光记录系统中RS码的FPGA实现

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纠错码技术是通过增加一定冗余、以降低信息传输速率为代价来提高传输可靠性的有效方法。RS(Reed-Solomon)码是一种不仅能够纠正随机错误,尤其适合纠正突发错误的多进制循环码。随着高效解码算法和大规模集成电路技术的发展,RS码在深空通信、移动通信、军用通信、光纤通信、数字视频广播及磁、光记录等领域得到了广泛应用。随着微电子技术与工艺水平的迅猛发展,出现了新一代现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。FPGA既继承了ASIC(Application SpecificIntergrated Circuits)的大规模、高集成度和高可靠性等优点,又克服普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差等缺点,成为复杂数字电路设计的理想首选。本文重点研究了RS码编译码的基本原理,利用FPGA技术,采用Verilog硬件描述语言,根据GB/Z 18808-2002《信息技术130mm一次写入盒式光盘记录格式技术规范》,实现了光记录DVD(Digital Versatile Disc)系统中的RS(208,192)码编译码器。论文的主要工作如下:1、总结论述了差错控制编码和光记录系统的发展历史以及RS码的应用;介绍了光记录领域中DVD系统的相关知识;分析了DVD系统的工作原理和数据结构,研究了RS码在DVD系统中的应用;研究RS码的相关基础理论,论述了RS码的基本代数知识,分析了有限域加法、乘法、求逆运算的实现过程;研究RS码的编码器原理,分析编码器的实现过程,从逻辑运算的不同角度出发,提出了分别采用一般乘法器、常数乘法器和常数加法器的实现方法。通过FPGA实现,对比三种实现方法的资源利用情况,得出一般乘法器逻辑运算相对复杂的结论;研究RS码的译码器原理,从FPGA实现的角度划分出伴随式计算模块、错误位置多项式计算模块、错误位置计算模块、错误值计算模块和移位寄存器模块,并按照译码步骤分析了整个译码器实现过程;2、为避免有限域的求逆运算,降低译码器的复杂度,根据RS码BM(Berlekamp-Massey)迭代译码算法步骤推导出改进型BM迭代译码算法的数学表达式,该算法利用储存器记录修正项的变化,把除法运算变换为乘法运算,并应用于译码器错误位置多项式计算模块;为避免多次指数运算,提高运算速度,在错误位置计算模块和错误值计算模块采用了迭代算法,把指数运算分解为每个时钟进行一次常数乘法运算,迭代计算并输出判断结果;3、用FPGA实现了RS译码器的编译码器,给出了实现电路图、仿真波形和资源利用情况。与同类译码器比较,结果表明,BM改进算法降低了运算复杂度,仅使用了4513个逻辑单元;迭代算法提高了运算速度,时钟频率高达99MHz,即译码速率为99MB/s。
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