FPGA: RS译码仿真过程

news2024/11/16 12:00:59

FPGA: RS译码仿真过程

在上一篇中记录了在FPGA中利用RS编码IP核完成信道编码的仿真过程，这篇记录利用译码IP核进行RS解码的仿真过程，带有程序和结果。

1. 开始准备

在进行解码的过程时，同时利用上一篇中的MATLAB仿真程序和编码过程，IP核的下载是同样的地址。解码过程中的参数设置正好对应编码的过程。对0-15的自然数通过RS编码得到的数据进行解码，其中m=4,n=15,k=3,ploy=19。

2. RS译码IP核

RS译码IP核全名Reed-Solomon Decoder，具体细节可以参照PDF技术文档，首先看IP核参数设置。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-R32PpUta-1692190030739)(1.png “rs解码IP核设置1”)]

已经通过RS编码IP核完成了编码的仿真过程，并且通过MATLAB对比对结果进行了验证，所以这个第一个页码的参数直接参照如图设置就可以，与编码是一一对应的，没有什么需要特别的说明。
在下面的Variable Check Symbol Options不需要勾选。

在这里插入图片描述

在第二个参数设置界面，都不需要勾选，勾选的话译码输出的结果会带有校验的数据。

在这里插入图片描述

在第三个参数设置界面中，把Reset选项勾选上。

在这里插入图片描述

完成这个IP核的设置。

补充

为了方便利用仿真过程中的译码过程，在之前完成编码过程后添加了一个fifo方便进行数据处理和信号控制，其中的fifoIP核的参数设置为如下。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

这个fifo根据需要设置即可，主要是为了编码之后的数据和译码过程使用控制方便。

3. 代码编写

译码过程是在编码基础上添加的，编码过程的参数没有变化，对0-15的数据进行编码，然后再进行译码，在编码和译码过程中间有一个fifo，其中fifo的读控制信号利用empty信号和译码IP的s_ready信号，fifo的写信号编码信号的输出valid信号。详细的逻辑看代码。

代码如下rs_test.v

`timescale 1ns / 1ps

module rs_test(
    input clk,          //时钟
    input rst_n         // 复位  高电平复位
//    input [7:0] data_in,  // 输入的待编码数据
//    output [7:0] dataout      // 输出的解码数据
    );

wire rs_encode_input_tready;  // 编码输入准备信号
reg rs_encode_input_tvalid_reg;  // 编码输入有效信号
reg rs_encode_input_tready_reg;
wire rs_encode_input_tlast;
reg rs_encode_input_tlast_reg;
wire[7:0] rs_encode_data;
wire rs_encode_output_tvalid;
wire rs_encode_output_tlast;
wire rs_enocde_output_tready;
reg rs_enocde_output_tready_reg;

parameter K = 3;   //  对应MATLAB仿真中的k和n的值，这个在IP核设置中已经有体现
parameter N = 4;   //
parameter L = 15;  // 编码之后的数据长度

reg [3:0] datain_num; // 每一组编码的原始数据个数
reg [5:0] dataout_num;  //输出编码数据的个数

wire fifo_full; // fifo 满信号

// 设计输入数据
reg [3:0] datain;
always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        datain <= 4'b0;
        rs_encode_input_tready_reg <= 1'b0;
        rs_encode_input_tvalid_reg <= 1'b0;
        rs_encode_input_tlast_reg <= 1'b0;
        rs_enocde_output_tready_reg <= 1'b0;
        datain_num <= 4'b0;
    end
    else begin
        rs_encode_input_tready_reg <= rs_encode_input_tready;
        if(fifo_full==1'b1)begin
            rs_encode_input_tvalid_reg <= 1'b0;
        end
        else begin
            rs_encode_input_tvalid_reg <= 1'b1;
        end
        
        if(rs_encode_input_tready == 1'b1 && rs_encode_input_tvalid_reg == 1'b1)begin // 在ready 和valid信号都有效的时候才开始编码数据，可以在这里计数编码的个数。
            datain <= datain + 4'b1;
            datain_num <= 4'b1 + datain_num;
            rs_enocde_output_tready_reg <= 1'b1;
        end
        else begin
        end
    end
end

