рус | укр | eng

Реферат по темі магістерської роботи

Розробка і дослідження структур пристрою передачі даних на базі HDL та FPGA технологій

Зміст

  1. Вступ

  2. Загальний опис розробки

  3. Література

Вступ

В останній час намітилася тенденція до глобального моніторінгу - структурованих систем моніторингу. В цьому випадку в системі організується декілька пультів спостереження, які розташовуються на різних її рівнях і виконують різні завдання. Так пульти нижнього рівня (як правило, в межах міста) виконують оперативні завдання – збирають інформацію з об'єктів і забезпечують оперативність реагування на тривожні події. Далі, вони передають інформацію про події і дії персоналу на пульт централізованого спостереження (ПЦС) - районного, обласного, краєвого, державного масштабу. ПЦС не виконують оперативних завдань, а служать для контролю дій підвідомчого персоналу, збору даних для статистики і подальшого аналізу. Позитивний досвід створення таких систем вже є. На базі таких систем нескладно організовувати служби порятунку за типом 911. Одним із найважливіших складових таких систем моніторингу є радіопристрої прийому та передачі інформації. Їх портативність, перешкодостійкість та ціна - це ті параметри, за якими їх обирають. Використовуючи цифрові методи кодування досягається велика інформаційна ємкість системи, що дозволяє використовувати один передавальний пристрій в складі з об'єктовими системами великої ємкості, наприклад, адресні прилади з великою кількістю контрольованих зон. У магістерській роботі виконується розробка та дослідження системи передачі даних, яка буде мати вигляд портативного пристрою, виконаного з використанням HDL- та FPGA-технологій. Буде розроблений FPGA- пристрій на мікросхемі сімейства Cyclone від фірми Altera та IP-ядро виявлення та виправлення помилок на основі кодів Ріда-Соломона, що покращить перешкодостійкість пристрою. За допомогою експериментального комплексу будуть проведені дослідження структури системи передачі даних, що пропонується.


Актуальність теми

Актуальність теми магістерської роботи полягає в тому, що, по-перше, як було показано у вступі, пристрої передачі даних знаходять широке, можна сказати, повсюдне застосування, по-друге, функція забезпечення перешкодозахищеності, є невід'ємною частиною цих систем, і, по- третє, існуючі системи передачі даних вимагають удосконалення з техніко-економічними показниками. Тому тема даної магістерської роботи, спрямованої на розробку та дослідження структури системи передачі даних, є актуальною.


Мета і завдання досліджень

Метою магістерської роботи є розробка та дослідження структури системи передачі даних з функцією перешкодозахищеності, що перевершує аналоги по техніко-економічними показниками. Для досягнення зазначеної мети в роботі вирішуються наступні завдання:

  1. Розробка FPGA-структури системи передачі даних з функцією перешкодозахищеності на базі кодів Ріда-Соломона;
  2. Разработка и экспериментального портативного устройства передачи данных по радиоканалу на базе HDL- и FPGA-технологий проектирования;
  3. Дослідження запропонованої структури передачі даних шляхом проведення випробувань та аналізу розробленого експериментального пристрою за техніко-економічними показниками.
    4.

Наукова новизна

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній передбачається розробити нову структуру перешкодозахисною передачі даних на базі кодів Ріда-Соломона, що забезпечує більш високі техніко-економічні показники в порівнянні з аналогами за рахунок використання сучасних FPGA-технологій проектування.

Практичні результати роботи

На основі запропонованої структури в роботі буде розроблен експериментально портативний пристрій передачі даних по радіоканалу на базі HDL-та FPGA-технологій проектування. В якості базової FPGA передбачається використовувати НВІС фірми ALTERA сімейства Cyclone. В якості мов опису і програмування апаратури обрані VHDL і С / С + +. Для забезпечення функції перешкодозахищеності будуть розроблені два IP-ядра, що реалізують кодер і декодер Ріда-Соломона. Налагодження цифрової частини проекту буде виконуватися на базі отладочного комплексу «Altera Nios II Embedded Evalution Kit» (NEEK).

Практична значимість роботи полягає в тому, що на базі запропонованої структури можуть розроблятися ефективні за техніко-економічними показниками конкретні пристрої передачі даних, орієнтовані на використання FPGA.

