吳曉晶 成衛(wèi)忠

基于FPGA的誤碼檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳曉晶 成衛(wèi)忠

本文設(shè)計(jì)了一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)誤碼檢測(cè)的方案。文章首先從誤碼儀的基本原理入手，介紹了其各個(gè)功能子模塊的工作原理及方案，并著重分析了誤碼檢測(cè)儀的一些關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)方法。最后利用VHDL語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)經(jīng)編譯、綜合后下載到FPGA中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

在通信系統(tǒng)中，收發(fā)機(jī)故障、信號(hào)傳播衰落、碼間干擾、鄰近波道干擾等原因都會(huì)使得數(shù)字通信中的接收端不可避免的出現(xiàn)誤碼，造成系統(tǒng)性能惡化甚至通信中斷，其結(jié)果都是以誤碼的形式表現(xiàn)出來，因此常常需要應(yīng)用誤碼檢測(cè)儀對(duì)其誤碼性能進(jìn)行測(cè)量。由于數(shù)字通信系統(tǒng)通信速率通常較高，使得誤碼檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)具有一定的難度。且如果采用分離元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常需要數(shù)十種器件，且在高速率時(shí)由于各器件間的延時(shí)很難控制和處理，導(dǎo)致電路的調(diào)試難度較大且其檢測(cè)性能難于保障?；诖耍疚膽?yīng)用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的誤碼率檢測(cè)系統(tǒng)。

誤碼檢測(cè)儀原理及實(shí)現(xiàn)方案

本文的誤碼檢測(cè)儀采用逐位檢測(cè)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本原理如圖1所示。

逐位比較型誤碼檢測(cè)的基本原理是通過發(fā)送端和接收端兩個(gè)類型相同的序列經(jīng)過同步之后對(duì)碼元進(jìn)行逐個(gè)比較。一旦出現(xiàn)誤碼，原本一致的碼元就會(huì)出現(xiàn)異同，利用這一特點(diǎn)，通過位同步時(shí)鐘的控制利用異或門對(duì)碼元進(jìn)行逐個(gè)比較，將比較的結(jié)果通過計(jì)數(shù)器送到顯示電路進(jìn)行顯示。

本地偽隨機(jī)序列與偽隨機(jī)碼序列產(chǎn)生器的發(fā)送序列雖然是完全一樣的碼型，但發(fā)送序列通過信道后要產(chǎn)生延時(shí)，與本地序列比較相位已經(jīng)不能完全對(duì)齊，因此必須在接收端進(jìn)行同步。本地偽隨機(jī)序列移位是在時(shí)鐘的控制下進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)兩序列的正確比較必須是本地偽碼序列和接收的偽碼序列同步，因此，本地端和發(fā)送端要求有同步的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)過程中，同步捕獲功能由同步與保護(hù)控制電路完成，當(dāng)序列對(duì)應(yīng)位狀態(tài)不一致時(shí)，同步與保護(hù)控制電路輸出一個(gè)控制信號(hào)，時(shí)鐘停扣電路扣除掉一個(gè)時(shí)鐘脈沖，同時(shí)，偽隨機(jī)序列碼發(fā)生器被觸發(fā)，這樣就等同于本地偽隨機(jī)碼序列等待一個(gè)時(shí)鐘周期后，與接收碼序列進(jìn)行比較。若連續(xù)發(fā)現(xiàn)本地碼序列和接收碼序列狀態(tài)不一致，則通過同步與保護(hù)控制電路和停扣時(shí)鐘電路，使本地偽隨機(jī)碼序列繼續(xù)處于等待狀態(tài)，直至本地序列和接收序列的狀態(tài)同步為止。同步與保護(hù)電路的功能一方面是起同步控制作用，另一方面是在系統(tǒng)狀態(tài)同步后，一旦出現(xiàn)誤碼或短時(shí)的不同步，也不立即進(jìn)行同步捕獲，而是設(shè)置了一定的失鎖保護(hù)時(shí)間，以保證系統(tǒng)同步的穩(wěn)定性。

圖1　逐位比較型誤碼檢測(cè)器的原理圖

計(jì)數(shù)器模塊是用在輸入一萬個(gè)偽隨機(jī)碼的情況下，統(tǒng)計(jì)誤碼輸出的個(gè)數(shù)，這樣輸出的個(gè)數(shù)也就是輸出誤碼率，省去了除法器模塊，節(jié)約了FPGA芯片的資源，提高了利用率，并將最后結(jié)果通過七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器

偽隨機(jī)碼，也稱為偽噪聲（Pseudorandom Noise，PN）碼。這種碼序列最關(guān)鍵的特征是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。由于噪聲具有完全的隨機(jī)特性，也可以說這種碼序列具有近似于噪聲的性能。然而，真正的噪聲和隨機(jī)信號(hào)是不可能重復(fù)再現(xiàn)的，那么，可操作的方法就是利用一種周期性的脈沖信號(hào)來近似隨機(jī)噪聲的性能，故稱該周期性的脈沖信號(hào)為偽隨機(jī)碼或PN碼。

