用FPGA实现数据远距离的高精度传输
摘要：详细阐述一种利用交错编码的思想，来改远距离通信质量的新设计。设计由FPGA芯片实现，能很方便加载到各种单片机有线或无线通信系统的收发接口中。通过对发、收信息的编、解码处理，增强信息在传输过程的抗干扰能力，以达到远距离高精度传输目的。
关键词：FPGA远距传输高精度交错编码解码
1意义
简单的多机间数据通信在我们的设计中很普遍，一般情况下数据传输距离很短，不会超过百十m，因此仅采用双绞线加RS232或RS485标准就可以有效传输。但有时多机之间的距离也会很远，如我们所设计的一个气象项目，就要求子站遍布在基站1km范围内。因此在考虑成本、不增加很多设备的前提下，有效防止噪声干扰，保证子站与基站的数据高精确传输就很重要。
图1方案框图
通常多机短距通信中，可以在收发端加入奇校验、累加和校验等出错就重发的防噪声措施；但以上措施都只能检错，不能纠错，也就是说传输过程中不能容错。在远距离、干扰大、出错概率非常高的情况下，单纯的出错就重发措施会失去工作效率和意义。因此，我们需要一种能容错的数据传输方式，就要对数据编码。因此，不同传输环境的噪声性质不相同，对应的编码方式也不一样，所以我们设计编码时强调更多位的纠错冗余，以适合较多的环境，但相应地就降低了传输速率。另外，出于通用性和简易性的考虑，我们的设计应可直接加载于原有的有线或无线通信系统上，除数据连线外，不需对原有系统做任何改变。
在此，我们采用了交错编码技术来增加数据传输过程的容错能力。编解码设备插入加载到通信系统原来的数据收发端口。因此，微处理器要发送的数据由原先的直接经发送端（无线通信为调制器和发送器）发送，变为先经编码设备编码，然后再经原有的发送端发送；同理，接收端（无线通信为接收器和解调器）收到信息，经解码设备解码出数据，再传送给微处理器。
2设计方案
为适应多种信道，要求我们的设计能同时纠随机错和突发错，并且能有多位的纠错冗余。因此，我们基于常用的卷积码和循环码特性，自定义一种简单的线性分组码作为纠错编码，以便我们刻意去提高纠错的位数。同时我们采用交错发送技术来提高纠突发错能力，并利用FPGA去实现该方案。
（1）方案的应用范围
我们所设计的方案用于远距离的多机通信。根据实际经验，本方案默认微处理器收发的数据为8位并行数据+1位同步时钟，因此提供8位数据线和1位同步线。对于串口，则可增加串行转换的移位寄存器来转化。
图3解码器仿真图
（2）方案的实现
方案的实现如图1所示。
①在子站、基站的收发端口与微处理器之间分别加入相应的编解码设备，使得子站与基站间传输的数据先经过编解码再传输，以达到增强容错的能力。
②用帧结构实现码字的交错。
③远距离传输，收发端最好选用同步方式，但这不是本设计的内容，不予以讨论。
图4编码器仿真器
（3）基于精度，对数据的每一位单独编码
实际应用中，对数据精确的定义并非数据的完全重合，而是要求某一个精度。完全重合只对用做标志的数据有意义，对单纯计算用的数据并没有必要。基于精度要求，显然一个数据信息的高位对精度影响远比低位大（如：FFH，当最高位出错变为7FH时，精度变化最大，而最低位出错变为FEH时，精度变化最小）。因此，我们并没有对8位数据信息进行整体编码，而是逐位分开进行编码：高数据位，采用更长的编码，以保证更高的正确率；低数据位，则可采用较短的编码，兼顾效率和设备容量。具体编码如表1所列。
表1
8位数据最低位（3，1）码0对应010，1对应101，汉明距3，纠1错8位数据第二位（3，1）码0对应010，1对应101，汉明距3，纠1错8位数据第三位（5，1）码0对应01010，1对应10101，汉明距5，纠2错8位数据第四位（5，1）码0对应01010，1对应10101，汉明距5，纠2错8位数据第五位（7，1）码0对应0101010，1对应1010101，汉明距7，纠3错8位数据第六位（7，1）码0对应0101010，1对应1010101，汉明距7，纠3错8位数据第七位（9，1）码0对应010101010，1对应101010101，汉明距9，纠4错8位数据最高位（9，1）码0对应010101010，1对应101010101，汉明距9，纠4错