Загальний опис розробки

На рис.1 наведена узагальнена схема взаємодії передавача та приймача, які обмінюються даними через радіоканал.


Рис.1 Узагальнена схема взаємодії передавача та приймача

Робота передавача полягає у тому, що по певному сигналу, який надходить від блоку дистанційного керування приймача (БДКПР), блок керування приймача (БКПР), який побудований на основі мікроконтролера (МК), завантажує прошивку з блока пам'яті передавача (БППД) у мікросхему від фірми Altera. У якості даних, що завантажуються, можуть виступати або прошивка для вказаної ПЛІС, або кадри даних користувача, які були заздалегідь записані у БППД. Після того як прошивка була успішно завантажена у ПЛІС, блок кадрів передавача (БОКПД) може здійснювати прийняття, обробку та видавання кадрів даних користувача.

Над кожним кадром, який надійшов, БОКПД виконує наступні операції:

  1. підрахунок контрольної суми кадру
  2. кодування кадру та підрахованої контрольної суми перешкодостійким кодом;
  3. побітове скремблювання і видачу кадру на частоті 8 МГц.

Кадр, який видається побітово з БОКПД, надходить на вхід модулятора (МД), який перетворює кожний біт даних у відповідний радіосигнал.

Робота приймача полягає у тому, що по певному сигналу, який надходить від блоку дистанційного керування приймача (БДКПР), блок керування приймача (БКПР) завантажує прошивку з блока пам'яті приймача (БППР) у блок обробки кадрів приймача (БОКПР). Після того як прошивка була успішно завантажена у ПЛІС БОКПР, цей блок може здійснювати прийняття, обробку та видавання кадрів даних користувача. Кожний такий кадр приймається у виді відповідного радіосигналу демодулятором (ДМ) і перетворюється ним у послідовність бітів, яка надходить на вхід БОКПР. БОКПР, у свою чергу, виконує над кожним кадром даних користувача, який надходить, наступні операції:

  1. побітове дескремблювання кадру
  2. декодування кадру та прийнятої контрольної суми декодером перешкодостійкого коду;
  3. підрахунок та перевірку контрольної суми кадру з видаванням відповідної ознаки.

Після того як черговий кадр даних користувача був прийнятий, БКПР перевіряє ознаку правильності його контрольної суми. Якщо кадр був прийнятий без помилок, то БКПР переписує його з БОКПР у БППР. У протилежному випадку прийнятий кадр відкидається. Враховуючи той факт, що помилки у радіоканалі мають пакетний характер, при використовуванні коду, який виправляє пакетні помилки, немає сенсу виконувати операції матричного перемішування інформації щоб уникнути розсіювання пакетної помилки на декілька окремих, що сильно ускладнить їх виправлення.

Після того як функції і місце БОК у складі передавача та приймача були визначені, треба більш докладно зупинитися на структурі цих блоків. На рис. 2 наведена узагальнена схема БОК передавача та приймача. На цей схемі показані основні компоненти обох БОК, які не залежать від конкретного коду циклічного контролю та перешкодостійкого коду, а також напрямку передачі інформації при взаємодії окремих компонентів між собою і блоків у цілому. У склад передавача входять наступні основні компоненти:

  1. FIFO передавача - служить для буферизації кадрів, які призначені для відправки;
  2. схема розрахунку коду циклічного контролю (СРКЦК) - аналізуючи вхідний потік даних, робить розрахунок значення контрольної суми для кадру з використанням одного з стандартних алгоритмів;
  3. - вхідний комутатор кодеру перешкодостійкого коду (S1) - служить для комутації на вхід кодеру перешкодостійкого коду безпосередньо даних кадру або розрахованого значення контрольної суми кадру;
  4. - кодер перешкодостійкого коду (КПК) - виконує перешкодостійке кодування вхідного потоку даних та видачу перевірочної інформації;
  5. вихідний комутатор передавача (S2) - використовується для комутації на один з входів вихідного суматора по модулю «2» даних кадру, значення контрольної суми кадру або перевірочної інформації, яка була отримана після перешкодостійкого кодування;
  6. скремблер - виконує генерацію псевдовипадкової послідовності, яка надходить на другий вхід суматора по модулю «2» з метою усунення довгих послідовностей нулів та одиниць;
  7. керуючий автомат передавача (КА ПД) - керує роботою усіх інших компонентів схеми передавача, отримує від них інформаційні сигнали та видає керуючі.


