通信系統(tǒng)CRC循環(huán)碼

1、 通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告 目 錄 序言 2第一章 通信系統(tǒng)課程設(shè)計要求要求和方案 31.1通信系統(tǒng)課程設(shè)計總體要求 31.2課程設(shè)計題目 31.3 CRC編解碼器設(shè)計方案 3 第二章 Quartus 簡介 52.1 Quartus II簡介 5第三章 (24，16）CRC 循環(huán)碼編解碼器的設(shè)計 73.1 CRC循環(huán)校驗(yàn)碼的基本原理 7 3.1.1 CRC校驗(yàn)碼的生成 7 3.1.2 CRC校驗(yàn)碼校驗(yàn)原理 73.2 （24，16）CRC循環(huán)碼編解碼器的實(shí)現(xiàn) 83.2.1 CRC-8 生成多項(xiàng)式 83.2.2 （24，16）CRC 循環(huán)碼編碼器的設(shè)計 83.2.3 （24，16）CRC 循環(huán)碼解碼器

2、的設(shè)計 103.2.4 （24，16）CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼編解碼器總圖 12第四章 CRC循環(huán)校驗(yàn)碼的應(yīng)用 13體會與建議 14參考文獻(xiàn) 15附錄 16 序 言 通常，數(shù)據(jù)通信中的編碼可以分為兩大類，分別是信源編碼和信道編碼。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性而采取的編碼稱為信道編碼，也稱做抗干擾編碼。一般來講，數(shù)據(jù)通信要求傳輸過程中的誤碼率應(yīng)該足夠低，這樣才能真正符合實(shí)際應(yīng)用的具體要求，為了降低數(shù)據(jù)通信線路傳輸?shù)恼`碼率，通常有改善數(shù)據(jù)通信線路傳輸質(zhì)量和差錯檢測控制兩種方法。 實(shí)現(xiàn)差錯檢測控制的方法很多，循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）就是一類重要的線性分組碼。循環(huán)冗余碼校驗(yàn)英文名稱為Cyclic

3、al Redundancy Check，簡稱CRC。CRC校驗(yàn)碼碼的作用是：發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給了接收方，但是由于在傳輸過程中信號干擾，可能出現(xiàn)錯誤的碼，造成的結(jié)果就是接收方不清楚收到的數(shù)據(jù)是否就是發(fā)送方要發(fā)的數(shù)據(jù)，所以就有了CRC校驗(yàn)碼。保證了發(fā)送跟接受的數(shù)據(jù)是否一樣，要糾錯的話，還需對軟件進(jìn)行設(shè)計，畢竟傳輸?shù)氖?進(jìn)制，如果知道了哪一位出錯了，可以把那一位取反，需要對軟件進(jìn)行優(yōu)化。CRC也是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定。它是利用除法及余數(shù)的原理來作錯誤偵測的。實(shí)際應(yīng)用時，發(fā)送裝置計算出CRC值并隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收裝置，接收裝置對收到的

4、數(shù)據(jù)重新計算CRC并與收到的CRC相比較，若兩個CRC值不同，則說明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)錯誤。 本次課程設(shè)計主要設(shè)計（24，16）校驗(yàn)碼的編碼與解碼，本次課程設(shè)計是介紹如何通過quartus軟件，采用原理圖輸入法，分別完成相應(yīng)的編碼和解碼；最后將編碼和解碼電路圖結(jié)合，檢查編碼解碼過程是否發(fā)生錯誤。通過課程設(shè)計驗(yàn)證CRC校驗(yàn)碼的檢錯糾錯功能。 第一章 通信系統(tǒng)課程設(shè)計總體要求和方案1.1通信系統(tǒng)課程設(shè)計總體要求 1、根據(jù)題目要求的功能進(jìn)行設(shè)計；設(shè)計出整體電路圖和流程框圖； 2、設(shè)計的電路圖的每個組成部分須有設(shè)計說明；以及整體電路概述； 3、采用原理圖或 VHDL 語言輸入法，在計算機(jī)上進(jìn)行編譯和軟件仿真

