（交通信息工程及控制专业论文）基于FPGA的应答器报文译码研究.pdf

北京交通大学硕士毕业论文摘要 摘要 无论在基于轨道电路的列车运行控制系统、还是在基于通信的列车运行控制 系统中，应答器都发挥着重要的作用。我国铁路跨越式发展，既有线路提速改造、 客运专线和高速铁路新线的建设都需要使用大量的应答器，而目前我国使用的应 答器都是从国外引进的，因此开展应答器的国产化研究打破国外的技术垄断，有 着重要的现实意义和实用价值。 本文首先分析了应答器的特点、分类、工作原理及其在国内外列车运行控制 系统中的应用情况；接着分析了欧洲应答器的f f f s 编码策略，并提出了基于f f f s 编码策略编码的应答器报文的译码策略，详细分析了译码步骤，并对该译码策略 的安全性进行了分析；然后提出了一种基于f p g a ( 现场可编程门阵列) 实现应答 器报文译码的方案，采用自顶而下的设计方法对该实现方案进行了模块划分，并 详细分析了各个功能模块和顶层模块的设计过程和实现方法，完成了经过q u a r t i l s u 设计平台编译综合后的结构图；最后，在q u a n u si i 设计平台上对该设计方案进 行了大量的仿真分析。 最后，论文对所做的工作进行了总结，指出了需要进一步研究的内容。 关键词：应答器；译码；f p g a ；q i l a n u si i ；仿真 分类号： 北京交通大学硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e t h e ri nt b t co ri nc b t c ，b a l i s ep l a y sa ni i l l p o r t a l l tr 0 1 e c h i n ar a i l w a yi s d e v e l o p i n gb y1 e a p sa n db o u n d s n o t o n l y t h c p r e s e n t 1 i n e s i n c r c a s i n g s p e e d t r a l l s f o 册e d ，b 吡a l s ot h ep a s s e n g e rt r a n s p o r ts p e c i a lm i l w a yl i n e a i l dl l i 曲s p e e d r a i l w a yn e wl i n e sc o n s t r u c t e da 1 1n e e du s ea1 0 to fb d i s e n o w a d a y s ，b a l i s eu s e di n c 1 1 i n aa 1 1d 印e n d so ni i n p o r t ，t h e r e f o r e ，d e v e l 叩i n gb a l i s em a d ei no u rc o u n t i yr e s e a r c h a 1 1 db r e a 虹n gt h r o u 曲o v e r s e a st e c l l i 】j c a lm o n o p 0 1 xh a v ev i t a lr e a l i s t i cm e a n i l l ga n d p r a c t i c a lv a l u e f i r s t l 弘m ec h a r a c t e r i s t i c ，s o n s ，p r ! i n c i p l e s a i l da p p l i c a t i o nc a s eo fb a l i s ea r e a n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d l y ，t h ed i s s e n a t i o n 矗1 1 a l y z e st h ef f f s ( f o 咖f i t f l l l l c t i o ns p e c m c a t i o n ) c o d i n gs t r a t e g yo fe u r o b “s ea n db r i n g sf o m a r dt 1 1 ed e c o d i n g s t r a t e g yo f b a l i s et c l e g r 踟b a s e do nt l l ef f f s ( f o n nf i tf 吼c t i o ns p e c m c a t i o n ) c o d i l l g s 僦扯e g y a l s o ，d e s c r i b e st h ed e c o d i n gs t 印si n d e t a i la 1 1 dm a k e ss o m em a t h 锄a t i c a 1 1 a l y s e so fi t sr c l i a b i l i 批t h 确l 弘o nt h eb 勰i so f l ed e c o d i n gs t r a t e g yo fb a l i s e t e l e g r a m ，m ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sas