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--- book_excise_bch_coding [2020/11/01 14:00]
gongyu 创建
+++ book_excise_bch_coding [2021/08/23 11:30] (当前版本)
zili
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-### BCH编码实验
+## BCH编码实验
+### 1. 实验内容
+通过本实验了解BCH编译码原理，能够用Verilog HDL或者VHDL编写BCH编译码程序。本实验要求实现BCH（15，7，2）编译码功能，加入信道噪声进行，比较译码结果。
+\\
+\\
+### 2. 实验原理
+(1)BCH编码原理
+BCH是一种线性分组码，它是循环码的一种。一个（15，7，2）的BCH码的含义是，一组码的码长为15，信息位为7位，效验位为8位，纠错能力为2。它的本原多项式为
+{{ :图16-161.png |}};
+本实验采用系统BCH码，即码的前7位为信息位不变，而后8位校验位多项式为码的信息位多项式与生成多项式相除的余数得到。具体公式如下：
+{{ :图16-162.png |}};
+其中R(x)为效验位多项式，M(x)为信息位的多项式
+例如信息位为1100000，则{{ :图16-163.png |}},
+   校验位多项式  {{ :图16-164.png |}}
+   编码多项式  {{ :图16-165.png |}}
+因此，编码输出为110000010011100。
+BCH码各个码位的系数，也可以通过生成矩阵G求得：
+{{ :图16-166.png |}}
+生成多项式{{ :图16-167.png |}}的生成矩阵为：
+{{ :图16-168.png |}}
+生成矩阵的构造原理可以参看数字通信相关书籍。
+(2)BCH码译码原理
+BCH译码分为三步：
+) 由接收到的码的多项式R（x）计算出伴随多项式S(x)
+ {{ :图16-169.png |}}
+同样地，伴随多项式系数也可以由矩阵运算得到。公式如下：
+{{ :图16-1610.png |}}
+其中H被称为校验矩阵。
+{{ :图16-1611.png |}}
+）根据伴随多项式计算找到对应的错误图样E（x）。
+    本实验使用查表法计算错误图样。
+）计算出译码输出C（x）＝R(x)-E(x)
+\\
+\\
+### 3. 实验设计
+#### 3.1 总体架构
+程序由5个模块组成（图 16 1）：\\
+. BCH为顶层模块，完成各模块之间的连接；\\
+. clock模块实现50M时钟clk_50的4分频clk，clk_50作为signal_tap的采样时钟。clk作为其它四个模块的主时钟；\\
+. m_serial产生一个M序列作为数据作为编码模块的输入。\\
+. encoder是BCH的编码模块。\\
+. channel模块模拟信道，加入误码。\\
+. decoder是BCH的译码模块。
+{{ :图16-1.png |图16-1 程序总体模块图}}
+<WRAP centeralign>
+**图16-1 程序总体模块图**
+</WRAP>
+#### 3.2 m_serial模块（m_serial.v）
+m_serial模块产生一个的M序列作为数据用作BCH的数据输入，M序列的产生电路如所图 16 2示。每四个时钟周期产生一个输出，用计数器counter来控制。当counter等于3时，输出一个比特，一个使能data_en信号，data_en给encoder模块用于信号采样，在data_en为高电平时，时钟上升延采样。
+{{ :图16-2.png |图16-2 M序列生成电路}}
+<WRAP centeralign>
+**图16-2 M序列生成电路**
+</WRAP>
+<code verilog>
+input	clk;        		//时钟输入。
+input    reset;       		//复位输入。
+input    load;       		//load信号用于初始化M序列多项式系数。
+output   data_en;    		//M序列输出使能信号，高电平有效。
+output   data_out;    		//M序列输出。
+always @(posedge clk) begin
+if (!reset) begin
+	    	a7 <= 0;
+			a6 <= 0;
+			a5 <= 0;
+			a4 <= 0;
+			a3 <= 0;
+			a2 <= 0;
+			a1 <= 0;
+			a0 <= 0;
+			data_en <= 0;
+		end
+			else begin
+			    if (!load) begin //当load为低时，重新初始化M序列多项式系数。
+					a7 <= 1;
+					a6 <= 0;
+					a5 <= 0;
+					a4 <= 0;
+					a3 <= 0;
+					a2 <= 0;
+					a1 <= 0;
+					a0 <= 0;
+					data_en <= 0;
+				end
+				else begin
+					//counter是一个0～3的计数器。当counter==3时，输出一个比特。
+if (counter==3) begin
+data_en <= 1;
+a0 <= a1;
+a1 <= a2;
+a2 <= a3;
+a3 <= a4;
+a4 <= a5;
+a5 <= a6;
+a6 <= a7;
+a7 <= a4^a3^a2^a0;
+end
+else
+data_en <= 0;
+			end
+		end
+	end
+</code>
+#### 3.3 encoder模块(encoder.v)
+encoder模块完成BCH编码，在采得7位信息位后对它进行编码，然后将15位BCH码串行输出，同时输出data _valid信号用于指示encode_out有效。
+<code verilog>
+input	clk;        		//时钟信号。
+input   reset;      		//同步复位信号。
+input   data_en;     		//M序列数据使能信号。