5、。1.2課程設(shè)計題目 （24，16）CRC 循環(huán)碼編解碼器設(shè)計（2 人合作） 1、采用原理圖輸入法。 2、根據(jù) CRC 循環(huán)碼的編解碼原理，確定編解碼器具體設(shè)計方案。 3、設(shè)計 （24，16）CRC 循環(huán)碼編解碼器電路圖。 4、調(diào)試及彷真時序波形。 1.3 CRC編解碼器設(shè)計方案 CRC循環(huán)校驗(yàn)碼的產(chǎn)生和校驗(yàn)既可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)，較經(jīng)典的硬件實(shí)現(xiàn)算法有移位計算法、查表計算法和公式法。 方法一、移位計算法。移位計算法就是直接模擬CRC校驗(yàn)碼基本原理中除法的過程，來得到余數(shù)從而得到即CRC值。設(shè)生成多項(xiàng)式g(x)有r位，由于最高位是要一直消掉的，所以只需要一個r位的寄存器。 圖1 移位算

6、法實(shí)現(xiàn)框圖 圖中由R0-Rr-1構(gòu)成的CRC 寄存器是一個r位移位寄存器 組，用來存儲r位的CRC校驗(yàn)碼R(x)。運(yùn)算控制開關(guān)g1-gr-1的位置與生成多項(xiàng)式G(x) 的系數(shù)相關(guān)，對應(yīng)系數(shù)1的開關(guān)接通反饋支路（上端），否則接地（右側(cè)）。編解碼前清零CRC寄存器，在時鐘驅(qū)動下，待校驗(yàn)的信息碼B(x)經(jīng)運(yùn)算處理逐位移入CRC寄存器中，當(dāng)信息碼全部輸入之后，CRC寄存器中存放的值即為生成的CRC碼。另只須輸出開關(guān)C開始接下端，在時鐘驅(qū)動下逐位輸出待校驗(yàn)的k位信息碼B(x) ，然后改接上端，再逐位將CRC寄存器中的校驗(yàn)碼R(x)輸出即可。該算法原理簡單，易于硬件實(shí)現(xiàn)，但是效率較低，主要用于串行通信中，

7、不適合高速通信的場合。 方法二、查表計算法。該算法是指事先把待校驗(yàn)的信息碼B(x) 的所有CRC碼全部計算出來，放在一個表里，編碼時只要根據(jù)M(x)從表中找出對應(yīng)的值進(jìn)行處理即可。編解碼前清零CRC寄存器，編碼時待信息碼M(x)輸入結(jié)束，CRC寄存器的值即為校驗(yàn)碼R(x) ；解碼校驗(yàn)時待傳送碼B(x)輸入結(jié)束時，若CRC寄存器中的值為零，則表明傳輸無誤。該算法執(zhí)行速度快，適合于高速通信場合，但由于需要大容量的存儲表，花費(fèi)的硬件資源較移位計算法要大得多。 圖2 查表算法實(shí)現(xiàn)框圖 方法三、公式法。公式法與查表算法一樣，也是以字節(jié)數(shù)據(jù)為輸入，采用遞推算法，不同之處在于公式法使用公式實(shí)時計算CRC碼，

8、從而省去了查找，不僅節(jié)省了硬件存儲資源，還能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。因此可以認(rèn)為公式法是目前前景較好的一種實(shí)現(xiàn)方法。 第二章 Quratus II簡介2.1 quartus ii簡介 Quartus II 是Altera公司開發(fā)的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。 圖3 Quartus軟件打開后的界面Quartus II 的優(yōu)點(diǎn)： Quartus II提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無關(guān)的開發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計的全部特性，包括： 可利用原理圖、