Рис.2 Узагальнена схема блоків обробки кадрів передавача і приймача

Функціонування передавача, який побудований по такій схемі відбувається наступним чином. Спочатку виконується ініціалізація усіх перелічених складових передавача. Після запису у FIFO передавача чергового кадру, цей кадр починає передаватися на вихід комутатора S2, де складається по модулю «2» зі значенням на виході скремблера і надходить на вхід модулятора. Паралельно з видаванням у лінію також виконується підрахунок контрольної суми кадру і його передача через комутатор S1 на вхід кодеру перешкодостійкого коду. Як тільки кодер перешкодостійкого коду обробляє блок даних певної довжини, він видає його через комутатор S2, а також припиняє на час видавання перевірочної інформації видавання безпосередньо даних та підрахунок контрольної суми. Відразу ж по закінченню видачі перевірочної інформації відновлюється передача через комутатор S2 даних кадру, підрахунок контрольної суми та знов починається кодування наступного блоку даних. Після того, як передача повного кадру даних через комутатор S2 в лінію закінчується і сформована контрольна сума кадру, вона надходить через комутатор S1 на вхід кодеру перешкодостійкого коду, і водночас через комутатор S2 у лінію, доповнюючи тим самим кадр даних, який був виданий раніше. При завершенні видавання контрольної суми, одночасно відбувається завершення кодування останнього блоку даних у складі кадру та перевірочна інформація видається через комутатор S2 у лінію, завершуючи тим самим процес передачі кадру. Останнім кроком процесу передачі кадру є повторна ініціалізація усіх компонентів передавача, і перехід у стан очікування наступного кадру для відправки. Керуючий автомат передавача повністю контролює роботу усіх його перелічених компонентів, отримуючи від деяких з них інформаційні сигнали, які визначають їх стан, та видаючи необхідні керуючі сигнали для кожного з цих компонентів.

У склад приймача входять наступні основні компоненти:

  1. дескремблер - здійснює генерацію псевдовипадкової послідовності, яка надходить на один з входів суматора по модулю «2» з метою відновлення початкового потоку даних; на інший вхід цього суматора подається потік даних, який надходить від демодулятора;
  2. схема перевірки коду циклічного контролю (СПКЦК) - аналізуючи вхідний потік даних, виконує перевірку значення контрольної суми для кадру з використанням одного з стандартних алгоритмів;
  3. декодер перешкодостійкого коду (ДКПК) - виконує перешкодостійке декодування вхідного потоку даних та виправлення помилок, які виникли, за рахунок використання перевірочної інформації;
  4. FIFO передавача - служить для буферизації кадрів, які призначенні для відправлення;
  5. керуючий автомат передавача (КА ПД) - керує роботою усіх інших компонентів схеми передавача, отримуючи від них інформаційні сигнали та видаючи керуючі.

Функціонування приймача, який побудований по такій схемі відбувається наступним чином. Спочатку виконується ініціалізація усіх перелічених складових приймача. Вхідний потік даних, який надходить з демодулятору, складається по модулю «2» з вихідним потоком дескремблера, таким чином відбувається відновлення початкової послідовності, яка складає закодований кадр даних користувача. Дескрембльований початковий потік біт надходить на вхід блоку виділення синхросигналу та даних, де відбувається його розділення на лінію синхронізації, яка подається на усі внутрішні компоненти приймача, та лінію даних, яка є інформаційною частиною кадру. Розділений потік надходить на вхід декодеру перешкодостійкого коду, який виконує декодування кожного блоку даних певної довжини всередині повного кадру даних користувача, і за рахунок наявності деякої кількості надлишкової перевірочної інформації виправляє помилки, які могли виникнути у процесі передачі кожного окремого блоку через радіоканал. З виходу декодера інформація надходить паралельно у FIFO приймача і на вхід системи перевірки коду циклічного контролю, яка формує нову контрольну суму кадру. По результатах аналізу сформованої контрольної суми кадру, схема перевірки може встановити відповідну ознаку наявності помилки. У залежності від значення сформованої ознаки помилки, записаний у FIFO приймача кадр або зчитується за командою мікроконтролера у блок пам'яті приймача, або ігнорується, видаляється з FIFO без запису куди-небудь. Останнім кроком процесу приймання чергового кадру, як і у випадку роботи передавача, є повторна ініціалізація компонентів приймача і його перехід у стан очікування приймання наступного кадру даних. Керуючий автомат приймача повністю контролює роботу усіх його перелічених компонентів, отримуючи від деяких з них інформаційні сигнали, які визначають їх стан, та видаючи необхідні керуючі сигнали для кожних з цих компонентів.

