卷积码编码器

《数字集成电路设计》课程设计题目：交织器解交织器

学院：电子与信息学院

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一、设计要求

1. 请设计一个交织器和解交织器，完成二进制比特流的交织/ 解交织功能。

2. 设计测试文件，验证设计的功能是否正确。

二、设计卷积交织器目的

在数字传输系统中，因为存在噪声，信道衰落等干扰因素，会使传输的信号发生错误，产生误码。虽然数字信号的传输为了防止误码而会进行信道编码，增加传输码的冗余，例如增加监督位等来克服信号在信道传输过程中的错误，但这种检错纠错能力是有限的。例如当出现突发错误，出现大片误码时，这时信道的纠错是无能为力的。而卷积交织器可以将原来的信息码打乱，这时尽管出现大面积突发性错误，这些可以通过解交织器来进行分散，从而将大面积的错误较为平均地分散到不同的码段，利于信道纠错的实现。

三、卷积码编码器原理

卷积码拥有良好的纠错性能，是一种被广泛应用于移动通信的信道编码系统。一个（n,k,m）卷积码编码器由k个输入，具有m阶存储的n个输出的线形时序电路实现。通常，n和k是较小的整数，且k＜n，但m比较大。当k＝1时，信息序列不再分成小块，以便可以连续处理。卷积码（n,k,m）表示码率R＝k/n，编码器级数m＝s－1，其中s是码约束长度。

反向CDMA信道使用（3，1，8）卷积码，码率R＝1/3,约束长度为9，由于k＝1，n＝3，m＝8，则该卷积编码器包含单个输入端，一个8级移位寄存器，三个模2加法器和一个3向编码器输出的连续转向器。编码器每输入一位信息比特将产生三位编码输出。这些编码符号中，第一个输出符号G0是生成序列g1⑴编码产生的符号，第二个输出符号G1是由生成序列g1⑵编码产生的符号，最后一个输出符号G2是由生成序列g1⑶编码产生的符号，如下图所示。

该电路由一个八位寄存器、三个码生成逻辑、一个时隙发生器和一个四选一复用器构成。mux的输入为G0、G1和G2，码选择信号C[1:0]和clk1由时隙发生器产生，输出信号即为整个电路的输出Yout。

卷积编码器的初始状态用rst异步清零信号置为0，rst=0时，电路清零。

卷积编码器的初始状态全为0，初始状态之后输出的第一个编码符号由生成序列g1⑴编码产生。这里，三个生成序列分别为g1⑴=（101101111），g1⑵=(110110011), g1⑶=(111001001)。

即三个生成多项式分别为：

C0＝1+X+X2+X3+X5+X6+X8 (557)

C1＝1+X+X4+X5+X7+X8 (663)

C2＝1+X3+X6+X7+X8 (711)

四、实验设计与实现

根据以上实验要求，我们首先设想了分为几个模块，然后将各个模块进行整合实现编码器的功能，根据我们的设想编写相应的verilog程序，进行调试、实现。以下是实验的具体过程。

1.卷积码模块设计

（1）3分频器（fenping）。它的功能是产生clk时钟三分之一频率的时钟信号，命名为clk1，同时产生选择信号sel[1:0]。

（2）4-1多路选择器(mux_4_1)。根据sel[1:0]输入的选择信号，选择4路(in0,in1,in2,in3)输入的1路来输出(out)。后来，根据老师的指导，将卷积的运算逻辑组装在这个模块里。

（3）8位移位寄存器（wyjc_8）。用于记录输入的信息。每经过一个时钟上升沿（clk1）向前移位一次。

2.verilog程序编写

各个模块相应的代码和注释如下所示。

（1）3分频器

module fenping(clear,clk,clk1,count);

input clk,clear;

output clk1,count;

wire clk,clear;

reg clk1;

reg [2:0] count;

always @(posedge clk or posedge clear)

begin

if(clear==1)

count[2:0]<=3’b010;

else

begin//通过循环移位实现3分频

count[0]<=count[2];

count[1]<=count[0];

count[2]<=count[1];

clk1<=count[1];

end;

end

endmodule

（2）4—1多路选择器

module mux_4_1(clk1,clk,sel,in,kin,out);

input[1:0] sel;

input clk,in,clk1;

input[7:0] kin;

output out;

wire [1:0] sel;

reg out;

reg [8:0]k;

always @(posedge clk) //依次计算c0，c1，c2

begin

case(sel)

default out<=0;

2’b00:out<=(k[0]+k[1])+(k[2]+k[3])+(k[5]+k[6]+k[8]);

2’b01:out<=k[0]+k[1]+k[4]+k[5]+k[7]+k[8];

2’b10:out<=k[0] +k[3]+k[6])+k[7]+k[8];

endcase

end

always @(posedge clk1) //采样部分

begin

k[7:0]<=kin[7:0];

k[8]<=in;

end

endmodule

（3）8位移位寄存器

module wyjc_8(clear,clk,in,out);