9、結(jié)構(gòu)框圖、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成電路描述，并將其保存為設(shè)計實(shí)體文件； 可用于芯片（電路）平面布局連線編輯； 是一款功能強(qiáng)大的邏輯綜合工具；完備的電路功能仿真與時序邏輯仿真工具； 支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建，并將它們鏈接起來生成編程文件； 使用組合編譯方式可一次完成整體設(shè)計流程；自動定位編譯錯誤； 是一款高效的期間編程與驗(yàn)證工具； 可讀入標(biāo)準(zhǔn)的EDIF網(wǎng)表文件、VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件； Quartus ii能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件。 該軟件界面友好，使用便捷，功能強(qiáng)大，是一個完全集成化的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，是先進(jìn)

10、的EDA工具軟件。Quartus II 可以在XP 、Linux 以及Unix 上使用，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式。具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境, 由于其強(qiáng)大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。 使用軟件時，我們可以雙擊桌面快捷方式圖標(biāo)，打開軟件進(jìn)行編輯。 總而言之，參照設(shè)計方案與軟件結(jié)合使用，我們選擇方法一：移位計算法來設(shè)計CRC-8循環(huán)碼的編解碼器。該方法簡單實(shí)用，易于quartus進(jìn)行硬件電路的設(shè)計仿真。 第三章 （24，16）CRC循環(huán)碼編解碼器的設(shè)計3.1 CRC循環(huán)校驗(yàn)碼的基本原理 利用CRC進(jìn)行檢錯

11、的過程可簡單描述為：在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗(yàn)用的r位監(jiān)督碼(CRC碼)，附在原始信息后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共k+r位，然后發(fā)送出去。這種編碼又叫（n，k）碼。對于一個給定的（n，k）碼，可以證明存在一個最高次冪為n-k=r的多項(xiàng)式g(x)。根據(jù)G(x)可以生成監(jiān)督碼，而g(x)叫做這個CRC碼的生成多項(xiàng)式。3.1.1 CRC校驗(yàn)碼的生成 校驗(yàn)碼的具體生成過程為： 設(shè)發(fā)送的信息碼用多項(xiàng)式m(x)表示，它的生成多項(xiàng)式為g（x）。則m(x)的最高次項(xiàng)為 k-1。將 m(x)乘以xn-k,，得到xn-k*m(x)； 用xn-k*m(x)去模2除g(x)，

12、得到余式r(x)，即 r（x）=xn-k*m（x） mod g（x）r(x)的次數(shù)必小于g(x)的次數(shù)，即小于 n-k。 將余式加于信息位之后作為監(jiān)督位，即將 r(x)與 xn-k*m(x)相加，得到的多項(xiàng)式為碼多項(xiàng)式，因?yàn)樗啬鼙?g(x)整除，且商的次數(shù)不大于 k-1。因此循環(huán)碼的碼多項(xiàng)式可表示為 T(x)= xn-k*m(x)+ r(x) 其中，xn-k*m(x)代表信息位；r(x)是 xn-k*m(x)與g(x)模2相除得到的余式，代表監(jiān)督位。3.1.2 CRC校驗(yàn)碼校驗(yàn)原理 因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸過程中，可能會由于噪聲或傳輸特性不理想而使數(shù)據(jù)序列中的某一位或某些位發(fā)生錯誤，導(dǎo)致接收端接受的序

13、列發(fā)生錯誤。所以必須在數(shù)據(jù)的接收端進(jìn)行校驗(yàn)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸正確性的檢查。編碼電路的主體是由生成多項(xiàng)式構(gòu)成的除法電路，再加上適當(dāng)?shù)目刂齐娐方M成?；贑RC編碼原理，可見其校驗(yàn)原理也是十分簡單的，它在接收端只需要對接收到的序列直接進(jìn)行除法取余式運(yùn)算。若余式為全0，則表示數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有發(fā)生錯誤；若不為0，則表示發(fā)生錯誤，那么就需要對錯誤的序列進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。檢驗(yàn)過程的多項(xiàng)式除法形式可以表示為兩種形式： M（x）/G（x）=Q（x）+R（x）/G（x） M（x）= R（x） mod G（x） 由此可見，生成多項(xiàng)式G（x）對于CRC循環(huán)碼而言是至關(guān)重要的，決定了CRC碼的算法和最終結(jié)