o l u t i o nt ot h i sd e c o d i l l gs t r a t e g yb yu s i n gf p g a w i t l lt l l et 叩一d o w nd e s i 印m e t l l o d ，t h es c h e l n ei sd i v i d e di n t oc e n a i nm o d u l e sw h i c ha r c d e s c 曲e di nd e t a i ls m e a i l w h i l e ，t h ep 印e ra l s ol i s t sm et o p o l o g yo fm o s em o d u l e s ， w h i c ha r ep r o v i d e db yq u a n i l si i f i n a l l y a1 0 to fc r l l u l a t i o i l sh “eb e e nd o n et o v a l i d a t et h ev a l i d i t yo f t h es c h e m e a tt l l ee n do ft l l em e s i s ，m ew h 0 1 ew o r ko fm ep r o j e c ti ss u m m a 打z e da n dt h e f i l n l l e rr e s e a r c hc o n t e m sa r ed o i m e do u t ， l 皿y 、阳i t d s ：b a l i s e ；d e c o d e ；f p g a ；q u a r c u si i ；锄u l a c i o n c l a s s n o ： 致谢 首先，我要衷心的感谢我的导师李开成副教授! 本论文的研究工作是在李老 师的悉心指导下完成的，李老师严谨的治学态度和科学的工作方法都给我留下了 深刻的印象，使我受益匪浅。在此衷心感谢三年来李开成老师对我的关心和指导。 感谢运输自动化研究所的程荫杭、唐涛、张勇等老师在我研究生学习期间给 予的指导和帮助。 其次，我要感谢师兄张斌、刘健，实验室的谢凡、吴鹏、陈俊、罗金霞、朱 瑞，连秀林、农梅等同学，课题的完成离不开他们的支持与帮助。感谢我的好友 周大鹏、刘亚男，杨景蓝，他们在学习和生活中都给予了我巨大的关心和帮助， 同他们的交流使我受益匪浅，再次衷心感谢他们，祝愿他们工作顺利，事事顺心! 最后，我要感谢我的家人，是他们的关心和爱伴我成长，是他们的理解和支 持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士毕业论文 绪论 1 绪论 1 1 应答器在列车运行控制系统中的应用 1 1 1 列车运行控制系统 列车运行控制系统是采用技术手段对列车运行方向、运行间隔和运行速度进 行控制，从而保证列车运行安全、提高运输效率的系统。 随着通信技术、计算机技术和控制技术的发展，列车运行控制系统经历了两 个主要阶段，出现了两大类型的系统： ( 1 ) 基于轨道电路的列车运行控制( t r a c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n 仃o l ，t b t c ) 系统。t b t c 系统具有固定的闭塞分区，在闭塞分区发送端发送有关行车信息，接 收端接收后进行处理，结果显示在信号机上。同时车载接收设备也接收轨道电路 的信息，向司机和列车运行控制系统的车载设备提供信息，指示列车运行。t b t c 系统依靠轨道电路只能进行地对车的单向传输，无法实现车对地的信息传输。 ( 2 ) 基于通信的列车运行控制( c o i n m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n 仃0 1s y s t e m ， c b t c ) 系统。c b t c 是利用高精度的列车定位( 不依赖于轨道电路) ，双向连续、 大容量的车一地数据通信，车载和地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车 控制系统【u 。 1 1 2 应答器在列车运行控制系统中的应用 列车运行控制系统的关键技术包括列车完整性检测、测速测距、列车定位和 车地信息传输。应答器在列车定位和车地信息传输方面发挥了重要作用。 欧洲列车控制系统( e 哪p e a l lt r a i nc o n 的1s y s t e m ，e t c s ) 是欧洲通用信号 系统和新型列车控制系统，可以实现列车在欧洲境内穿越国境时互通运营，从而 提高运输效率，降低运营成本。 e t c s 考虑到长期发展的需要，制定了5 个应用等级：e t c s 等级o 、e t c s 等 级s t m 、e t c s 等级1 、e t c s 等级2 、e t c s 等级3 。 ( 1 )e r t m s 厄t c s 等级0 在e t c s 等级o 中，装备了e t c s 的列车可以在没有装备e t c s 地面设备或者 无本国信号系统的线路上运行，或者在试运行中的e t c s 线路上运行。 