Thạc Sĩ kỹ thuật fpga áp dụng thực hiện cho bộ mã fec trong hệ dvb

KỸ THUẬT FPGA ÁP DỤNG THỰC HIỆN CHO BỘ
MÃ FEC TRONG HỆ DVB
MỤC LỤC
MỤC LỤC . i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC HÌNH VẼ . viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU . x
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FPGA 3
1.1. Mở đầu . 3
1.2. Tổng quan về FPGA 3
1.3. Xilinx FPGAs 5
1.3.1 Virtex-II CLB . 5
1.3.2 Virtex-II IOB 7
1.3.3 Virtex-II Clock Tiles 7
1.3.4. VirtexII Pro 8
1.4. VTsim 9
1.5. Các công trình liên quan tới VTsim: JHDL, JBits, JHDLBits và ADB . 10
1.5.1 JHDL 11
1.5.2 Cơ bản về JBits và ADB . 11
1.5.3 JHDLBits 11
1.6. Những cải tiến JHDLBits và JBits 12
1.7 Ứng dụng FPGA trong tính toán ô . 14
1.7.1 Thiết kế mức cao tổng quát 14
1.7.2. MULTIPLE . 17
1.7.3 SINGLE . 19
1.7.4 BOOTH 21
1.7. 5 BIT 23
1.8. Kết luận . 25
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA FPGA 27
2.1. Mở đầu 27
2.2. Ứng dụng FPGA cho trạm gốc 3G-UMTS 27
2.2.1. Tại sao lại lựa chọn FPGA 27
2.2.1.1 Giảm rủi ro thiết kế 27
2.2.1.2. Đáp ứng yêu cầu phát triển của BTS 27
2.2.2. Hạn chế của DSP ban đầu . 28
2.2.2.1 Thiết bị DSP ban đầu 28
2.2.2.2. Các ưu điểm về hiệu năng của FPGA . 28
2.2.3. Các tính năng chính của FPGA trong 3G 29
2.2.3.1. Tốc độ xử lý tín hiệu cao 29
2.2.3.2 Kiểm tra lỗi đường truyền (FEC) 29
2.2.3.3. Chức năng bắc cầu và điều khiển . 29
2.2.3.4. Các giao diện thích ứng với các chuẩn mạng khác nhau 30
2.2.4. Máy thu phát 3G 30
2.2.4.1. Máy thu - phát 30
2.2.4.2 Máy thu Rake 31
2.2.5. Sơ đồ MUD . 31
2.2.6.1 Cơ sở 32
2.2.6.2 Kiến trúc VLSI nhằm tới FPGA . 35
2.2.6.3 Phương thức thực hiện 39
2.2.6.4. Kết quả . 40


iii
2.2.6. Phân vùng hệ thống . 43
2.2.6.1. Phân vùng Mip cao . 43
2.2.6.2. Phân vùng Mip thấp 44
2.2.6.3. Phân vùng quản lý hệ thống 44
2.2.7. Mô hình FPGA với 64 kênh AMR 44
2.3. Ứng dụng FPGA cho mã Turbo . 45
2.3.1. Bộ mã hóa TCC . 45
2.3.1.1. Các tính năng . 45
2.3.1.2. Ứng dụng . 45
2.3.1.3 Mô tả tổng quan . 45
2.3.1.4. Hoạt động đa kênh 47
2.3.2. Bộ giải mã TCC . 52
2.3.2.1. Giới thiệu: 52
2.3.2.2. Đặc tính: 52
2.3.2.3. Ứng dụng . 52
2.3.2.4. Mô tả chung 52
2.4. Kết luận . 54
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT FPGA ÁP DỤNG THỰC HIỆN CHO BỘ MÃ FEC
HỆ DVB . 55
3.1. Mở đầu 55
3.2. Bộ mã hoá và giải mã FEC, hệ DVB 55
3.2.1. Tổng quan về FEC 55
3.2.1.2. Tổng quan về truyền hình số mặt đất . 56
3.3. Sơ đồ mô phỏng bộ mã hoá giải mã FEC trong hệ DVB 60
3.3.1. Sơ đồ khối chung 60
3.3.2. Bộ mã hoá 60
3.3.2.1 Bộ trễ . 61
3.3.2.2 Bộ mã hoá ngoài 61
3.3.2.3 Khối mã hoá chập 61
3.3.2.4 Khối mã hoá trong 62
3.3.2.5 Khối đục lỗ . 62
3.3.3. Bộ giải mã 63
3.3.3.1 Bộ giải mã hoá ngoài . 63
3.3.3.2 Khối giải mã hoá chập 63
3.3.3.3 Khối giải mã hoá trong 64
3.3.2.3 Khối giải đục lỗ 64
3.4. Thực hiện và kết quả thu được 64
3.4.1. Các bước thực hiện 64
3.4.1.1 Thực hiện trong phần mềm Math lab 64
3.4.1.1 Thực hiện trong ISE 65
3.4.1.1 Thực hiện trong FUSE 65
3.4.1. Kết quả thu được cho bộ mã hoá 65
3.4.1.1 Đầu vào mã hoá 65
3.4.1.2 Đầu ra sau khi mã hoá 65
3.4.1. Kết quả thu được cho bộ giải mã 65
3.4.1.2 Đầu ra sau khi giải mã hoá 65
3.4.1.2 Đầu ra giải mã sẵn sàng FIFO 66
KẾT LUẬN 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 70


iv
1.Liên hệ giữa Matlab và FPGA . 70
1.1. Tích hợp thuật toán Matlab vào trong thiết kế FPGA 70
1.2. Matlab một môi trường phát triển cho thiết kế FPGA 75