+input   data_in;     		//M序列输入。
+output  encode_out;  		//BCH码输出。
+output 	encode_valid; 		//BCH码输出有效,高电平有效。
+//将输入的数据保存到temp中，temp可以存储一组7比特数据。
+always @(posedge clk) begin
+if(!reset) begin
+		temp <= 7'b000_0000;
+	 	counter <= 3'b000;
+	end
+	else begin
+		if(data_en)
+	   		if(counter == 3'b110) begin
+	    		temp[6-counter] <= data_in;
+	    		counter <= 3'b000;
+	    	end
+			else begin
+	    		temp[6-counter] <= data_in;
+	    		counter <= counter+1;
+	    	end
+		end
+	end
+//当temp接受完7比特数据后，将其送给info并对其进行编码。
+always @(posedge clk) begin
+if(!reset)
+		info[6:0] = 7'b000_0000;
+	else
+		if(counter == 3'b110 &&data_en == 1 )
+			info = temp;
+	end
+//信息码与生成矩阵相乘，实现编码功能。
+//data为15为编码结果，低7比特为原始数据，高8比特为校验位。
+assign data[14:8] = info[6:0]; //BCH前7位为信息。
+assign data[7] = info[6]^info[2]^info[0];  //后8位效验位生成。
+assign data[6] = info[6]^info[5]^info[2]^info[1]^info[0];
+assign data[5] = info[6]^info[5]^info[4]^info[2]^info[1];
+assign data[4] = info[5]^info[4]^info[3]^info[1]^info[0];
+assign data[3] = info[6]^info[4]^info[3];
+assign data[2] = info[5]^info[3]^info[2];
+assign data[1] = info[4]^info[2]^info[1];
+assign data[0] = info[3]^info[1]^info[0];
+//将编码后的15比特数据输出。
+always @(posedge clk) begin
+if(!reset) begin
+		encode_out <= 15'b000_0000_0000_0000;
+		encode_valid <= 0;
+	end
+	else
+		//当counter等于0时，表示完成数据输入和编码，下一个周期可以
+		//输出数据。
+		if(counter == 3'b000 && data_en == 1) begin
+	   	 	encode_valid <= 1; //编码有效信号，长度为15个时钟周期。
+	        cnt<=14;		  //cnt实现对输出数据个数的控制，为15比特。
+	    	encode_out <= data[14];
+		end
+		else
+		    if(cnt <= 0)
+			   	 encode_valid <= 0; //当15位编码输出结束后，编码有效位置为0。
+			else begin
+				encode_out <= data[cnt-1];//每个时钟周期输出一位BCH码。
+				encode_valid <= 1;
+				cnt <= cnt-1;
+			end
+	end
+end
+</code>
+#### 3.4 channel模块(channel.v)
+channel模块用于模拟简单的信道，在编码后的数据中加入误码，在此将第12位和第10位加入误码。Channel模块的接口如下：
+<code verilog>
+input   clk;       			//时钟信号
+input   data_in;      		//数据输入
+input   data_in_valid; 		//数据输入有效
+output  data_noise;        	//信道噪音数据
+程序如下：
+always @(posedge clk) begin
+		 if (!data_in_valid)
+			counter <= 0;
+		 else
+		  	if (counter == 14) begin
+				counter <= 0;
+				noise <= 0;
+			end
+			else
+				if (counter == 1 || counter==3) begin
+					counter <= counter+1;
+					noise <= 1;          当counter等于1或3时，noise置为1
+				end
+				else begin
+					counter <= counter+1;
+					noise <= 0; 		当counter等于其他数时，noise置为0
+				end
+		end
+</code>
+assign data_noise = noise^data_in;   信道输出为noise信号与data_in信号异或。
+#### 3.5 decoder模块(decoder.v)
+decoder模块用于解码，在data_valid为高电平时将数据缓存起来，然后根据输入的编码算出伴随多项式。然后用查表法找到错误图样。最后将纠错的码字串行输出，同时输出decode_valid信号，此时只输出7位信息位，校验位被丢弃。
+Decoder的输入输出接口如下：
+<code verilog>
+input	clk;        		//时钟信号
+input   reset;       		//同步复位信号
+input   data_in_valid;		//数据输入有效
