù)據(jù)的完全重合，而是要求某一個精度。完全重合只對用做標志的數(shù)據(jù)有意義，對單純計算用的數(shù)據(jù)并沒有必要?；诰纫?，顯然一個數(shù)據(jù)信息的高位對精度影響遠比低位大(如：FFH，當最高位出錯變?yōu)?FH時，精度變化最大，而最低位出錯變?yōu)镕EH時，精度變化最小)。因此，我們并沒有對8位數(shù)據(jù)信息進行整體編碼，而是逐位分開進行編碼：高數(shù)據(jù)位，采用更長的編碼，以保證更高的正確率;低數(shù)據(jù)位，則可采用較短的編碼，兼顧效率和設備容量。具體編碼如表1所列。

　　對8個位遠逐位編碼，8個生成矩陣為1維矢量。因此用FPGA實現(xiàn)編碼時，采用查表法更方便，如表2所列。

　　之所以選用010等作為碼字，是因為01相間在組合為幀發(fā)送時，可以減少連0或連1的出現(xiàn)概率。

　　(4)幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交錯發(fā)送技術

　　為糾突發(fā)錯，碼字要按交錯格式發(fā)送。因此，用幀實現(xiàn)碼字的交錯，數(shù)據(jù)發(fā)端按幀發(fā)送，數(shù)據(jù)收端按幀解碼。8個碼字共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。