MỞ ĐẦU
Sự thành công của công nghệ kỹ thuật mới phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tích hợp,
hội tụ của các giải thuật, các thuật toán đã được nghiên cứu cho các vi mạch vào thực tế.
Các hệ thống ngày càng tiến đến xu hướng hội tụ lại và trở nên mềm dẻo hơn, dễ dàng cấu
hình cũng như khả năng phối kết hợp với các hệ thống khác.
Trong những năm gần đây đòi hỏi về sử dụng các dịch vụ di động tốc độ cao, băng
thông lớn đang ngày càng tăng. Yêu cầu về tốc độ dữ liệu cao dẫn tới lớp vật lý trở nên
phức tạp hơn. Đã có rất nhiều mô hình được nghiên cứu và đưa và sử dụng thực tế như là
MIMO, quá trình xử lý tín hiệu số tiên tiến, các mô hình sửa lỗi trước tiên tiến
(FEC) Rất nhiều chuẩn như là WCDMA (HSDPA), CDMA2000(1xEV-DO), Wi-MAX
đã tích hợp các mô hình này. Cùng với đó các thuật toán phức tạp cũng được đề nghị để
cải tiến hiệu năng của máy phát - thu. Mặc dù rất nhiều thuật toán đã được đề nghị nhưng
không phải thuật toán nào cũng được đưa vào sử dụng trong thực tế do độ phức tạp của
thuật toán và hạn chế về công nghệ. Hơn nữa, đối với các thiết bị di động thì các thuật
toán này phải có khả năng trong việc sử dụng tài nguyên, gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng
lượng.
FPGA cho phép cấu hình lại để thay đổi chức năng logic. Khả năng này cho phép nhà
thiết kế có thể thoải mái phát triển, dễ dàng thay đổi chức năng phần cứng giống như đang
thực hiện trên phần mềm.Thậm chí FPGA còn có thể tự động cấu hình để thực hiện các
chức năng khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau. Phù hợp cho việc triển
khai các thiết bị vô tuyến thông minh (Cognitive Radio System - CRS), vô tuyến định
nghĩa bằng phân mềm (Software - Defined Radio - SDR). Khả năng cho phép cấu hình
lại chức năng logic có thể ứng dụng trong nhiều kiểu hệ thống để cài đặt hệ thống tự khắc
phục lỗi, tạo hệ thống có thể được cấu hình cho nhiều môi trường hoạt động, hoặc cài đặt
thành phần cứng đa mục đích cho các ứng dụng khác nhau. Hơn nữa, sử dụng FPGA có
thể dễ thiết kế và kiểm tra phần cứng cũng như khả năng nhanh chóng tung sản phẩm ra
thị trường.
Với những ưu thế của FPGA nó cho thấy lựa chọn FPGA là một tất yếu vào thời điểm
hiện nay để đáp ứng các yêu cầu về thiết bị, làm cho khả năng triển khai các thuật toán
cũng như giải thuật mới được đưa vào thực tế.
Nhận thức được những vấn đề trên, cùng với sự định hướng của thầy giáo TS. TRỊNH
ANH VŨ, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là
“Kỹ thuật FPGA áp dụng thực hiện cho bộ mã hoá FEC
trong hệ DVB”
Theo đó, đồ án được tổ chức và trình bày trong ba chương
Chương 1: Tổng quan về FPGA
Trình bày chung về FPGA, Xilinx FPGAs, các cải tiến của JBits, các công trình trước
đây và hiện nay có liên quan tới VTsim, các công cụ ảnh hưởng tới VTsim.
Mô tả bốn kiến trúc tính toán ô thực hiện cho việc nghiên cứu, trình bày phần cứng
FPGA mức cao dùng cho mỗi từng kiến trúc để thuận tiện tương tác với hệ thống phân
loại dựa trên cách tính toán của mỗi kiến trúc. Bốn kiến trúc MULTIPLE, SINGLE,
BOOTH, và BIT được phân biệt dựa vào cách mà chúng tính toán giải quyết bằng các cấp
độ tương đương và bằng cách thực hiện các phép tính số học khác nhau. Phần cứng được


2
thiết kế cụ thể cho từng vấn đề, bởi vậy mỗi kiến trúc bao gồm các khối số học rất nhỏ yêu
cầu để tính toán vấn đề. Do đó, mỗi khối số học được dùng chỉ trong mỗi xung đồng hồ.
Tính logic yêu cầu cho tương tác hệ thống được giảm nhỏ nhất để lưu trữ nhiều vùng chíp
có thể cho tính toán ô.
Chương 2: Một vài ứng dụng của FPGA
Trình bày một số lý do tại sao sử dụng FPGA cho trạm gốc, một số tính năng chính của
FPGA ứng dụng trong trạm gốc 3G, sơ đồ máy thu - phát, sơ đồ MUD, trình bày về hoạt
động của các mạch thực tế cho việc mã hóa và giải mã Turbo.
Chương 3: Ứng dụng FPGA trong bộ mã hoá FEC trong hệ DVB
Trình bày tổng quan về FEC, về hệ DVB, về sơ đồ thiết kế cụ thể bằng Mathlab được
cung cấp sẵn có bởi Xilinx mô phỏng bộ mã hoá FEC, các kết quả thu được.
Được sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của
thầy giáo TS. Trịnh Anh Vũ và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng với sự cố
gắng, nỗ lực của bản thân đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và
phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn sinh viên chỉ bảo đóng
góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Trịnh Anh Vũ đã tận tình giúp đỡ trong thời
gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp.