Kỹ thuật FPGA áp dụng thực hiện cho bộ mã FEC trong hệ DVB

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN KHÁNH THÀNH KỸ THUẬT FPGA ÁP DỤNG THỰC HIỆN CHO BỘ MÃ FEC TRONG HỆ DVB LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ii MỤC LỤC MỤC LỤC ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU 11 MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FPGA Error! Bookmark not defined 1.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined 1.2 Tổng quan FPGA Error! Bookmark not defined 1.3 Xilinx FPGAs Error! Bookmark not defined 1.3.1 Virtex-II CLB Error! Bookmark not defined 1.3.2 Virtex-II IOB Error! Bookmark not defined 1.3.3 Virtex-II Clock Tiles Error! Bookmark not defined 1.3.4 VirtexII Pro Error! Bookmark not defined 1.4 VTsim Error! Bookmark not defined 1.5 Các công trình liên quan tới VTsim: JHDL, JBits, JHDLBits ADB Error! Bookmark not defined 1.5.1 JHDL Error! Bookmark not defined 1.5.2 Cơ JBits ADB Error! Bookmark not defined 1.5.3 JHDLBits Error! Bookmark not defined 1.6 Những cải tiến JHDLBits JBits Error! Bookmark not defined 1.7 Ứng dụng FPGA tính toán ô Error! Bookmark not defined 1.7.1 Thiết kế mức cao tổng quát Error! Bookmark not defined 1.7.2 MULTIPLE Error! Bookmark not defined 1.7.3 SINGLE Error! Bookmark not defined 1.7.4 BOOTH Error! Bookmark not defined 1.7 BIT Error! Bookmark not defined 1.8 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA FPGA Error! Bookmark not defined 2.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined 2.2 Ứng dụng FPGA cho trạm gốc 3G-UMTS Error! Bookmark not defined 2.2.1 Tại lại lựa chọn FPGA Error! Bookmark not defined 2.2.1.1 Giảm rủi ro thiết kế Error! Bookmark not defined 2.2.1.2 Đáp ứng yêu cầu phát triển BTS Error! Bookmark not defined 2.2.2 Hạn chế DSP ban đầu Error! Bookmark not defined 2.2.2.1 Thiết bị DSP ban đầu Error! Bookmark not defined 2.2.2.2 Các ưu điểm hiệu FPGA Error! Bookmark not defined 2.2.3 Các tính FPGA 3G Error! Bookmark not defined 2.2.3.1 Tốc độ xử lý tín hiệu cao Error! Bookmark not defined 2.2.3.2 Kiểm tra lỗi đường truyền (FEC) Error! Bookmark not defined 2.2.3.3 Chức bắc cầu điều khiển Error! Bookmark not defined 2.2.3.4 Các giao diện thích ứng với chuẩn mạng khác Error! Bookmark not defined 2.2.4 Máy thu phát 3G Error! Bookmark not defined 2.2.4.1 Máy thu – phát Error! Bookmark not defined 2.2.4.2 Máy thu Rake Error! Bookmark not defined 2.2.5 Sơ đồ MUD Error! Bookmark not defined 2.2.6.1 Cơ sở Error! Bookmark not defined 2.2.6.2 Kiến trúc VLSI nhằm tới FPGA Error! Bookmark not defined iii -2.2.6.3 Phương thức thực Error! Bookmark not defined 2.2.6.4 Kết Error! Bookmark not defined 2.2.6 Phân vùng hệ thống Error! Bookmark not defined 2.2.6.1 Phân vùng Mip cao Error! Bookmark not defined 2.2.6.2 Phân vùng Mip thấp Error! Bookmark not defined 2.2.6.3 Phân vùng quản lý hệ thống Error! Bookmark not defined 2.2.7 Mô hình FPGA với 64 kênh AMR Error! Bookmark not defined 2.3 Ứng dụng FPGA cho mã Turbo Error! Bookmark not defined 2.3.1 Bộ mã hóa TCC Error! Bookmark not defined 2.3.1.1 Các tính Error! Bookmark not defined 2.3.1.2 Ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.3.1.3 Mô tả tổng quan Error! Bookmark not defined 2.3.1.4 Hoạt động đa kênh Error! Bookmark not defined 2.3.2 Bộ giải mã TCC Error! Bookmark not defined 2.3.2.1 Giới thiệu: Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Đặc tính: Error! Bookmark not defined 2.3.2.3 Ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.3.2.4 Mô tả chung Error! Bookmark not defined 2.4 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT FPGA ÁP DỤNG THỰC HIỆN CHO BỘ MÃ FEC HỆ DVB……… Error! Bookmark not defined 3.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined 3.2 Bộ mã hoá giải mã FEC, hệ DVB Error! Bookmark not defined 3.2.1 Tổng quan FEC Error! Bookmark not defined 3.2.1.2 Tổng quan truyền hình số mặt đất Error! Bookmark not defined 3.3 Sơ đồ mô mã hoá giải mã FEC hệ DVB Error! Bookmark not defined 3.3.1 Sơ đồ khối chung Error! Bookmark not defined 3.3.2 Bộ mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.2.1 Bộ trễ Error! Bookmark not defined 3.3.2.2 Bộ mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.2.3 Khối mã hoá chập Error! Bookmark not defined 3.3.2.4 Khối mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.2.5 Khối đục lỗ Error! Bookmark not defined 3.3.3 Bộ giải mã Error! Bookmark not defined 3.3.3.1 Bộ giải mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.3.2 Khối giải mã hoá chập Error! Bookmark not defined 3.3.3.3 Khối giải mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.2.3 Khối giải đục lỗ Error! Bookmark not defined 3.4 Thực kết thu Error! Bookmark not defined 3.4.1 Các bước thực Error! Bookmark not defined 3.4.1.1 Thực phần mềm Math lab Error! Bookmark not defined 3.4.1.1 Thực ISE Error! Bookmark not defined 3.4.1.1 Thực FUSE Error! Bookmark not defined 3.4.1 Kết thu cho mã hoá Error! Bookmark not defined 3.4.1.1 Đầu vào mã hoá Error! Bookmark not defined 3.4.1.2 Đầu sau mã hoá Error! Bookmark not defined 3.4.1 Kết thu cho giải mã Error! Bookmark not defined 3.4.1.2 Đầu sau giải mã hoá Error! Bookmark not defined 3.4.1.2 Đầu giải mã sẵn sàng FIFO Error! Bookmark not defined iv -KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined 1.Liên hệ Matlab FPGA Error! Bookmark not defined 1.1 Tích hợp thuật toán Matlab vào thiết kế FPGA Error! Bookmark not defined 1.2 Matlab môi trường phát triển cho thiết kế FPGA Error! Bookmark not defined v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A ADB Alternate Wire Database Cơ sở liệu dây thay AHB Advanced High- Performance Bus Bus hiệu cao tăng cường AMR Adaptive Multi Rate Bộ thích ứng đa tốc độ API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ARIB Association of Radio Industries and Businesses ASIC Application Specific Intergrated Circuit ATSC Advanced Television System Committee Vi mạch tích hợp ứng dụng B Tỷ lệ lỗi khối BLER Block Error Rate BSTOFDM Band Segmented OFDM BTS Base Transceiver Station Trạm phát gốc CC Convolutional Coding Mã hoá chập CDMA Code Device Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã CLB Configurable Logic Block Khối logic khả cấu hình CM Core Module Modun lõi C D vi DCI Digitally Controlled Impedance Trở kháng điều khiển kỹ thuật số DCM Digital Clock Manager Bộ quản lý clock kỹ thuật số DDR Dual Data Rate Công nghệ lưu liệu kép DIGEG Digital Broadcasting Expert Group DSP Digital Signal Processing DVB-T Digital Video BroadcastingTerrestrial Xử lý tín hiệu số F FPGA Field Programmable Gate Array Vi mạch mảng phần tử logic khả trình FSM Finite State Machine Thiết bị trạng thái hạn chế FEC Forward Error Correction Gửi tin tự sửa lỗi Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng G GUI H HDL Hardware Description Languages Ngôn ngữ mô tả phần cứng I Nhiễu xuyên ký tự ISI Inter Symbols Interference ITU International Telecommunication Tổ chức viễn thông toàn cầu Union IOB Input/Output Block Khối vào Java Hardware Desription language Ngôn ngữ mô tả phần cứng Java J JHDL vii L LUT Look Up Table Bảng dò tìm LE Logical Element Phần tử logic LM Logic Module Modun logic MIMO Multi Input Multi Output Nhiều đầu vào nhiều đầu MMSE Minimum-Mean-Square-Error Lỗi trung bình quân phương tối thiểu MAI Multi-Access Interferences Nhiễu đa truy nhập MUD Multi User Detection Bộ dò đa người dùng Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao RTL Register Transfer Level Mức chuyển đổi ghi RTR Run Time Reconfiguration Đặt lại cấu hình thực RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ nhớ đọc RS Reed-solomon M O OVSF R S SEU Single Event Upset Nhiễu biến