// 根据每一组编码的组数来确定数据顺序 控制最后一个tlast信号。
always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        rs_encode_input_tlast_reg <= 1'b0; // 这个信号是需要在一组中的最后一个数据时候信号处于高电平 和k的大小对应
    end
    else begin
        if(datain_num >= K)begin
            rs_encode_input_tlast_reg <= 1'b1;
        end
        else begin
            rs_encode_input_tlast_reg <= 1'b0;  //然后重新置零
        end
    end
end

wire [3:0] data_in;
assign data_in = datain;

rs_encoder_0 rs_encoder_0_ins (   //latency 5clk
  .aclk(clk),                                                      // input wire aclk
  .aresetn(rst_n),                                                // input wire aresetn
  .s_axis_input_tdata(data_in),                          // input wire [7 : 0] s_axis_input_tdata
  .s_axis_input_tvalid(rs_encode_input_tvalid_reg),                        // input wire s_axis_input_tvalid
  .s_axis_input_tready(rs_encode_input_tready),                        // output wire s_axis_input_tready
  .s_axis_input_tlast(rs_encode_input_tlast_reg),                          // input wire s_axis_input_tlast
  .m_axis_output_tdata(rs_encode_data),                        // output wire [7 : 0] m_axis_output_tdata
  .m_axis_output_tvalid(rs_encode_output_tvalid),                      // output wire m_axis_output_tvalid
  .m_axis_output_tready(rs_enocde_output_tready_reg),                      // input wire m_axis_output_tready
  .m_axis_output_tlast(rs_encode_output_tlast)                       // output wire m_axis_output_tlast
);

// 通过编码模块输出的valid信号和ready信号来记录输出数据的个数
always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        dataout_num <= 6'b0;
    end
    else begin
        if(rs_encode_output_tvalid==1'b1 && rs_enocde_output_tready_reg==1'b1)begin
            dataout_num <= dataout_num + 6'b1;
            if(dataout_num >= 6'd15)begin
                dataout_num <= 6'b0;
            end
        end
        else begin
            
        end
    end
end

// rs 译码过程
// 在编码之后的数据添加一个fifo  方便管理valid信号和ready信号，减少耦合同时可以比配位宽
wire fifo_empty;
wire fifo_rd_en;

wire[3:0] fifo_data;
reg fifo_flag;  // 这个是用来标致第一次从fifo中读取数据的过程

wire [7:0] rs_decode_data_temp;
wire [3:0] rs_decode_data;
//in
wire rs_decode_data_s_ready;
wire rs_decode_data_s_valid;
reg rs_decode_data_s_valid_reg;  // 去掉fifo 输出的一个时钟延迟
reg rs_decode_data_s_tlast_reg;
assign fifo_rd_en = rs_decode_data_s_ready && (!fifo_empty);
// out
wire rs_decode_data_m_valid;
wire rs_decode_data_m_tlast;
wire rs_decode_data_m_ready;
// stat
wire [7:0] rs_decode_stat_data;
//wire rs_decode_stat_ready;
wire rs_decode_stat_valid;

always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        fifo_flag <= 1'b0;
    end
    else begin
        if(fifo_rd_en==1'b1)begin
            fifo_flag <= 1'b1;
        end
    end
end

always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        rs_decode_data_s_valid_reg <= 1'b0;
    end
    else begin
        rs_decode_data_s_valid_reg <= fifo_rd_en;
    end
end