本文中偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生利用多級(jí)移位寄存器經(jīng)線性反饋產(chǎn)生周期性的m序列的方式實(shí)現(xiàn)。為減輕系統(tǒng)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)過程中本文選擇移位寄存器級(jí)數(shù)為五級(jí)。五級(jí)移位寄存器可產(chǎn)生序列長(zhǎng)度為31的m序列，經(jīng)計(jì)算其反饋系數(shù)可為45、67、75，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為100101、110111、111101，圖2為一種簡(jiǎn)單的五級(jí)移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器。設(shè)計(jì)過程中，本文采用反饋系數(shù)為45。

5級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的31位的m序列之一為0000101011101100011111001101，其仿真波形圖3所示。

狀態(tài)同步與誤碼計(jì)數(shù)的模塊

狀態(tài)同步與誤碼計(jì)數(shù)模塊主要包含：移位與串/并變換模塊，并行輸入與狀態(tài)控制模塊，狀態(tài)并行比較模塊，連1狀態(tài)計(jì)數(shù)模塊，逐位比較檢測(cè)模塊，誤碼統(tǒng)計(jì)與門限檢測(cè)模塊，時(shí)鐘?？勰K模塊等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

在實(shí)際工作中，不僅要求接收端的m序列和發(fā)送端的m序列類型相同，同時(shí)兩序列的狀態(tài)也必須同步，若狀態(tài)不同步，則無法進(jìn)行檢測(cè)。由于m序列有多個(gè)不同狀態(tài)，狀態(tài)同步的方法為設(shè)定同步楨為子序列，進(jìn)行逐楨比較，確認(rèn)同步后發(fā)出同步信號(hào)，經(jīng)過判決電路進(jìn)行比較判決。狀態(tài)同步控制則采用時(shí)鐘?？鄣姆椒?，即發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不同的時(shí)序時(shí)，控制本地的m序列驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘停止。通過這樣的方式，發(fā)送的m序列就會(huì)向前移動(dòng)一個(gè)時(shí)鐘周期，之后再進(jìn)行下一輪比較。

圖2　5級(jí)寄存器構(gòu)成

圖3　m序列輸出仿真波形

圖4　誤碼同步檢測(cè)模型

誤碼率顯示模塊

誤碼率顯示模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。顯示模塊的功能是輸出統(tǒng)計(jì)的誤碼率，精度范圍為“10-1”到“10-4”，當(dāng)誤碼率小于“10-4”時(shí)，認(rèn)為誤碼率已經(jīng)很小，可忽略，此時(shí)誤碼率顯示模塊輸出為0。整體流程如下，誤碼數(shù)以串行的方式輸入（誤碼輸出端統(tǒng)計(jì)在一萬個(gè)輸入脈沖中有誤碼的個(gè)數(shù)的，誤碼門限檢測(cè)模塊設(shè)置的門限為30％，因此誤碼數(shù)輸出最大值為3000，即范圍為0～3000，可用12位二進(jìn)制碼表示），經(jīng)“QUANBING”串并轉(zhuǎn)換模塊變成12位的二進(jìn)制并行碼，12位二進(jìn)制碼再經(jīng)“12bcd”二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成四位十進(jìn)制并行碼，四位十進(jìn)制并行碼經(jīng)“BINGQUAN”并串轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為四位十進(jìn)制串行碼，四位十進(jìn)制串行碼接入到“SXQG”顯示數(shù)組模塊，把四位十進(jìn)制數(shù)變成科學(xué)計(jì)數(shù)法的形式科學(xué)計(jì)數(shù)輸出，科學(xué)計(jì)數(shù)輸出再經(jīng)“SXY、JISHUYIQIANG、XJSH、QUANBING4”組成的掃描式顯示輸出模塊把科學(xué)計(jì)數(shù)輸出到硬件電路即七段數(shù)碼管顯示電路上。

測(cè)試及驗(yàn)證

在測(cè)試及驗(yàn)證過程中，本文將編寫的VHDL程序經(jīng)過編譯、綜合后下載到FPGA芯片中。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)端人為插入具有誤碼的序列，以驗(yàn)證系統(tǒng)的檢測(cè)功能。圖6為檢測(cè)電路發(fā)送端發(fā)送帶有插入誤碼的波形，插入規(guī)則為每5個(gè)碼字中插入一個(gè)誤碼，其波形如圖6所示。

圖中第一行的波形為接收碼，二進(jìn)制表示為10011 00010 01110 00101，第二行波形為本地碼，二進(jìn)制表示為10010 00011 01111 00100，可觀察到接收碼與本地碼每隔5個(gè)脈沖就有一個(gè)不相同，也就是說每輸入5個(gè)信號(hào)脈沖就會(huì)輸出一個(gè)誤碼脈沖。

圖7為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出，用二進(jìn)制表示為00001 00001 00001 00001。

圖5　誤碼率顯示模塊

圖6　有誤碼插時(shí)接收碼與本地碼在示波器上的波形

圖7　計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸出

結(jié)語

本文采用逐位比較的方法，通過偽隨機(jī)碼、狀態(tài)同步、誤碼比較及計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA誤碼檢測(cè)儀。該方法大大地降低了誤碼儀設(shè)計(jì)的復(fù)雜度， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.019