Input clear,clk,in;

output[7:0] out;

reg[7:0] out;

wire clear,clk,in;

always @(posedge clk or posedge clear)

begin

if(clear==1)

out[7:0]<=8’b0;

else

begin

out[7]<=in;

out[6]<=out[7];

out[5]<=out[6];

out[4]<=out[5];

out[3]<=out[4];

out[2]<=out[3];

out[1]<=out[2];

out[0]<=out[1];

end

end

endmodule

（4）整合模块

`include “fenping.v”//将各模块加入文件

`include “mux_4_1.v”

`include “wyjc_8.v”

module bianma(rst,clk,in,out,clk1);

input rst,clk,in;

output out;

output clk1;

wire clr,clk,in,clk1,rst;

wire[7:0] k;

wire[2:0] sel;

reg g0,g1,g2;

fenping f1(.clk(clk),.clear(clr),.clk1(clk1),.count(sel));//分频器实例化

wyjc_8 w1(.clear(clr),.clk(clk1),.in(in),.out(k));//移位寄存器实例化

mux_4_1 m1(.clk1(clk1),.in(in),.kin(k),.clk(clk),.sel(sel[1:0]),.out(out));

//多路选择器实例化

assign clr=~rst;//复位信号翻转

endmodule

（5）测试程序

·timescale 1 ns/ 1 ns

module bianma_test1;

reg clk,rst,in,code,flag;

wire out,clk1;

integer I,j,r_seed;

reg[31:0] a;

reg[15:0] c0,c1,c2;

bianma b1(.clk1(clk1),.clk(clk),.rst(rst),.in(in),.out(out));

initial clk=0;//时钟产生

always #5 clk=~clk;

initial//复位部分

begin

rst=0;

#7 rst=1;

end

initial//结束仿真

#490 $finish;

Initial//输入与对照分量产生

begin

$monitor($stime,,”clk=%b,rst=%b,in=%b,out=%b,code=%b,error=%b ”,clk,rst,in,out,code,fl ag);

a[31:0]=32’b0;

a[18:0]=$random % (1024*8);

for(i=0;i<16;i=i+1)

begin

c0[i]=a[i+8]^ a[i+6]^ a[i+5]^ a[i+3]^ a[i+2]^ a[i+1]^a[i];

c1[i]=a[i+8]^ a[i+7]^ a[i+5]^ a[i+4]^ a[i+1]^a[i];

c2[i]=a[i+8]^ a[i+7]^ a[i+6]^ a[i+3]^a[i];

end

in=0;

flag=0;

#10 in=a[8];

for(i=0;i<16;i=i+1)

begin

#30 in=a[i+9];

end

end

initial//采样对比

begin

#20 code=0;

for(j=0;j<16;j=j+1)

begin

#5 code=c0[j];

#5 if(out!=code) flag=1;

#5 code=c1[j];

#5 if(out!=code) flag=1;

#5 code=c2[j];

#5 if(out!=code) flag=1;

if(flag==1) $dispaly(“error”);

end

end

initial $sdf_annotate(“bianma.sdf”,b1);//延时文件

endmodule

五、仿真与综合

1.初始波形（输入IN为随机数）

图中out端输出为编码器输出，code端输出为对照输出，从仿真波形图可以看出，两者的输出波形完全一致，即编码器工作正常。

2.门级电路仿真

各模块和综合后仿真结果如下4张图所示。

3.综合后电路信息

4.综合后仿真波形（输入IN为随机数）

在control_test.v 文件中加入以下语句，以便将control.sdf 文件标注到测试文件中：initial $sdf_annotate(“control.sdf”,c1); [c1 为测试文件中调用control 电路模块的标签]在对门级电路control.vg 进行仿真时，在仿真命令中使用-v/home2/student/lib/train/verilog/tsmc25.v将库文件引入，得到的仿真波形如下图所示。

由上图可知，在其他条件不变情况下，编码器工作依然正常，但是out端（实际）的输出与code端（对照）的输出相比，有1ps的延迟。

六、实验总结

本次ASIC实验课程的要求是编写一个（3,1,8）卷积码编码器，实验过程总体还算顺利，不过也难免遇到一些问题，程序的编写和修改是贯穿始终的，除此之外，首先的问题是理论知识的应用方面，因为我之前对卷积码了解不多，因此不得不查阅相关书籍仔细了解了卷积码的概念和编码过程，另外一点就是在我们进行仿真的最后阶段，输出波形和校验波形之间有一点冒险的差异，我们试图从各个方面查找问题都没有成功，最终还是得到了老师的帮助，顺利完成。实验中除了进一步锻炼了我的动手能力和解决实际问题的能力之外，还进一步让我体会到了理论联系实际的重要性，并且巩固和应用了课堂所学的verilog语言，通过实验，我对这门课有了更深入的了解，也让我更加有了学习的兴趣。