14、果。3.2 （24，16）CRC循環(huán)碼編解碼器的實(shí)現(xiàn) 3.2.1 CRC-8 生成多項(xiàng)式 生成多項(xiàng)式特點(diǎn)如下： （1）g（x）是常數(shù)項(xiàng)為1的 r=n-k 次，也是循環(huán)碼中次數(shù)最低的多項(xiàng)式； （2）所有許用碼組多項(xiàng)式都是g（x）的倍式； （3）g（x）是xn+1的一個因式。CRC-8 的生成多項(xiàng)式為：g（x）= x 8+ x5 + x4 +1 或 g（x）= x 8+ x2 + x +1 3.2.2 （24，16）CRC 循環(huán)碼編碼器的設(shè)計 CRC 循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式并不唯一，在設(shè)計中我們選擇x8+x5+x4+1作為（24，16）CRC循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式。（1）編碼之步驟如下： m(x)乘以 x

15、n-k r(x)= xn-k*m(x) mod g(x) T(x)= xn-k*m(x)+ r(x) （2）具體電路圖如下： 圖4 （24，16）CRC循環(huán)編碼器電路 圖5 （24，16）CRC編碼器電路封裝(3)電路工作原理 g（x）的最高次數(shù)r等于移位寄存器的級數(shù)；g（x）的非零系數(shù)對應(yīng)移位寄存器的反饋抽頭。 執(zhí)行時，首先將移位寄存器清零，前16位信息位輸入時，門1斷開，門2接通，直接輸出信息碼元，同時送入移位寄存器進(jìn)入除法運(yùn)算。 第 16位移位脈沖到來時，將除法電路運(yùn)算所得的余數(shù)存入移位寄存器。第17-24次移位時，門1接通，門2斷開，輸出監(jiān)督碼。輸入的信息元不同，得到的碼元序列也不同。

16、由附錄可見： 若信息碼為 1111 1111 1111 1111，可以得到信息序列為 1111 1111 1111 1111 00101101； 若信息碼為 0000 0000 1111 1111，可以得到信息序列為 0000 0000 1111 1111 10101100； 若信息碼為 1010 1010 1010 1010 ，可以得到信息序列為 1010 1010 1010 1010 00110110。編碼仿真結(jié)果波形為：（波形有 10ns 的延時） 圖6 輸入信息碼為1010 1010 1010 1010 時的仿真波形由圖可知，得到的循環(huán)碼與計算所得結(jié)果一致，證明了編碼器設(shè)計無誤，符合基

17、本要求，為解碼做好準(zhǔn)備。3.2.3 （24，16）CRC 循環(huán)碼解碼器的設(shè)計（1） 解碼器設(shè)計原理 接收端解碼的目的是檢錯。由于任一碼多項(xiàng)式A(x)都應(yīng)該可以被生成多項(xiàng)式 g(x)整除，所以在接收端可以將接收碼組B(x)用生成多項(xiàng)式g（x）去除。若余式為0，則表示沒有誤碼，接收端正常接收碼元；若余式不為0，則表示傳輸出錯，接收端不進(jìn)行接收。即： 余式為0，無錯 接收碼組B（x）/g（x）= 余式不為0，出錯 所以可以用余項(xiàng)是否為零來判斷碼組中有無誤碼。CRC 解碼電路的目的只是用來檢錯，一旦有錯碼出現(xiàn)，則不接收碼組并反饋高電平，使發(fā)送端重發(fā)，若碼組正確則接收信息碼及校驗(yàn)碼。 需要指出，有錯碼的