+input   data_in;            //数据输入
+output  decode_out;         //BCH解码输出
+output  decode_valid;       //BCH解码有效
+实现程序如下：
+always @(posedge clk )
+	if (!reset) begin
+		temp <= 15'b000_0000_0000_0000; //temp保存了15比特的数据输入。
+		counter <= 0;
+	end
+	else begin
+		if(!data_in_valid)
+			counter <= 0;
+		else begin
+		    counter <= counter+1;
+		    temp[14-counter] <= data_in; //当有效为1时，将输入的15位编
+码按顺序送给Temp。
+	    end
+	end
+end
+always @(posedge clk) begin
+if (!reset)
+		info <= 0;  		//info中保存要译码的数据。
+	else
+		if (counter == 5'b01111)
+      		info <= temp; 	//当temp最后一位赋值结束后，将 temp赋值给info。
+ end
+  	//根据输入的码组计算出伴随多项式S。
+	wire [7:0] s;
+assign s[7] = info[14]^info[13]^info[12]^info[10]^
+info[8]^info[7]^info[4]^info[0];
+assign s[6] = info[12]^info[11]^info[10]^info[9]^
+info[7]^info[5]^info[4]^info[1];
+assign	s[5] = info[13]^info[12]^info[11]^info[10]^
+info[8]^info[6]^info[5]^info[2];
+     assign	s[4] = info[14]^info[13]^info[12]^info[11]^
+info[9]^info[7]^info[6]^info[3];
+	 assign	s[3] = info[14]^info[10]^info[9]^info[5]^info[4]^info[0];
+	 assign	s[2] = info[14]^info[13]^info[9]^info[8]^info[4]^info[3];
+	 assign	s[1] = info[14]^info[12]^info[9]^info[7]^info[4]^info[2];
+	 assign	s[0] = info[14]^info[13]^info[12]^info[11]^info[9]^
+info[8]^info[7]^info[6]^info[4]^info[3]^info[2]^info[1];
+   	//利用查找表找出此输入码组的错误图样，error为错误图样。
+reg [6:0] error;
+always @(s)
+		    case(s)
+'b10011111 : error = 7'b1000000;
+			      ……………………………………… //此处略去了查找表
+		        default     : error = 7'b0000000;
+		      endcase
+//info与error求异或，得到译码后的结果。
+assign data = error^info[14:8];
+	always @(posedge clk) begin
+		if (!reset) begin
+			decode_out <=7'b000_0000;
+			cnt <= 7;		//输出数据为7比特，由计数器cnt来控制。
+		end
+		else begin
+			if(counter == 5'b01111)
+				cnt <= 7;
+			else begin
+				if (cnt == 0)
+					decode_valid <= 0;
+				else begin
+					decode_out <= data[cnt-1];  //将译码后的信号依次输出。
+					decode_valid <= 1;         //输出信号有效。
+					cnt <= cnt-1;
+				end
+			end
+		end
+	end
+</code>
+\\
+\\
+### 4. 仿真结果
+图 16 3为ModelSim仿真的结果。图中对7位的M序列1100000进行编译码。经过BCH编码后的输出为110000010011100。再经过信道后加入噪声后，第12位和第10位发生了变化，变为111010010011100。在经过译码后输出为1100000，证明译码是正确的。
+{{ :图16-3.png |图16-3  程序仿真结果}}
+<WRAP centeralign>
+**图16-3  程序仿真结果**
+</WRAP>
+\\
+\\
+### 5. 运行结果
+图 16 4是程序运行的结果。在signaltap中可以看到编解码的正确性。编码输入为0001001，经过信道后变为000100111001100，在经过解码后输出为0001001，译码正确。
+{{ :图16-4.png |图16-4  程序运行结果}}
+<WRAP centeralign>
+**图16-4  程序运行结果**
+</WRAP>
+\\
+\\
+### 6. 演示程序文件说明
+|文件名|功能|
+|BCH.v|主程序|
+|clock.v|时钟分频|
+|m_serial.v|M序列产生|
+|encoder.v|BCH编码|
+|channel.v|信道噪声仿真|
+|decoder.v|BCH解码|
+|Test.v|测试程序，用于Modelsim仿真的测试程序，对BCH.v进行仿真|
+\\
+\\
+### 7. 演示程序使用
+演示设备要求：核心板
+演示步骤：把程序下载到开发板上，reset为复位键。KEY1为load信号输入。通过SignalTap观察运行结果。
-#### 实验内容
-#### 实验原理
-#### 程序设计
-#### 仿真结果
-#### 演示程序文件说明
-#### 演示程序使用