表2
第1位第2位第3位 《用FPGA实现数据远距离的高精度传输》
本文链接地址：http://www.oyaya.net/fanwen/view/166410.html
关键词：FPGA远距传输高精度交错编码解码
1意义
简单的多机间数据通信在我们的设计中很普遍，一般情况下数据传输距离很短，不会超过百十m，因此仅采用双绞线加RS232或RS485标准就可以有效传输。但有时多机之间的距离也会很远，如我们所设计的一个气象项目，就要求子站遍布在基站1km范围内。因此在考虑成本、不增加很多设备的前提下，有效防止噪声干扰，保证子站与基站的数据高精确传输就很重要。
图1方案框图
通常多机短距通信中，可以在收发端加入奇校验、累加和校验等出错就重发的防噪声措施；但以上措施都只能检错，不能纠错，也就是说传输过程中不能容错。在远距离、干扰大、出错概率非常高的情况下，单纯的出错就重发措施会失去工作效率和意义。因此，我们需要一种能容错的数据传输方式，就要对数据编码。因此，不同传输环境的噪声性质不相同，对应的编码方式也不一样，所以我们设计编码时强调更多位的纠错冗余，以适合较多的环境，但相应地就降低了传输速率。另外，出于通用性和简易性的考虑，我们的设计应可直接加载于原有的有线或无线通信系统上，除数据连线外，不需对原有系统做任何改变。
在此，我们采用了交错编码技术来增加数据传输过程的容错能力。编解码设备插入加载到通信系统原来的数据收发端口。因此，微处理器要发送的数据由原先的直接经发送端（无线通信为调制器和发送器）发送，变为先经编码设备编码，然后再经原有的发送端发送；同理，接收端（无线通信为接收器和解调器）收到信息，经解码设备解码出数据，再传送给微处理器。
2设计方案
为适应多种信道，要求我们的设计能同时纠随机错和突发错，并且能有多位的纠错冗余。因此，我们基于常用的卷积码和循环码特性，自定义一种简单的线性分组码作为纠错编码，以便我们刻意去提高纠错的位数。同时我们采用交错发送技术来提高纠突发错能力，并利用FPGA去实现该方案。
（1）方案的应用范围
我们所设计的方案用于远距离的多机通信。根据实际经验，本方案默认微处理器收发的数据为8位并行数据+1位同步时钟，因此提供8位数据线和1位同步线。对于串口，则可增加串行转换的移位寄存器来转化。
图3解码器仿真图
（2）方案的实现
方案的实现如图1所示。
①在子站、基站的收发端口与微处理器之间分别加入相应的编解码设备，使得子站与基站间传输的数据先经过编解码再传输，以达到增强容错的能力。
②用帧结构实现码字的交错。
③远距离传输，收发端最好选用同步方式，但这不是本设计的内容，不予以讨论。
图4编码器仿真器
（3）基于精度，对数据的每一位单独编码
实际应用中，对数据精确的定义并非数据的完全重合，而是要求某一个精度。完全重合只对用做标志的数据有意义，对单纯计算用的数据并没有必要。基于精度要求，显然一个数据信息的高位对精度影响远比低位大（如：FFH，当最高位出错变为7FH时，精度变化最大，而最低位出错变为FEH时，精度变化最小）。因此，我们并没有对8位数据信息进行整体编码，而是逐位分开进行编码：高数据位，采用更长的编码，以保证更高的正确率；低数据位，则可采用较短的编码，兼顾效率和设备容量。具体编码如表1所列。
表1
8位数据最低位（3，1）码0对应010，1对应101，汉明距3，纠1错8位数据第二位（3，1）码0对应010，1对应101，汉明距3，纠1错8位数据第三位（5，1）码0对应01010，1对应10101，汉明距5，纠2错8位数据第四位（5，1）码0对应01010，1对应10101，汉明距5，纠2错8位数据第五位（7，1）码0对应0101010，1对应1010101，汉明距7，纠3错8位数据第六位（7，1）码0对应0101010，1对应1010101，汉明距7，纠3错8位数据第七位（9，1）码0对应010101010，1对应101010101，汉明距9，纠4错8位数据最高位（9，1）码0对应010101010，1对应101010101，汉明距9，纠4错
表2
第1位第2位第3位 《用FPGA实现数据远距离的高精度传输》
★读了本文的人也读了：