北京交通大学硕士毕业论文绪论 ( 2 )e t c s 等级s t m 在e t c s 等级s t m 中，装备了e t c s 的列车，在装备了本国信号系统的线路 上运行。 为了能够识别本国地面信号，车载设备还需另增加s i m ( s p e c i f i ct r a n s m i s s i o n m o d u l e ，专用传输模块) 接口设备。s t m 把接收到的本国信号译成标准的e t c s 报文格式，然后传送给e t c s 。 ( 3 )e t c s 等级1 在e t c s 等级1 中，装备了e t c s 的列车在装备有点式传输设备欧洲应答器 ( e 啪b a l i s e ) 的线路上运行，地面向列车传输的信息完全依靠欧洲应答器 ( e u r o b a l i s e ) ，轨道电路只完成轨道区段的空闲占用检查和列车的完整性检查。 ( 4 )e t c s 等级2 在e t c s 等级2 中，装备了e t c s 的列车在由无线闭塞中心控制的，并且装备 了e u r o b a l i s e 和e 啪r a i i i o 的线路上运行。 车一地之间的双向信息通信由g s m _ r 提供传输通道，由e l l r o b a l i s e 提供列车 定位信息，地面设备完成列车完整性检查。 ( 5 ) e t c s 等级3 在e t c s 等级3 中，装备了e t c s 的列车在由无线闭塞中心控制的、并且装备 了e u r o b a l i s e 和e 哪m d i o 的线路上运行。 车地之间的双向信息通信由g s m - r 提供传输通道，列车定位和列车完整性 检测由车载设备实现。应答器只提供e t c s 等级转换命令。 应答器在e t c s 中的作用如表1 1 所示。在混合等级的线路中，应答器还提供 e t c s 等级转换命令等信息【2 】。 表1 1 欧洲应答器在e 1 f c s 各等级中实现的功能 e t c s 等级应答器实现的功能 等级l地对列的信息传输和列车定位 等级2列车定位 等级3列车定位 中国列车运行控制系统( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c t c s ) 的技术规范是参 照e t c s 编制的。根据功能要求和设备配置，c t c s 可分为o 4 级：c t c s 等级0 、 c t c s 等级1 、c t c s 等级2 、c t c s 等级3 、c t c s 等级4 。 ( 1 ) c t c s 等级o c t c s 等级o 适用于既有线的控车模式，由区间轨道电路+ 站内电码化+ 通用机 车信号+ 列车运行监控装置组成。 ( 2 ) c t c s 等级l 2 北京交通大学硕士毕业论文 绪论 c t c s 等级l 是基于既有设备改造的a r p 系统。针对中国主要干线装备现状， 对既有设备进行强化改造，在主体化机车信号的基础上，通过补点实现具有中国 特色的点连式a t p 。 在c t c s 等级l 中，利用轨道电路完成列车占用检测，并连续向列车传送速 度信息，应答器提供线路、临时限速等信息。 ( 3 ) c t c s 等级2 c t c s 等级2 是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统， 适用于各种限速区段。地面可采用模拟轨道电路，也可以采用数字轨道电路，并 辅以必要的点式设备，实现点连式列车运行控制系统。 c t c s 等级2 中，轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送 控制信息，应答器传输定位、进路参数，线路参数、限速和停车等信息。 ( 4 ) c t c s 等级3 c t c s 等级3 是基于轨道电路和无线通信( g s m r ) 的列车运行控制系统。 c t c s 等级3 中，轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，应答器提供列车 定位信息。车地之间的双向信息通信由g s m _ r 提供传输通道。 ( 5 ) c t c s 等级4 c t c s 等级4 是完全基于无线通信( g s m r ) 的列车运行控制系统，地面可取 消轨道电路，具有移动自动闭塞的特征。 c t c s 等级4 中，区间占用靠g p s 和g s m r 实时数据传输解决，地面无线闭 塞中心( r b c ) 和车载设备完成列车占用检测及完整性检查，应答器提供列车定 位基准信息。 应答器在c t c s 中的作用如表1 2 所示。在混合等级的线路中，应答器还提供 等级转换命令等信息【6 j 。 表1 - 2 应答器在c r c s 各等级中实现的功能 c t c s 等级应答器实现的功能 等级l提供线路、临时限速等信息 传输定位、进路参数、线路参数、限速 等级2 和停车等信息。 等级3列车定位 等级4列车定位 1 2 应答器概况 应答器起初是用于卫星中继及航空定位系统，7 0 年代引入铁路用于行车安全 防护。 北京交通大学硕士毕业论文绪论 1 2 1国内外常用的几种应答器 应答器技术在国外应用比较早，技术比较成熟，我国近几年也开展了应答器 的研究。下面简要介绍国内外常用的几种应答器。 ( 1 ) 查询应答器s x n 二1 s x n 1 型查询应答器是一种普通的有源查询应答器，包括地面设备和车载设 备。 地面设备包括地面应答器、地面编码器、地面调制解调器；车载设备包括能 源发送器、车载数据接收器，解调器。 s x i t 1 型查询应答器的信息量是1 2 8 位2 5 6 位，信息传输速率为6 4 k b i 讹，信息 传输误码率为1 0 。6 ，数据调制方式为相移键控( p s k ) ，适用车速为3 0 0 k n 此，能 源发送载频为2 5 6 k h z 【”。 ( 2 ) e b i a 姬9 0 0 中的查询应答器 该应答器是由瑞典a b b 公司为芬兰3 0 k m 延线安装的，此查询应答器是无源 的，但由于连接了一套编码设备，因此，它也可以传送变化的信息。它由密封的 玻璃刚构成，数据的编码采用b c h 码，周期重复发送。b c h 码的码长为2 5 5 位， 其中1 8 0 位为信息位，b c h 码格式为( 2 5 5 ，1 9 1 ，1 7 ) ，其中有c r c 校验，8 1 位 为同步码。 该查询应答器的特点是：只接收一个码；不能检出差错的数据的位概率小于 1o 1 8 ；最小汉明距离为1 7 【” ( 3 ) 日本查询应答器 日本铁路针对a s s - p 型中自动停车设备的不足，开发了一种称为电子式标定 器的设备，实际上它也是一种有源查询应答器。应答器置于地面，查询器置于机 车上。主要的技术特点有： 信息传输率为1 9 2 k b i 以； 传输信息频率为2 4 0 0 之5 0 0 m h z ； 存储容量为3 2 帧，每帧1 2 8 位。 ( 4 ) 欧洲应答器 欧洲应答器( e u r o b a l i s e ) 是欧洲铁路联盟在2 0 世纪9 0 年代制定欧洲列 车控制系统( e t c s ) 技术规范的时候，同时制定出来的统一标准的应答器。它的 灵活性更强，信息量更大，可靠性更高。欧洲应答器功能范围非常广泛，它既可 以应用于干线铁路，也可以应用于地铁等城市轨道交通线路上；既可应用到非高 速铁路，也可以应用到高速铁路上；既适用于点式列车控制系统，也适用于连续 式列车控制系统【4 】。 4 北京交通大学硕士毕业论文 欧洲应答器具有如下特点： 信息容量大； 信息传输速率快，数据传输速率可以达到5 6 5 k b i t s ； 编码过程采用循环( c r c ) 校验，可靠性高； 能量传输频率：2 7 0 9 5 m h z ； 数据传输载频：4 2 3 7 m h z ； 调频方式：f s k ； 调制频率：2 8 2 k h z ； 报文码长：3 4 1 b i t s ( 短码) ，1 0 2 3 b i t s ( 长码) ； 可用码长：2 1 0 b 砸( 短码) ，8 3 0 b i t s ( 长码) ； 数码同步方式：块控制首部( b c h ) ； 数码校验方式：7 5 b i t s 循环冗余( c r c ) 校验； 适用列车速度：茧o o 虹忱( 短码) ，盘0 0 k n 曲( 长码) 【1 1 】。 c t c s 和e t c s 都使用了欧洲应答器。在列车运行控制系统中，欧洲应答器是 目前使用最广泛的应答器。 1 2 2 欧洲应答器的工作原理 欧洲应答器由两大部分组成：车载设备和地面设备。车载设备包括车载天线 和应答器处理单元( b t m ) ；地面设备包括固定应答器、可变应答器和轨旁电子单 元( l e u ) 。 欧洲应答器的系统结构及接口如图1 1 所示。 接 图1 1欧洲应答器的系统结构图 车载天线是一个双工的收发线，既可以向地面应答器发送激活应答器的功率 信号，也可以接收地面应答器发送的数据报文；车载控制器通过接口b ”接收译码 北京交通大学硕士毕业论文 绪论 报文，并进行相应的处理，它与应答器天线之间是通过应答器处理器来连接的； 应答器处理单元是实现报文译码的主要工作单元，对于上行链路，应答器处理单 元接收来自于地面应答器的数据信息，进行分析后，找出完整的报文，对于下行 链路，发送地面应答器所需要的能量。在任何时候应答器处理单元都应循环测试 车对地发送通道( 包括天线) 的有效性。 应答器有固定应答器和可变应答器。固定应答器只能发送固定报文；可变应 答器通过与轨旁电子单元连接，可以发送不同报文【1 i 】。 1 3 选题意义 随着我国铁路的既有线路提速改造、客运专线和高速铁路新线的建设，应答 器在中国列车控制系统( c t c s ) 中的应用越来越广泛。而我国目前使用的应答器 都是从国外引进的，为了打破国外的技术垄断，我国有多家单位开展了应答器系 统的国产化研究。 应答器报文信息流的处理和传输流程如图1 2 所示。地面应答器发送的报文是 事先完成编码保存然后再调用的，而报文译码必须实时进行，所以译码器的性能 决定了应答器传输通道的实时性。 应答器报文的译码工作既可以利用软件实现，例如d s p 芯片技术，也可以利 用硬件来实现，如基于f p g a 。虽然d s p 技术实现报文的译码方式比较灵活，但 是相对于硬件的实现方式来说，译码速度比较慢，影响了实时性。因此研究采用 硬件方式实现应答器报文译码从而提高信息传输的实时性具有重要的现实意义和 实用价值。 l q 到 事 宰鬈 i 迫码报岁芝 设备 设备 图1 2 应答器报文信息流的处理和传输流程 6 北京交通大学硕士毕业论文绪论 1 4 论文结构 论文的结构安排如下： 第l 章绪论。简要介绍了列车运行控制系统的概况和应答器在列车运行控制 系统中的应用；介绍了国内外常见的几种应答器，以及欧洲应答器的工作原理； 最后论述了论文的选题意义。 第2 章应答器报文译码算法分析。在分析了f f f s 编码策略的基础之上，重点 分析了应答器报文译码策略以及译码过程；然后分析了译码策略的可靠性；最后 分析了f p g a 硬件实现应答器译码的可行性。 第3 章f p g a 硬件设计平台和设计方法。介绍了f p g a 和v 瑚) l 语言的特点、 以及f p g a 的设计平台和设计方法。 第4 章应答器报文译码的f p g a 实现。首先提出了基于f p g a 的应答器报文 译码的总体实现方案和模块划分方法；然后对各个功能模块的实现进行了详细分 析设计。 第5 章应答器报文译码仿真分析。在q u a 巾l si i 仿真平台上对应答器报文译码 实现方案进行仿真分析。 第6 章总结与展望。对论文工作进行总结，并对后续的工作提出展望。 7 北京交通大学硕士毕业论文应答器报文译码算法分析 2 应答器报文译码算法分析 应答器报文的译码是应答器编码的逆处理。本章首先介绍应答器的编码策略 和应答器编码过程，然后重点分析应答器译码策略的实现过程，并对应答器译码 过程的安全性、有效性以及应答器报文译码f p g a 硬件实现的可行性进行分析。 2 1欧洲应答器编码策略 欧洲应答器编码策略是欧洲信号协会为了使应答器能够安全可靠的在车地问 传输数据信息而制定的策略，称为f 咖f i t f u n c t i o n s p c c 瓶c a t i o n ( 缩写为n 下s ) 编码策略。f f f s 编码策略定义了适用于欧洲应答器的报文格式。 2 1 1 应答器编码步骤 f f f s 编码策略的编码步骤如下： 1 ) 选择1 2 个加扰位； 2 ) 对输入的用户数据位进行扰乱操作； 3 ) 将扰乱后的数据分成l o 位一组的数据块，然后将每组1 0 位的数据块扩展 成每组1 1 位的数据块； 4 ) 选择l o 个额外修整位( 如果所有1 0 2 3 种组合耗尽，则转到步骤1 ) 继续 执行) ； 5 ) 计算校验位； 6 ) 检查修整限制条件，对报文进行测试。如果满足限制条件，报文输出，编 码停止；如果不满足限制条件，则转到步骤4 ) 继续执行 其中步骤2 ) 用户数据的扰乱分以下三个步骤完成： 1 第1 个1 0 b i t s 用户数据位被所有用户数据位的函数替代； 2 由1 2 个扰乱位计算得到一个3 2 位的整数s 作为扰乱器的初始值； 3 使用初始状态为s 的3 2 位线性反馈移位寄存器对用户数据进行扰乱。 步骤1 ：设u 。l u 。以u l u o 代表用户数据位，对长报文，m = 8 3 0 ；对短报文，m = 2 1 0 。 将用户数据位从左至右分成k 个1 0 位一组的数据块：u k i ：( u 仃卜1 u 。1 0 ) 、 u k 2 ：( u 。t 1 u 帕o ) 、u o = ( u 9 u 0 ) ，对长报文，k = 8 3 ，对短报文，k = 2 1 。生成 一组新的1 0 位数据字u k - l u k - 2 、u o ，新的数据块流与先前的u k 小u k 2 、 u 0 的区别于只在于第1 个字：u 。= uf o ri 卸k 2 北京交通大学硕士毕业论文 应答器报文译码算法分析 【，：一，= 以m o d 2 ” 这里所有的1 0 位数据组看成是最高位在左的整数。序列u k i 、u k - 2 、，u o 变回位流u + l u 帕u o ，除了第1 个l o 位u 。i u 仃卜l o 与u m 1 u 。1 0 不同外，其余 的与u 。1 l 1 1 0 均相同。 步骤2 ：将1 2 位的扰乱位b 1 0 6 b 9 5 看成是一个整数b ，最高位为b 1 0 6 ，最低 位为b 9 5 ，口= 6 m 2 1 1 + + 6 9 。2 + 69 5 扰乱器所需要的3 2 位初始值s ( 整数) 定义 为： s ：( 2 8 0 1 7 7 5 5 7 3 b ) m o d 2 ” 这里，2 8 0 1 7 7 5 5 7 3 = 6 9 0 6 9 3 m o d 2 ”。 步骤3 ：使用图2 1 所示的3 2 位线性反馈移位寄存器对用户数据进行扰乱。 其中的方块是延迟单元，加号代表异或。 图2 - l3 2 位线性反馈移位寄存器 选取这个3 2 位线性反馈移位寄存器的特征多项式为 ( x ) 二j 3 2 + 1 + 工3 0 + j 2 9 + j ”+ 石2 5 + l 数据扰乱的具体过程可以以表示为如下形式 = 一。吒l ( m l ，o ) ( 1 ) 盯( x ) i r 【工盯( 力+ “：3 2 】 ( 2 ) 公式( 2 ) 表示当前时钟计算得到的d ( x ) 代替上个时钟时的a ( x ) 。线性反 馈移位寄存器中的内容为仃( j ) = q 。工”+ + q 工+ ，其初始值为s 的二进制表示。 s 为扰乱后的输出数据，u 为新生成的用户位流位，对于长报文m 为8 3 0 ，短报 文为2 1 0 。每来一个时钟，进行公式( 1 ) 和公式( 2 ) 的计算，经过n 卜1 个时钟周 期后，就可以得到所有用户数据的扰乱输出s i t 卜1 渤。 9 北京交通大学硕士毕业论文应答器报文译码算法分析 步骤3 ) ：l o 位1 1 位的转换是将经过扰乱后的数据按输出的先后顺序每l o 位 一个码字进行分组，然后利用事先定义好的1 0 到1 1 位转换表对每一个1 0 位的码 字进行l o 到1 1 位的数据转换。 规定1 0 位到1 1 位转换表中的1 0 2 4 个字为合法字，其它所有的l l 位字都为非 法字。为了达到校验的目的，转换表中前5 1 2 个字的和为2 6 7 5 2 8 ：所有1 0 2 4 个字 的和为5 1 2 ，2 0 4 7 = 1 0 4 8 0 6 4 。 2 1 2 应答器报文格式 应答器报文格式如表2 1 所示。这个报文有两种格式：长报文( 1 0 2 3 位) 和短报 文( 3 4 l 位) 。报文位表示成b 。- 1 ，b 。- 2 ，b l ，b o ( n = n 产1 0 2 3 或n = n 5 = 3 4 1 ) 。传输 的顺序从左至右。 表2 1 应答器编码报文格式 修整数据位控制位扰乱位额外修整位校验位 8 3 - 1 1 = 9 1 3 位 3 位1 2 位1 0 位8 5 位 2 1 1 1 = 2 3 1 位 报文以一组修整数据块开始，它是由输入的用户数据进行扰乱和l o 1 1 位的数 据转换而得到的，在长报文情况下，该块包括9 1 3 位( 8 3 个1 1 位字) ，即b 1 0 2 2 b 1 1 0 位；在短报文情况下，该块包括2 3 1 位( 2 1 个1 1 位字) 即b 3 4 0 b 1 1 0 位。每个字包括 1 0 位用户数据位。这样长报文包含8 3 0 个用户数据位，短报文包含2 1 0 个用户数 据位。 接下来的3 位b 1 0 9 b 1 0 7 是控制位。第一个控制位b 1 0 9 是反转位，必须设置为o ， 其他两个控制位b 1 0 8 、b 1 0 7 目前不用，用于将来的格式变化，对于现在的格式， b 1 0 8 = o 、b 1 0 7 = 1 。后面的1 2 位b 1 0 6 b 9 5 是扰乱位，它们存储扰乱器的初始状态， 用于对输入的用户数据进行扰乱操作。接下来的l o 位数据b 9 4 b 8 5 是额外修整位， 它们用于在独立于数据扰乱的校验位加上修整限制。最后的8 5 位b 8 4 b o 是校验 位，由7 5 位奇偶检错码和1 0 位同步码组成。 应答器编码报文格式的主要特性如下： 1 ) 报文长度为1 0 2 3 或3 4 1 位； 2 ) 用户使用的信息位数：8 3 0 或2 l o ； 3 ) 对各种传输错误具有可证明的安全性； 4 ) 反转报文的所有位，解码器一样能检测到； 5 ) 传输可以从报文的任意位开始，不需要必须从报文的起始位开始，检测机 制对于报文的循环移位是完全透明的； 北京交通大学硕士毕业论文应答器报文译码算法分析 6 ) 支持与将来未知格式的报文兼容。 2 2 应答器的译码策略 译码时不仅要通过数据校验，还需对数据进行有效性分析，目的是为了防止 随机干扰和突变干扰以及传输中的位滑动和位插入，保证数据的正确接收。 2 2 1 应答器译码步骤 译码器接收的报文有两种格式：一种是长报文格式( n ：1 0 2 3 ) ，一种是短报文 格式( n = 3 4 1 ) 。 应答器的译码过程如下： ( 1 ) 取一个n + r 连续接收位的窗( 长报文r = 7 7 、短报文r = 1 2 1 。如果窗口 移动已经超过7 5 0 0 位，设置r = n ) ； ( 2 ) 对接收报文进行奇偶校验，如果校验错误，移动窗口并回到步骤( 1 ) ； ( 3 ) r 个额外位( 窗最右边) 和开始的r 位( 窗口最左边) 是否相同? 如果不 同，移动窗口并回到步骤( 1 ) ； ( 4 ) 寻找报文开始位置，如果找到的位置不可能，回到步骤( 1 ) ； ( 5 ) 所有的1 1 位字( k 1 h 1 1 ) 、( b n 1 2 b n 2 2 ) 、( b l o b o ) 均为有效字? 如 果不是，移动窗口并回到步骤( 1 ) ； ( 6 ) 到这一步，认为报文安全； ( 7 ) 反转位b 1 0 9 = 1 吗? 如果是，翻转报文的所有位； ( 8 ) 检查其它两个控制位。如果b 1 0 8 = 1 或b l o 芦0 ，给出“未知格式电码”的 信息报告； ( 9 ) 完成1 0 一1 1 位的反转换； ( 1 0 ) 解扰； ( 1 1 ) 输出用户数据位和反转位b 1 0 9 的原始数据值。 2 2 2 译码过程详细分析 上述译码步骤中，步骤( 2 ) 、( 3 ) ，( 4 ) 、( 5 ) 属于译码数据的校验和有效性 分析过程，其作用是为了防止随机干扰和突变干扰，还可以防止传输过程中的位 滑动和位插入，并以此来保证数据的正确接收。其中步骤( 2 ) 和( 3 ) 属于数据 校验过程，步骤( 4 ) 和( 5 ) 属于有效性分析过程。 北京交通大学硕士毕业论文应答器报文译码算法分析 出于报文译码可靠性的原因，译码接收机需要一定数目的额外数据位。对于 不同格式的报文，所需额外数据位是不同的，长报文为7 7 ，短报文为1 2 1 。而当 窗口移动超过7 5 0 0 位的时候，其额外位r 的长度要等于报文的长度n ，这样定义 的目的是为每个查询应答器通道，对未检出错误的概率设置一个固定的上限。 步骤( 2 ) 将接收到的前n 位数据看成一个多项式，并看其是否能够被g ( x ) 整 除，以此作为译码过程的奇偶校验，其中g ( x ) 的表示方式对于不同格式的报文是不 同的。 对于长报文： gl ( 功= 工7 5 + 工+ x 7 2 + 石7 1 + 工6 7 + 工6 2 + x 卅+ 工6 0 + z 5 7 + j 5 6 + 工5 5 + 工5 2 + 石s l + 工4 9 + 工4 6 + 工4 5 + 工4 4 + 工4 3 + j 4 l + 工3 7 + 工 + 工3 4 + x ”+ x 3 1 + 工3 0 + 工2 8 + 【2 6 + 工2 4 + 工2 1 + 一7 + 一6 + 一5 + 工。3 + 工1 2 + 工+ ，+ 工4 + 工+ l 对于短报文： 9 5 ( x ) = 工7 5 + 工7 2 + 工7 1 + 工7 0 + 工嘏+ 工6 8 + x 黼+ z 矸+ 工6 + 工+ x 6 0 + 工拜+ 石5 4 + 石4 9 + 工4 7 + 工4 6 + 工4 5 + x “+ j + 工4 2 + 工4 1 + 工3 9 + 工3 8 + 工3 7 + 石3 6 + 工3 4 + ，3 + 工3 2 + 矿1 + 石3 0 + 工2 7 + 工2 5 + 工2 2 + 工1 9 + 一7 + 工1 3 + 石1 2 + 工“+ 一o + 石6 + 工3 + 工+ 1 步骤( 3 ) 是检查额外位过程。检查额外数据位有几个目的：1 ) 对于短帧报 文，能够确保与长帧报文区分开来；2 ) 对于两种格式的报文来说，这项检查对于 发现位滑动和位插入都是十分关键的。 步骤( 4 ) 是找出报文的初始位。在此需要使用多项式f 【x ) 。f 狂) 的表示方式对 于不同格式的报文也是不同的。 对于长报文： ，( x ) = 工1 0 + ，+ j 7 + 工6 + 工4 + ，+ x 2 + j + 1 对于短报文： 厂s ( 力= 石1 0 + 工8 + 工7 + 工5 + j 3 + 工+ 1 找到报文的起始位后，就可以将n 位数据位进行( bn _ 1 b 。- 1 1 ) 、( b 。- 1 2 b n - 2 2 ) 、 ( b 1 0 。b o ) 的1 1 位字分组，进行步骤( 5 ) 合法字校验判断。 当所有的1 l 位字全都是合法字的时候，报文就可以认为是安全的。 在实际实现中，当报文被证明安全后，很自然的就进行步骤( 9 ) l o n 位反 转换，但十分重要的是：报文的所有字都应该被测试，而不仅仅是整形数据部分。 所以要进行控制位校验判断。 步骤( 7 ) 、( 8 ) 控制位检验，检查反转位b 1 0 9 以及其它两个控制位b 1 0 8 和b 1 0 7 ， 接着是步骤( 9 ) 完成译码报文的l o 1 l 的反转换。 步骤( 1 0 ) 对报文进行解扰，需要利用3 2 位线性前馈移位寄存器。 解扰后，步骤( 1 1 ) 输出用户数据位和反转位b 1 0 9 的原始状态值，完成译码过 北京交通大学硕士毕业论文应答器报文译码算法分析 程。 2 2 3 译码策略采取的安全措施分析 f f f s 编码策略是选用一个具有初始值s 、特征多项式为h ( x ) 的3 2 位线性反馈 移位寄存器对输入的用户数据进行扰乱。编码方式是b c h 循环码，校验方式是 7 5 b i t s 循环冗余校验( b c h 码) ，同步方式是块控制首部，报文码长是1 0 2 3 b i t s 3 4 1 b i t s ( 长，短报文) ，可用码长：8 3 0b i t 叱1 0 b i t s ( 长短报文) 。b c h 码是一 类重要而有效的纠正多个随机错误的循环码，由于该码具有严格的代数结构，所 以是到目前为止研究得最为详尽、应用最为广泛的一类码，并且已有多种译码算 法。 循环码具有良好的防随机错误和( 加性) 突发错误的性能。长帧报文码子之 间的最小汉明距离是1 5 ；短帧报文是1 7 。在数据窗口内若存在少量的位错误，那 么这些错误总能由译码器检测出来。 报文采用的循环码能够检测任何长达7 5 位的突发错误，也能够保证检测多个 长度短一些的突发错误组合。例如，任何两串长度不超过4 2 和2 4 的突发错误组 合总能被检测出来。 在数据窗口( 长度为n + r ) 内，位滑动和位插入的不超过3 次的任意组合总是 能够被译码器检查出来( 对于更多次的随机位错误，绝大多数也能检测出来) 。 译码时不仅要通过数据校验，还需对数据进行有效性分析，其目的就是为了 防止随机干扰和突变干扰以及传输中的位滑动和位插入，保证数据的正确接收。 在译码步骤中定义短长报文的额外数据位r 分别是1 2 l ，7 7 ，短帧报文的额外 数据位之所以比长帧报文的额外数据位多就是为了保证必须将短帧报文和长帧报 文安全可靠的分开。当移窗位数超过7 5 0 0 时，定义短长报文的额外数据位r = n ( 3 4 1 1 0 2 3 ) ，设置r = i l 的目的是为每个应答器通道，对未检出错误报文的概率设 置一个固定的上限( 当r 与n 一样大时，收到坏报文的可能性是o ) 译码过程检查额外数据位有几个目的：1 ) 对于短帧报文，能够确保与长帧报 文区分开来；2 ) 对于两种格式的报文来说，这项检查对于发现位滑动和位插入都 是十分关键的。 在实际实现中，当报文被证明安全后，很自然的就进行1 0 1 1 位反转换，但十 分重要的是：报文的所有字都应该被测试，而不仅仅是整形数据部分。 所以在证明报文安全可靠之后，还必须检查控制位( c b ) 。如果发现反转位b 1 0 9 是l ，将对接收到的所有数据位取反，并且这种取反操作将通报给更高一级的设 各。其他两个控制位b 1 0 8 和b 1 0 7 也要检查，如果不是o 和l ，译码器发出“未知报 北京交通大学硕士毕业论文 应答器报文译码算法分析 文格式”消息。然后才能进行1 0 一1 i 转换和解扰工作。 2 3应答器译码f p g a 实现的可行性分析 从前面分析的欧洲应答器译码策略和译码过程看，数据需要进行存储、数学 运算( 具体的说就是加法、乘法和异或运算) 、移位等操作，如果采用别的硬件实 现方法，必然要占用很大的资源，而在f p g a 设计中，硬件开发环境中有现成的 存储模块、数学运算模块，这些模块都是最优的综合结果，可以在设计中直接使 用，这样可以减少资源的占用，提高译码速度。同时f p g a 是基于查找表结构的， 数据处理速度非常快，可以提高数学运算的效率。从f p g a 的复杂度来看，f 1 p g a 器件资源充足，目前市场上比较容易买到一片集成度达到几百万门的f p g a 产品， 只要选择合适的f p g a 就完全能满足应答器译码的资源要求。 为了提高f p g a 译码电路的安全性，可采用三取二”表决电路。即，设计三 个相同的f p g a 硬件译码电路，这三个译码电路同时译码，然后由“三取二”表决 电路对三个译码结果进行表决。 三取二”表决系统是最常用的k ，n 表决系统，三取二”表决系统示意图如图2 2 所示【1 7 j 。 图2 - 2 “三取二”表决系统的示意图 由以上分析可以看出，f p g a 设计符合应答器译码高实时性、安全性的要求， 利用f p g a 实现应答器报文译码是可行的。 2 4 本章小结 本章首先介绍了f f f s 编码策略和应答器的报文格式，然后重点分析了应答器 报文的译码策略和具体实现过程，最后对应答器译码过程的安全、有效性以及应 答器译码f p g a 实现的可行性进行了分析。 北京交通大学硕士毕业论文f p g a 硬件设计平台和设计方法 3 f p g a 硬件设计平台和设计方法 3 1f p g a 设计平台介绍 f p g a 是英文f i e l dp r o 争趼m a b l eg a t e 锄y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专 用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不 足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 3 1 1f p g a 的发展过程 数字集成电路的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模 集成电路l s i ) 、超大规模集成电路( 【几s i ) 到如今的专用集成电路( a s i c ) 的各个阶 段，其规模几乎平均每1 2 年翻一番。a s i c 的出现降低了产品成本，提高了系统 的可靠性，极大的推动了社会的数字化和信息化的进程。但是a s i c 的设计周期长、 开发费用高、灵活性较差，限制了它的应用范围。因此电子设计工程师致力于开 发一种更灵活的设计方法，提出了设计可编程逻辑器件的基本思想。 可编程逻辑器件p l d 是a s i c 的一个分支，是厂家作为一种通用性器件生成 的半定制电路，用户可通过对器件编程实现所需要的逻辑功能。p u ) 成本低、使 用灵活、设计周期短，而且可靠性高，风险小，目前已经得到了广泛应用，并取 得了长足的进步。最早能够完成简单逻辑功能的器件有可编程只读存储器 口r o m ) 、紫外线可擦除只读存储器( u v e p r o m ) 、电可擦除只读存储器( e e p r o m ) ， 后来能够完成中大规模数字逻辑功能的有可编程阵列逻辑( p a l ) 和通用阵列逻辑 ( g a l ) 。而到今天已经发展到可以完成超大规模复杂组合逻辑和时序逻辑的f p g a 。 f p g a 的出现使系统级集成电路的设计与开发成为了可能的事实。同时f p g a 等微电子技术的高速发展，也对电子设计的技术提高了更高的要求，这也大大促 进了电子设计技术的飞速发展。目前，f p g a 的微电子技术工艺水平已经达到了深 亚微米级，在一个芯片上可以集成数百万乃至上千万只晶体管，其工作速度可以 达到g h z 级别。f p g a 在结构、集成度、功能、速度和灵活性方面都有了很大的 改进和提高，这些条件都为制造出大规模，块速度和大容量信息的芯片系统提供 了有利条件。 因此，f p g a 的使用者不仅要对所使用器