fifo_generator_0 fifo_ins( // 这个输出有1clk延迟
  .clk(clk),      // input wire clk
  .srst(~rst_n),    // input wire srst
  .din(rs_encode_data[3:0]),      // input wire [3 : 0] din
  .wr_en(rs_encode_output_tvalid),  // input wire wr_en
  .rd_en(fifo_rd_en),  // input wire rd_en
  .dout(fifo_data),    // output wire [3 : 0] dout  
  .full(fifo_full),    // output wire full
  .empty(fifo_empty)  // output wire empty
);
// 输入编码中的有效信号
assign rs_decode_data_s_valid = (fifo_flag==1'b1)?fifo_rd_en:rs_decode_data_s_valid_reg; // 在第一次读取的时候 信号跟随reg信号，之后跟随en信号
reg[5:0] decode_num;
always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        decode_num = 6'b1;
    end
    else begin
        if(rs_decode_data_s_valid==1'b1)begin
            decode_num <= decode_num + 6'b1;
            if(decode_num >= 6'd14)begin
                decode_num <= 6'b0;
            end
        end
    end
end
// 控制tlast信号
always@(posedge clk)begin
    if(~rst_n)begin
        rs_decode_data_s_tlast_reg <= 1'b0;
    end
    else begin //当解码输入进入的数据为一组时，拉高tlast信号；
        if(decode_num >= 6'd14)begin
            rs_decode_data_s_tlast_reg <= 1'b1;
        end
        else begin
            rs_decode_data_s_tlast_reg <= 1'b0;
        end
    end
end

rs_decoder_0 rs_decoder_0_ins (
  .aclk(clk),                                                      // input wire aclk
  .aresetn(rst_n),                                                // input wire aresetn
  .s_axis_input_tdata(fifo_data),                          // input wire [7 : 0] s_axis_input_tdata
  .s_axis_input_tvalid(rs_decode_data_s_valid),                        // input wire s_axis_input_tvalid
  .s_axis_input_tlast(rs_decode_data_s_tlast_reg),                          // input wire s_axis_input_tlast
  .s_axis_input_tready(rs_decode_data_s_ready),                        // output wire s_axis_input_tready
  .m_axis_output_tdata(rs_decode_data_temp),                        // output wire [7 : 0] m_axis_output_tdata
  .m_axis_output_tvalid(rs_decode_data_m_valid),                      // output wire m_axis_output_tvalid
  .m_axis_output_tready(1'b1),                      // input wire m_axis_output_tready
  .m_axis_output_tlast(rs_decode_data_m_tlast),                        // output wire m_axis_output_tlast
  .m_axis_stat_tdata(rs_decode_stat_data),                            // output wire [7 : 0] m_axis_stat_tdata
  .m_axis_stat_tvalid(rs_decode_stat_valid),                          // output wire m_axis_stat_tvalid
  .m_axis_stat_tready(1'b1)                          // input wire m_axis_stat_tready
);

assign rs_decode_data = rs_decode_data_temp[3:0];

endmodule

4. 仿真测试

测试程序的testbench文件和之前保持一致，只需要把实例化的模块名字更改即可。

`timescale 1ns / 1ps
module rs_tb();

reg l_clk;
reg rst_n;

rs_test rs_test_ins(
    .clk(l_clk),          //时钟
    .rst_n(rst_n)         // 复位  高电平复位
    );
initial l_clk = 1;
always #5 l_clk= !l_clk;  //15.625   

initial begin
    rst_n <= 0;
    #40;
    rst_n <= 1;
    #320;
    //#50000000;
    #320;
//    $stop;
end
endmodule

然后进入仿真过程，对照时序查看结果。

在这里插入图片描述

首先看试验大图，其中的蓝色线是解码之后的数据，从数据结果中可以看出每个数据间隔3，正好是编码之前的结果，拉开蓝色线就可以看到具体的数值。因为译码也是存在延时的，所以看起来数据会滞后，蓝色数据线的m_valid信号对应输出数据有效信号。

这里面有需要注意的地方，首先看仿真结果的前面部分。

在这里插入图片描述

这是fifo_rd_en有效的第一段，由于有1个clk的时钟延迟，所以把有效信号rs_decode_data_s_valid信号需要延迟一个clk,然后看接下来的fifo_rd_en第二个周期，需要把rs_decode_data_s_valid信号和fifo_rd_en信号对齐，否则会丢一个数据，后面的和第二个周期相同，只有第一个需要延迟一个周期，这个在程序中通过fifo_flag判断是不是第一个周期。

在这里插入图片描述

至此完成了译码的过程。

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