基于FPGA的汉明距离电路的实现

摘要：FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性，又具有可编程逻辑器件的用户可编程性，可以减少系统的设计和维护风险，降低产品成本，缩短设计周期。文中给出了利用FPGA设计汉明距离的计算电路，同时给出与通过有效的芯片资源配置，恰当地选择存储器的总容量与加法器总数，来使整个系统的资源利用率达到最佳的实现方法。
关键词：数字技术；FPGA；汉明距离；芯片资源

    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。

1 硬件设计
    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特码检测，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。

1．1 8位并入串出移位寄存器
    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。

1．2 ROM查找表的设计
    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。

1．3 逻辑计算电路
    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：

1．4 汉明加法器
    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 汉明电路的仿真调试
2．1 8位并入串出移位寄存器的max+pluslI仿真
    8位并入串出移位寄存器max+plusII波形仿真如图6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)。

2．2 32位序列汉明距离电路的实现仿真
    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，再由此计算出序列D6～D32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，具体的波形仿真如图7所示。
    图7中，Datain[31．．0]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。

3 结束语
    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。