Вибір коду циклічного контролю. Найбільш популярними на сьогоднішній день алгоритмами підрахунку контрольної суми якого-небудь блоку або потоку даних є CRC16 та CRC32. Спектр застосування цих алгоритмів дуже широкий, їх програмні реалізації використовуються для підрахунку контрольних сум файлів або будь-яких інших наборів даних на різноманітних носіях, а апаратні - для підрахунку контрольних сум кадрів або інших одиниць інформації у мережевих і комунікаційних пристроях. Така популярність алгоритмів підрахунку CRC зумовлена тим, що вони дозволяють з дуже високою імовірністю визначити наявність пошкоджень інформації при її передачі по «зачумленим» каналам зв'язку або при дефектах носія, на якому вона зберігалась.

Алгоритми CRC16 і CRC32 формують на основі деякого вхідного повідомлення відповідно 16-розрядну або 32-розрядну послідовність біт, які, як правило, прикріплюються до цього повідомлення і потім використовуються для перевірки наявності у ньому помилок після передачі або зберігання.

У даній роботі для забезпечення цілісності кадрів при передачі через радіоканал, був вибраний алгоритм CRC32. Такий вибір був зроблений тому, що він може з більшою імовірністю визначати наявність помилок при передачі кадру у порівнянні з CRC16.

Література:

  1. Кузьмин В. П., Кедрус В. А. Основы теории информации и кодирования. - К.: Высшая шк. Главное изд-во, 1986. - 238с.
  2. Цымбал В. П. Теория информации и кодирования: Учебник. - К.: Высшая шк, 1992.-263 с.: Ил.
  3. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976. - 595с.: Ил.
  4. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующем ошибки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 576 с.: Ил.
  5. Огнев И. В., Сарычев К. Ф. Надежность запоминающем устройств. - М.: Радио и связь, 1988. - 224 с
  6. Илюшин С.В. Фрактальное сжатие телемедицинских изображений [Электронный ресурс], http://www.elsv.ru/files/actual/130.pdf
  7. Шувалов В.П., Захарченко Н.В., Шварцман В.О. и др. Передача дискретных сообщений. - М.: Радио и связь, 1990. - 439с.
  8. Wikipedia [электронный ресурс] - Режим доступа к электронного источника: http://ru.wikipedia.org
  9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория информации и кодирования». Раздел "помехоустойчивого кодирования" (для студентов специальности 6.0915) / Стекло: А. М. Дяченко. -Донецк: ДонГТУ, 1998. - (На электронном носителе № 2603).
  10. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория информации и кодирования» (для студентов специальности 7.091501) / Стекло: А. М. Дяченко. -Донецк: ДонНТУ, 2005. - (На электронном носителе).
  11. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория информации и кодирования» (для студентов специальности 7.091501, 7.091502) / Сост.: А. Н. Дьяченко, Ю.Е.Зинченко.-Донецк: ДонНТУ, 2006. - (На электронном носителе № 5117).
  12. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория помехоустойчивого кодирования» / (для студентов специальности 7.091501, 7.091502) / Стекло.: О.М.Дяченко.-Донецк: ДонНТУ, 2007. - HTML-формат (на электронном носителе № 18, прот. № 7 от 20.06.07)
  13. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Theory of antinoise coding» (для студентов специальности 7.091501) / Стекло: А. М. Дьяченко .- Донецк: ДонНТУ, 2007. - 35с. - HTML-формат (на электронном носителе № 19, прот. № 7 от 20.06.07)