18、接收碼組也有可能被 g(x)整除，這時的錯碼就不能檢出了。在實(shí)際使用中，一般情況下碼組不是孤立傳輸?shù)模且唤M組連接傳輸?shù)?。但是，由以上解碼過程可知，除法電路在一個碼組的時間內(nèi)運(yùn)算求出余式后，尚需在下一個碼組的時間內(nèi)進(jìn)行檢錯甚至糾錯，因此，實(shí)際的解碼器需要兩套除法電路配合一個緩沖寄存器，這兩套除法電路由開關(guān)控制交替接收碼組。此外，在解碼器輸出端也需要有開關(guān)控制只輸出信息位，刪除監(jiān)督位。 （2） 具體電路圖如下： 圖7 （24，16）CRC循環(huán)解碼器電路 圖8 （24，16）CRC解碼器電路封裝解碼仿真結(jié)果波形為： 圖9 信息碼為1010 1010 1010 1010 0011 0110時的解碼

19、 波形分析：接收端信息為1010 1010 1010 1010 0011 0110，即為正確序列碼組，輸出應(yīng)該從第二十五個時鐘，即下一周期開始觀察，如圖，每個周期為 20us，即從480us開始觀察，輸出z為正確信息序列，信號位z1為低電平，表明解碼為正確碼組。 又如輸入錯誤碼組：1011 1010 1010 1010 0011 0110 當(dāng)輸入碼組為錯碼時： 圖 10 輸入錯誤碼組時的解碼波形 波形分析：如圖，接收端信息為1011 1010 1010 1010 0011 0110，即為錯誤序列碼組，輸出從第二個周期開始觀察，輸出z為接收信息，與輸入一致，但信號位z1為高電平，表示接收誤碼并要

20、求發(fā)送端重發(fā)，可見與設(shè)計思想一致。 3.2.4 （24，16）CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼編解碼器總圖 將CRC編解碼時建模的圖形連接在一起，組成（24，16）CRC循環(huán)編解碼器。如下所示： 圖13 （24，16）CRC 循環(huán)編解碼器 第四章 CRC 循環(huán)校驗(yàn)碼的廣泛應(yīng)用 CRC是常用的校驗(yàn)碼，在早期的通信中運(yùn)用廣泛，因?yàn)樵缙诘耐ㄐ偶夹g(shù)不夠可靠（不可靠性的來源是通信技術(shù)決定的，比如電磁波通信時受雷電等因素的影響），不可靠的通信就會帶來確認(rèn)信息的困惑，對通信的可靠性檢查就需要校驗(yàn)，校驗(yàn)是從數(shù)據(jù)本身進(jìn)行檢查，它依靠某種數(shù)學(xué)上約定的形式進(jìn)行檢查，校驗(yàn)的結(jié)果是可靠或不可靠，如果可靠就對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果不可

21、靠，就丟棄重發(fā)或者進(jìn)行修復(fù)。因此采用循環(huán)碼編碼,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,是提高系統(tǒng)性能和可靠性的重要措施。循環(huán)碼是線性分組碼的一個重要子類,有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),具有糾、檢錯能力,且編碼、解碼用軟件、硬件都容易實(shí)現(xiàn)。研究了循環(huán)碼實(shí)現(xiàn)的方法和應(yīng)用原理, 結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用于前向糾錯方式中, 能大大提高通信質(zhì)量。而CRC是一種在實(shí)際通信中應(yīng)用很廣泛的差錯控制編碼，具有很強(qiáng)的檢錯能力。 體會與心得通過這一次通信課程設(shè)計，讓我對CRC校驗(yàn)碼有了很深的了解，也相應(yīng)的對quartus軟件的使用有了很大的加深。經(jīng)過我的努力，還是比較符合要求的完成了課題的設(shè)計。這也使我明白了，學(xué)習(xí)上的很多事情，只要肯下功夫去鉆研，就一定能夠有所收獲的。作為通信專業(yè)的學(xué)生，通過通信原理的課程設(shè)計，可以提高我們對通信電路設(shè)計領(lǐng)域的認(rèn)識，有利于培