一種關(guān)于FPGA的兩種誤碼儀實現(xiàn)方法設(shè)計

摘 要： 設(shè)計了一種基于EPF10KRC208-4的誤碼儀，該設(shè)計充分利用了FPGA強大的可編程能力和豐富的資源，以及軟件開發(fā)平臺Quartus Ⅱ的完備功能，具有體積小巧、攜帶方便、測量精確等優(yōu)點。其核心部分分別采用了逐位比較法和移位寄存器法，并在仿真過程中設(shè)置了多種誤碼情況進行對比。最后，根據(jù)仿真結(jié)果分析了方案的可行性和兩種方法的優(yōu)缺點。

自20世紀(jì)下半葉以來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展在軍事領(lǐng)域掀起了軍事變革的浪潮，使武器裝備、作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)理論的本質(zhì)發(fā)生了深刻變化。信息技術(shù)促進了衛(wèi)星通信、光纖通信等現(xiàn)代通信手段與現(xiàn)代偵查監(jiān)視系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)和武器控制的結(jié)合，實現(xiàn)了情報、通信、指揮與控制一體化的情報指揮控制系統(tǒng)（C3I系統(tǒng)）正改變著傳統(tǒng)的作戰(zhàn)模式，使戰(zhàn)爭形態(tài)由機械化戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒瘧?zhàn)爭。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字通信正在逐步取代模擬通信成為主要的通信方式。而誤碼是影響數(shù)字通信系統(tǒng)最重要的因素，因為誤碼直接破壞了信息傳遞的正確性。然而在信息化戰(zhàn)場上，存在各種各樣復(fù)雜的干擾，人為干擾如雷達波、各種電器開關(guān)通斷產(chǎn)生的短脈沖等的電磁波，敵方的電子干擾、各種干擾彈、機動馬達和炮擊爆炸等電磁輻射，還有非人為的雷電、宇宙輻射、鄰近通信系統(tǒng)等的干擾，這些干擾往往是導(dǎo)致信道產(chǎn)生誤碼的最重要因素。

為了正確地評估戰(zhàn)場環(huán)境下通信系統(tǒng)的性能，本文研究了基于FPGA的誤碼儀設(shè)計，采用FPGA使設(shè)計具有結(jié)構(gòu)小巧，攜帶方便等優(yōu)點，其核心部分的設(shè)計分別采用了逐位比較法和移位寄存器法。

1 基本原理

設(shè)計過程中FPGA開發(fā)環(huán)境采用Altera公司的開發(fā)軟件Quartus Ⅱ 9.0，它集成邏輯分析、功率分析、時序優(yōu)化和EDA工具等功能，使設(shè)計變得十分簡潔。

1.1 逐位比較法的基本原理

逐位比較法誤碼儀示意圖如圖1所示，誤碼儀由發(fā)送和接收兩部分組成［3］。發(fā)送部分由碼型發(fā)生器組成，Select為測試碼類型選擇輸入，接收部分由時鐘同步器、本地碼產(chǎn)生器、逐位比較器和誤碼統(tǒng)計模塊組成。

其原理為：在低頻時鐘CLK1的驅(qū)動下，將碼型發(fā)生器生成的測試碼m序列輸入到被測信道，然后由接收端接收，并提取時鐘同步器進行時鐘同步。在8倍高頻時鐘CLK8的驅(qū)動下，提取數(shù)據(jù)流的時鐘信號。時鐘同步完成后，位同步器輸出頻率同CLK1的同步時鐘CLK一致，其上升沿對準(zhǔn)接收數(shù)據(jù)的中間部分，以保證接收數(shù)據(jù)的正確性。

m序列經(jīng)過被測信道后，進入接收端的本地碼產(chǎn)生器和逐位比較器。接收端把接收到的m序列前N個碼元（N為m序列發(fā)生器級數(shù)）對本地碼產(chǎn)生器進行灌碼，并把所灌碼作為本地產(chǎn)生器的初值。本地碼產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)與發(fā)送端的碼型發(fā)生器結(jié)構(gòu)相同，因此，如果所灌碼正確，就可以產(chǎn)生與發(fā)送端完全一致的m序列，該序列與接收到的數(shù)據(jù)在逐位比較器中進行逐位比較。

如果測試數(shù)據(jù)在傳輸中有誤碼，則在逐位比較過程中可以檢測出來。逐位比較器將檢測到的誤碼信號傳輸給誤碼統(tǒng)計模塊，該模塊的功能是進行誤碼數(shù)累計，累計的數(shù)據(jù)傳送給計算顯示模塊。當(dāng)一段時間內(nèi)誤碼數(shù)量超過所設(shè)上限，則該模塊給出失步信號LostSyn，說明此時系統(tǒng)失步，統(tǒng)計的誤碼數(shù)據(jù)無效，需重新同步。失步信號LostSyn使本地碼產(chǎn)生器重新進行灌碼，并產(chǎn)生新的本地序列。后續(xù)步驟同上。

1.2 移位寄存器法的基本原理

移位寄存器法誤碼儀的示意圖如圖2所示，誤碼儀的設(shè)計也包括發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分由碼型發(fā)生器組成，接收部分由時鐘同步器、誤碼檢測器和誤碼統(tǒng)計模塊組成。碼型發(fā)生器與上一種方法工作方式不同，在同一次測試中要先后產(chǎn)生兩種碼型，先產(chǎn)生時鐘同步碼，再產(chǎn)生m序列。時鐘同步碼只用于接收端時鐘提取，時鐘同步器工作原理與第一種方法相同。時鐘同步后時鐘同步器發(fā)出Syn信號通知碼型發(fā)生器產(chǎn)生m序列，這樣可以避免測試數(shù)據(jù)的丟失，保證誤碼檢測的正確性。

該方法的最大特點是用一個誤碼檢測器代替了上一種方法的本地碼產(chǎn)生器和逐位比較器。當(dāng)時鐘同步后，m序列經(jīng)過被測信道直接進入接收端的誤碼檢測模塊進行誤碼檢測，而不需要再產(chǎn)生本地碼，這種設(shè)計方法的優(yōu)點是抗干擾能力更強，設(shè)計也簡單；缺點是占用FPGA資源多，耗用83%的邏輯單元，設(shè)計多種碼型時占用資源更是明顯增多。而逐位比較法對FPGA資源要求不高，僅占13%的邏輯單元，容易實現(xiàn)多種碼型測試。誤碼統(tǒng)計模塊的工作原理與前一種方法相同。

2 設(shè)計方法

2.1 逐位比較法的設(shè)計方法

碼型發(fā)生器模型圖如圖3所示，其核心為m序列發(fā)生器。其中，CLK1為產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)時鐘；Select為碼型選擇輸入端，在這里設(shè)計了兩種碼型，通過控制Select端狀態(tài)來實現(xiàn)測試碼型的切換；ErrorIN為手動誤碼輸入端，該端連接一個按鈕，按一次按鈕產(chǎn)生一個誤碼；DATA為數(shù)據(jù)輸出端口。

圖4為時鐘同步器模型，其核心為一個抽樣電路。CLK8為8倍高頻時鐘輸入端，DataIN為數(shù)據(jù)輸入端，SynCLK為同步時鐘輸出端，Syn為時鐘同步標(biāo)志位。設(shè)計的方法為：數(shù)據(jù)輸入端DataIN作為抽樣電路的控制端，高電平時抽樣電路工作，在一個周期內(nèi)抽樣電路需進行3點抽樣，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的寬度無法滿足3點抽樣時，視為干擾，繼續(xù)進行時鐘同步搜索。當(dāng)3點抽樣皆為高電平時，才視為正常數(shù)據(jù)，使該模塊輸出同步時鐘和時鐘同步標(biāo)志位。該同步時鐘作為接收端后續(xù)電路的時鐘信號。

圖5為本地碼產(chǎn)生模塊模型圖，其核心為灌碼電路設(shè)計和m序列發(fā)生器。CLK為時鐘輸入端（后續(xù)模塊相同），DataIN為數(shù)據(jù)輸入端，Reset為復(fù)位端，DATA為本地碼輸出端。灌碼電路設(shè)計的關(guān)鍵是，在進行灌碼時，將m序列發(fā)生器（最長線型反饋移位寄存器）的循環(huán)回路斷開，使其成線性移位寄存器；當(dāng)灌碼完成后，將m序列發(fā)生器循環(huán)回路接通，此后，DataIN輸入的數(shù)據(jù)無效，即可按照所灌初值自行產(chǎn)生m序列。當(dāng)出現(xiàn)失步或者手動復(fù)位時，復(fù)位信號從Reset端輸入使該模塊重新進行灌碼操作。

圖6所示為逐位比較器模型圖，其核心為一個異或門和相應(yīng)的時延電路。其中A為本地碼輸入端；B為接收數(shù)據(jù)的輸入端，其在內(nèi)部需要經(jīng)過一定的時延，再跟A端數(shù)據(jù)接到異或門；EN為使能端。若出現(xiàn)誤碼，則在某時刻B端的碼元跟A端的碼元相異，經(jīng)過異或門后輸出一個高電平，其他相同的碼元經(jīng)過異或運算后輸出為低電平，這樣就能判別誤碼的情況了。Q即為誤碼輸出端，高電平表示有誤碼，一個時鐘的高電平表示有一個誤碼。

圖7為誤碼統(tǒng)計模塊模型圖，其核心為高電平到窄脈沖的轉(zhuǎn)換電路和誤碼計數(shù)電路。其中ErrorIN為誤碼信號輸入端，其在內(nèi)部經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為窄脈沖信號；LostSyn為失步信號輸出端；Z［16..1］為誤碼統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出端。在給定時間內(nèi)誤碼數(shù)量達到上限，則給出失步信號。失步信號通過一個8位計數(shù)器給出，該計數(shù)器8位輸出連接到一個8位與非門，通過改變連接方法可以設(shè)置0～255的任何一個定時值。另外，在其內(nèi)部設(shè)計一個清零電路，清零周期即為所設(shè)時間段，每個周期結(jié)束時的一個時鐘清零電平將計數(shù)器清零，以保證每個周期從零計數(shù)。誤碼數(shù)據(jù)統(tǒng)計器為16位計數(shù)器。

2.2 移位寄存器法的設(shè)計方法

移位寄存器法的時鐘同步器和誤碼統(tǒng)計模塊的設(shè)計方法與上一種方法相同。下面僅介紹一下碼型發(fā)生器和誤碼檢測器的設(shè)計。

圖8為碼型發(fā)生器模型圖，其核心為m序列發(fā)生器和方波發(fā)生器。其模型圖跟逐位比較法的不同之處在于輸入端沒有Select端，而有Syn端。Syn信號來自時鐘同步器的同步標(biāo)志位Syn。該輸入通過控制一個開關(guān)電路來達到切換方波發(fā)生器和m序列發(fā)生器的目的。由于移位寄存器設(shè)計方法耗用資源多，不適合設(shè)計多種碼型，這里僅設(shè)計了一種m序列發(fā)生器，所以沒有Select端。當(dāng)然，如果不考慮成本，也可以設(shè)計多種碼型。

圖9為誤碼檢測器模型圖，其核心為一個串入并出移位寄存器和一個并入串出移位寄存器。其中，DataIN為數(shù)據(jù)輸入端，STLD為并入串出移位寄存器的移位加載端，Error為誤碼輸出端。

圖10為誤碼檢測器設(shè)計思路示意圖。m序列每一周期的排列規(guī)則是固定不變的，即每個周期中的對應(yīng)位都是相同的。移位寄存器法就是利用了這種周期性。假設(shè)該方法設(shè)計的碼型為511碼，又設(shè)每個周期的第20～24位的排列是“11001”，則移位寄存器對應(yīng)位設(shè)計如圖10所示。按照這種設(shè)計方法，當(dāng)一個周期的511個碼元正好出現(xiàn)在SREG1的輸出端口上時，如果傳輸?shù)拇a元無誤碼，則SREG2的輸入端口全是低電平，否則，對應(yīng)的高電平即為誤碼，此時給STLD端口一個低電平，則將SREG1的511個輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過上述處理后加載到SREG2。SREG2在CLK的驅(qū)動下，將加載進來的數(shù)據(jù)從Error端口串行輸出，高電平即代表誤碼。

3 仿真分析

下面利用Quartus Ⅱ開發(fā)平臺對上述兩種方法在給定多種條件下進行時序仿真，并進行分析。

圖11、圖12所示是在沒有手動加入誤碼的情況下（即ErrorIN為低電平）兩種方法的仿真截圖，所用碼型皆為511碼，所用時鐘頻率相同，分別在兩個不同的時間段進行了截取。從圖11、圖12可以看出，逐位比較法在時間t=499.0 ns處完成了時鐘同步，移位寄存器法在時間t=500 ns處完成了時鐘同步，在所給時間段內(nèi)，兩種方法的誤碼輸出皆為低電平。對于移位寄存器法，在時間t=205.275 ？滋s處移位加載端STLD加載有效，把一個周期的511個碼元經(jīng)過處理后同時加載到SREG2，此后每隔一個周期就給出一個加載有效信號。

圖13、圖14所示是手動加了一個誤碼的情況下兩種方法的仿真截圖，碼型和頻率同前，分別在3個不同時間段進行了截取。由圖13、圖14可以看出，在時鐘同步之后，ErrorIN有一段高電平，此操作即給測試碼手動加入了一個誤碼。在此必須注意，加入的誤碼是落在測試碼的前9個碼元之內(nèi)的。對于逐位比較法，這種誤碼將會使逐位比較法灌碼碼元出現(xiàn)誤碼。如圖13所示，在時間t=10.45 ？滋s之后連續(xù)出現(xiàn)了誤碼，直到t=108.85 ？滋s誤碼數(shù)在設(shè)定時間內(nèi)達到了上限，系統(tǒng)判斷為失步并給出LostSyn信號后，又重新進行灌碼等一序列操作，才使誤碼數(shù)歸零，繼續(xù)進行測試。而逐位比較法則可以正確地檢測出誤碼。

圖15、圖16也是手動加了一個誤碼的情況下兩種方法的仿真截圖，截取了兩個時間段。與前一仿真相比，所給條件唯一不同就是加入的誤碼落在測試碼的前9個碼元之外，即逐位比較法首次灌碼碼元正確。由圖15、16中可以看出，在給定條件下，兩種方法都沒有出現(xiàn)失步現(xiàn)象，而且都能正確檢測出誤碼信息。結(jié)果說明，逐位比較法能否正確檢測出誤碼，取決于所灌碼元正確與否，也即抗干擾能力差，如果出現(xiàn)連續(xù)的灌碼碼元誤碼，則也會連續(xù)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。而移位寄存器法不會出現(xiàn)這個問題。

通過對誤碼儀兩種實現(xiàn)方法的設(shè)計、仿真與分析可以看出，逐位比較法耗用邏輯單元少，擴展性能也好，適合設(shè)計多種PN碼的測試。但它的抗干擾能力也相對較差，一旦灌碼碼元出現(xiàn)誤碼，則后續(xù)測試會出現(xiàn)一連串誤碼，導(dǎo)致測試結(jié)果錯誤，直到系統(tǒng)判斷為失步，才能再次進行灌碼操作，重新測試。而移位寄存器法的抗干擾能力好，但耗用資源多，不適合多種PN碼測試的設(shè)計。結(jié)果表明，兩種方法都是可行的，但各有優(yōu)缺點，在實踐中可以根據(jù)實際需求進行選擇。

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