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基于FPGA的汉明距离电路的实现

  当今时代已经成为信息化时代,而信息的数字化也越来越为研究人员所重视。数字化技术已经引发了一场范围广泛的产业革命,各种家用电器设备,信息处理设备都将向着数字化的方向变化。如数字电视、数字广播、数字电影、DVD等等,同时现在的通信网络也向着数字化的方向发展。随着数字化的发展,数字集成电路也得到了广泛应用。20世纪80年代中期,Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD和与标准门阵列类似的FPGA,它们都具有体系结构和逻辑单元比较灵活、集成度高以及适用范围广等特点。同时,这两种器件也兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路编程同时也很灵活。

  汉明距离在信息论中的定义是两个等长字符串之间的汉明距离,也就是两个字符串对应位置的不同字符的个数。例如:*1011101与1001 001之间的汉明距离就是2;*2143896与2233796之间的汉明距离为3;*“toned”与“roses”之间的汉明距离为3。

  在通信中,累计定长二进制字中发生翻转的错误数据位通常也被称为信号距离。事实上,汉明重量分析在包括信息论、编码理论、密码学等领域都有应用。

  在扩频通信和数字突发通信系统中,接收机进行的数字相关检测或独检测,实际上就是本地一组确定序列的一位二进制数,接收机将接收到的数据连续不断的送入N位移位寄存器中,这样,任一瞬间移位寄存器中的内容即为一串二进制码,移位寄存器的输出作为ROM的地址输入,这样,经查找表运算后,ROM就可输出所需的数据,并将所得数据送入汉明计算电路以得到汉明距离,再经过门限判决输入的汉明距离。其汉明距离的计算电路框图如图1所示。

  图2是本系统中的并入串出移位寄存器电路图。图2中,当移位/置入控制端()为低时,并行数据(A—H)被置入寄存器;而当为高电平时,并行置数功能被禁止。当CLK和CLK INK有一个为低电平且为高电平时,另一个时钟则可以输入;当CLK和CLK INK有一个为高电平时,另一个时钟被禁止:而只有在CLK为高电平时,CLK INK才可变为高电平。

  用FPGA设计汉明距离电路的另一个关键是存储器ROM,图3所示是一个lpm_rom的器件图。设计时,移位寄存器的输出作为ROM的地址输入,这样,经查找表运算后,ROM就可以输出所需的汉明数据。

  图4所示是本系统中的逻辑计算电路的c5in3out的器件图。通过c5in3out可计算出序列D6~D32的汉明距离。序列D0~D5(即图4中的A,B,C,D,E)的汉明距离可以采用逻辑函数获得。逻辑计算电路有三个二进制输出变量,由最高有效位到最低有效位依次为A、B、C(即图4中的X,Y,Z),其逻辑表达式为:

  图5所示是一个汉明加法器的add器件图。add通常是采用求和网络法求和。求和网络法将ROM输出的数据两两通过一个加法器相加后,可将得出的结果再两两通过一个加法器相加,依次将各项计算结果相加在一起,其最终的累加结果便是汉明距离。

  2 汉明电路的仿线位并入串出移位寄存器的max+pluslI仿线位并入串出移位寄存器max+plusII波形仿线所示。其中的Clk为移位时钟信号;Load为并行数据预置使能信号;Din是8位二进制并行预置数据端口;Qb表示当前值reg(0)向qb输出;Reg(8)为当前值和移位值(如:9A 1001 1010B;移位后:4D 0100 1101 B:第二次移位:A6 10100110 B)。

  选取查找表-求和网络法来实现32位汉明距离的计算时,可分别将(D6~D14)、 (D15~D23)、(D24~D32)作为查找表的地址线的汉明距离。而其序列D0~D5的汉明距离可以采用逻辑函数获得,具体的波形仿线]为汉明距离电路的输入端口;Out[4..0]为汉明距离计算输出端口(内置的32位数可用十六进制表示为000000 00)。例如F800A08C即1111 1000 0000 0000 1010 0000 10001100B,输出的汉明距离d为10。

  设计完成后,可使用FPGA(即现场可编程门阵列)进行下载验证,FPGA是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既可解决定制电路的不足,又可克服原有可编程器件门电路数有限的缺点。而使用Max+PlusⅡ软件和VHDL语言进行电路设计,不仅可以进行逻辑仿真,还可以进行时序仿真。由于本设计在编写过程中使用了较多的与门和异或门,所以,在波形仿真图中,波形显示具有比较长的延时。但是,自行编写的计数器功能完善,程序简单明了,完全可以实现32位汉明距离的计算。

汉明码计算及其纠错原理详解

  当计算机存储或移动数据时,可能会产生数据位错误,这时可以利用汉明码来检测并纠错,简单的说,汉明码是一个错误校验码码集,由Bell 实验室的R.W.Hamming 发明,因此定名为汉明码。

  汉明码(Hamming Code),是在电信领域的一种线性调试码,以发明者理查德卫斯里汉明的名字命名。汉明码在传输的消息流中插入验证码,以侦测并更正单一比特错误。由于汉明编码简单,它们被广泛应用于内存(RAM)。其SECDED (single error correction, double error detection)版本另外加入一检测比特,可以侦测两个或以下同时发生的比特错误,并能够更正单一比特的错误。因此,当发送端与接收端的比特样式的汉明距离(Hamming distance)小于或等于1时(仅有1 bit发生错误),可实现可靠的通信。相对的,简单的奇偶检验码除了不能纠正错误之外,也只能侦测出奇数个的错误。

  在数学方面,汉明码是一种二元线性码。对于每一个整数,存在一个编码,带有个奇偶校验位个数据位。该奇偶检验矩阵的汉明码是通过列出所有米栏的长度是两两独立。

  设:m=数据位数,k=校验位数为,n=总编码位数=m+k,有Hamming不等式:

  a) 总数据长度为N,如果每一位数据是否错误都要记录,就需要N位来存储。

  依照此前的汉明码不等式计算出,当数据位为4位时,汉明码校验位至少为3位,如上方式排列

  小解释:数据位共4位每行等式都缺少一位,而缺少的这位数据位正好是DX,等式左边的校验位为PY,X=2y.

  从高到低排列的二进制数:P3 P2 P1表示的就是出错的编码位,从-110-111共5种组合,可表示原数据位D8D4D2D1某一位错&没错的一共5种状态。

  我发现,很多人认为伟大的科学都是因为运气,emm……想想爱因斯坦吧,他发现了那么多伟大的理论,难道都….

  按照表中的规定可知,仅当一个错码位置在a2,a4,a5或a6时校正子S1为1,否则S1为0。这就意味….

  .简而言之,所有校验位覆盖了数据位置和该校验位位置的二进制与的值不为0的数。 采用奇校验还是偶校验都….

  汉明码,汉明码是什么意思 汉明码是一种能够纠正单个错误的线性分组码。它有以下特点: (1)最小….

  在简要介绍汉明码编码原理的基础上,详细分析干扰对汉明码纠错的影响;通过对汉明码重新组织排列,在不增加….

甘肃山丹抢修加固“露天长城博物馆”汉明长城

  中新网兰州5月8日电 (郭蓉 张婧)甘肃山丹县文物管理局局长张励8日接受中新网记者采访透露,山丹县多年来通过专业加固维修、设防护网、建防洪工程、民众自发守护等多项措施“抢救”保护汉明长城,截至目前,明长城部分段防洪工程、明长城二期抢险加固工程即将竣工验收。

  山丹汉、明长城,在山丹县境内绵延近200公里,被专家誉为“露天博物馆”,是目前国内保存最完整的一段古长城,也是中国境内唯一“汉明长城并行存在”的古遗址。

  近日,中新网记者走访了位于古丝绸之路上的这处历史遗迹。工作人员已采用锚杆锚固、裂隙充填注浆、土坯砌补等方法对明长城墙体遗存进行加固维修。

  山丹县文物管理局工作人员韩小霞介绍,明长城隶属于明朝时期的甘肃镇管辖,分布在县境北体68段,长约143千米,实存约111千米。底宽达到1米至3米,顶宽0.1米至0.6米,高度约0.5米至4.5米,夯层厚度约为0.16米至0.22米。

  作为目前国内保存最为完整的一段夯土古长城,山丹境内明长城充分吸取了我国自战国以来尤其是秦、汉长城修筑工艺技术之所长,堪称是我国夯土长城建筑之精华。长期以来,明长城不仅受到片状剥离、坍塌、裂隙发育、基础掏蚀凹进、冲沟发育、生物病害等自然病害,还遭受严重的人为破坏,急需进行抢险加固。

  2006年汉明长城被国务院整体公布为国家级重点文物保护单位,山丹县也因此被确定为长城保护试点县。2009年,当地出台《山丹县长城保护管理办法》,明确划定了保护范围和建设控制地带。

  记者在现场看到,古长城建设控制地带现已完全达到规定,左右两侧50米之内都成为明长城保护范围和建设控制地带。为了更好保护长城墙体防止人或牲畜靠近造成人为破坏,一段古长城两侧沿线公里长的刺钢丝网。

  除此之外,当地民众还自发居住在古长城旁,守护长城安危。现年47岁的唐承国就义务担负起了村内沿线公里明长城保护的责任。“以前人们没有文物保护的意识,经常取城墙上的土为私用,自从长城保护条例出台之后,人为破坏城墙的村民越来越少,现在已经看不到在长城取土破坏的人了。”他说。

  2011年至今,山丹县文物局先后完成了县境内明长城新河段抢险保护加固工程项目;陈户乡新河明长城防护工程;明长城新河段防洪工程、明长城丰城堡防洪工程、明长城山丹段(二期)抢险加固工程。

  2017年,山丹县选取G30高速与明长城相交新河长城4段、5段各1000米,在距离长城5米的地方安装投光灯进行2小时的夜间投光,对长城进行亮化,使高速行驶人员能够近距离看到长城。

  今年,山丹县还计划对1997年在新河驿修建的长城陈列馆进行重新布展,让过往的游客能够近距离了解长城全貌,了解它的重要历史意义,提升民众保护意识。(完)