cố đơn Processing Elements Thành phần xử lý P PE viii PLD Programmable Logic Device Thiết bị logic khả lập trình X XHWIF The Xilinx Hardware Interface Giao diện phần cứng Xilinx U UMTS Universal Mobile Telecommunications Service Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác 3G W WCDMA 3GPP ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Bốn lĩnh vực thiết kế FPGA Error! Bookmark not defined Hình Kết cấu bên FPGA Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ tile Virtex-II FPGA Error! Bookmark not defined Hình Bố trí chức LE Error! Bookmark not defined Hình Bố trí chức LE Error! Bookmark not defined Hình Cấu hình đệm clock toàn cục Error! Bookmark not defined Hình Cấu tạo JHDL Error! Bookmark not defined Hình Dòng thiết kế JHDLBits Error! Bookmark not defined Hình Quá trình xác nhận dòng bits Error! Bookmark not defined Hình 10 Thuật toán thực thi FPGA Error! Bookmark not defined Hình 11 Cấu trúc FPGA mức cao Error! Bookmark not defined Hình 12 Cấu trúc hàng ô Error! Bookmark not defined Hình 13 Luồng nóng tính toán, công thức cho kiến trúc MULTIPLE Error! Bookmark not defined Hình 14 Các nhân nguyên canh chỉnh Error! Bookmark not defined Hình 15 Cấu trúc ô cho kiến trúc MULTIPLE Error! Bookmark not defined Hình 16 Các phép toán luồng nóng phân vùng cho kiến trúc SINGLE Error! Bookmark not defined Hình 17 Các cấu trúc điều khiển ô cho kiến trúc SINGLE Error! Bookmark not defined Hình 18 Phần cứng cho thuật toán Booth Error! Bookmark not defined Hình 19 Thuật toán Booth cho nhân bù hai Error! Bookmark not defined Hình 20 Các phép tính luồng nóng cho kiến trúc BOOTH Error! Bookmark not defined Hình 21 Cấu trúc ô điều khiển cho kiến trúc BOOTH Error! Bookmark not defined Hình 22 Tuyến kiến trúc BIT cho tính toán luồng nóng Error! Bookmark not defined Hình 23 Cấu trúc ô điều khiển cho kiến trúc BIT Error! Bookmark not defined Hình Sự phức tạp thiết bị trình phát triển FPGA Error! Bookmark not defined Hình 2 Bản thiết kế DSP ban đầu Error! Bookmark not defined Hình Khối thực thi FPGA Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ máy phát 3G Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ máy thu 3G Error! Bookmark not defined Hình Mô hình máy thu Rake Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối dò đa người dùng (CF-MUD) Error! Bookmark not defined Hình Nguyên lý khối lấy dấu (a) khối tách sóng cho k người dùng (b) Error! Bookmark not defined Hình Ước tính hiệu phương pháp MUD Error! Bookmark not defined Hình 10 Kiến trúc phần cứng đơn giản hoá CF-MUD Error! Bookmark not defined Hình 11 Ánh xạ CF-MUD lên phần tử xử lý nhớ Error! Bookmark not defined Hình 12 Tiến trình xử lý pipeline tiến trình xử lý lấy dấu Error! Bookmark not defined Hình 13 Chiến lược đường ống (pipeline) tiến trình xử lý tách Error! Bookmark not defined Hình 14 Mô hình FPGA với 64 kênh AMR Error! Bookmark not defined x -Hình 15 Các cổng vào mã hóa TCC Error! Bookmark not defined Hình 16 Cấu trúc bên trongbộ mã hóa TCC Error! Bookmark not defined Hình 17 Cấu trúc TCC RSC Error! Bookmark not defined Hình 18 Thông lượng đệm kép Error! Bookmark not defined Hình 19 Định thời đầu vào Error! Bookmark not defined Hình 20 Định thời đầu (Bits đuôi) Error! Bookmark not defined Hình 21 Định thời đầu ( Không bit đuôi) Error! Bookmark not defined Hình Máy thu VSB Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối giao diện đo hệ thống DVB-T Error! Bookmark not defined Hình 3 Hệ thống thu phát truyền hình số mặt đất Error! Bookmark not defined Hình DVB-T Equipment by ITIS Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối giao diện đo phía máy thu DVB-T Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối điều chế DVB-T Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối mô mã giải mã FEC cho DVB với kênh giả nhiễu trắng Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ khối mã hoá Error! Bookmark not defined Hình Bộ trễ Error! Bookmark not defined Hình 10 Khối mã hoá Error! Bookmark not defined Hình 11 Khối mã hoá chập Error! Bookmark not defined Hình 12 Khối mã hoá Error! Bookmark not defined Hình 13 Khối đục lỗ Error! Bookmark not defined Hình 14 Sơ đồ khối giải mã Error! Bookmark not defined Hình 15 Đầu sau giải mã hoá Error! Bookmark not defined Hình p- Bộ tạo hệ thống, giao diện AccelChip Error! Bookmark not defined Hình p- Kiến trúc lọc ước tính Kalman Error! Bookmark not defined Hình p- Sơ đồ khối lọc Kalman Error! Bookmark not defined Hình p- Hệ thống Matlab công cụ đánh giá thuật toán Error! Bookmark not defined Hình p- Matlab sở RTL thiết kế luồng cho FPGA Error! Bookmark not defined Hình p- Chuỗi phát- thu HSDPA Error! Bookmark not defined 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Kích cỡ loại SelectRAM Error! Bookmark not defined Bảng 2.1: Số người dùng hoạt động lúc tối đa phân biệt được.Error! Bookmark not defined Bảng 2.2: Tỷ lệ sử dụng phần cứng (%) tương ứng với số người dùng tối đa.Error! Bookmark not defined Bảng 2.3: Sử dụng tài nguyên hiệu suất Error! Bookmark not defined 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS Phạm Đắc Bi, KS Lê Trọng Bằng, KS Đỗ Anh Tú (2007), “Các đặc điểm máy phát số DVB-T” [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2004), “Giáo trình thông tin di động hệ ba”, nhà xuất bưu điện, Hà Nội [3] Hồ Quốc Thái, Daniel Massicotte, Adel-Omar Dahmane (12-2005), “FPGA Implementation of an MUD Based on Cascade Filrers for a WCDMA System” [4] Lê Đức Thuận (2008), “FPGA ứng dụng cho 3G-WCDMA”, Luận văn thạc sỹ khoa học [5] TS Ngô Thái Trị (2007), “Bài giảng Truyền hình số mặt đất” Tiếng Anh [6] Kenneth J.Morgan, 19-10-2004, “Design and Analysis of Four Architectures for FPGA-Based Cellular Computing”, Luận văn thạc sỹ khoa học máy tính [7] Peter Wilson, Jun.2007, “Design Recipes for FPGAs”, www.book.elsevier.com Website [8] www.xilinx.com [9] www.accelchip.com [10] www.wikipedia.org [11] http://www.ngohaibac.net [12] www.dvb.org [...]... máy phát số DVB- T” [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2004), “Giáo trình thông tin di động thế hệ ba”, nhà xuất bản bưu điện, Hà Nội [3] Hồ Quốc Thái, Daniel Massicotte, và Adel-Omar Dahmane (12-2005), FPGA Implementation of an MUD Based on Cascade Filrers for a WCDMA System” [4] Lê Đức Thuận (2008), FPGA và ứng dụng cho 3G-WCDMA”, Luận văn thạc sỹ khoa học [5] TS Ngô Thái Trị (2007), “Bài giảng Truyền hình... not defined Bảng 2.2: Tỷ lệ sử dụng phần cứng (%) tương ứng với số người dùng tối đa.Error! Bookmark not defined Bảng 2.3: Sử dụng tài nguyên và hiệu suất Error! Bookmark not defined 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS Phạm Đắc Bi, KS Lê Trọng Bằng, KS Đỗ Anh Tú (2007), “Các đặc điểm cơ bản của máy phát số DVB- T” [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng... Kenneth J.Morgan, 19-10-2004, “Design and Analysis of Four Architectures for FPGA- Based Cellular Computing”, Luận văn thạc sỹ khoa học máy tính [7] Peter Wilson, Jun.2007, “Design Recipes for FPGAs”, www.book.elsevier.com Website [8] www.xilinx.com [9] www.accelchip.com [10] www.wikipedia.org [11] http://www.ngohaibac.net [12] www .dvb. org ... CHO BỘ MÃ FEC HỆ DVB …… Error! Bookmark not defined 3.1 Mở đầu Error! Bookmark not defined 3.2 Bộ mã hoá giải mã FEC, hệ DVB Error! Bookmark not defined 3.2.1 Tổng quan FEC ... dụng Error! Bookmark not defined 2.3.2.4 Mô tả chung Error! Bookmark not defined 2.4 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT FPGA ÁP DỤNG THỰC HIỆN CHO BỘ... Sơ đồ mô mã hoá giải mã FEC hệ DVB Error! Bookmark not defined 3.3.1 Sơ đồ khối chung Error! Bookmark not defined 3.3.2 Bộ mã hoá Error! Bookmark not defined 3.3.2.1 Bộ trễ