基于FPGA的高速誤碼儀接收端設計方案的探討

當今通信領域的發展日新月異，光纖和衛星通信已經成為主要的通信手段，通信容量越來越大，傳輸速率越來越高，因此，發展能夠檢測系統高速誤碼性能的誤碼儀就顯得十分重要。在高速誤碼儀的設計中，接收端的設計歷來是難點，本文將對這個問題進行探討，提出兩種可行的方案。

1 高速誤碼儀接收端的主要功能和接口

1.1 主要功能

a)接收端能夠在fpga(現場可編程門陣列)芯片內部進行已知數據流(速率為3 00mbit?s-1／600 mbit?s-1)的比較以及錯誤統計；

b)能夠將統計結果在計算機中顯示；

c)能夠在計算機的控制下進行工作。

1.2 接口

a)高速接口。lvds串行輸入2路，并行輸入8路(與lvds輸入共用2路)，usb輸出1路。

b)低速接口。lvttl／lvcmos(3.3 v)輸入共用一路9針串口，cmos／ttl(5 v)輸人共用一路9針串口。

c)時鐘接口(采用同軸電纜傳輸)。2路lvds輸入，1路ttl輸入。

2 高速誤碼儀接收端的設計方案

兩個方案中fpga以xilinx公司的virtex-ⅱ為例。

2.1 方案1

方案1系統框圖如圖1所示。

2.1.1 分接系統

分接系統1接收300 mbit?s-1／600mbit?s-1串行數據和時鐘，將其分成2路并行數據。分接系統2將已同步的2路并行數據分成16路并行數據。分接系統采用xilinx公司給的參考ipcore。不過，該ipcore是4路串行轉8路并行，需要將其轉換為1路串行轉2路并行和l路串行轉8路并行。

2.1.2 同步電路

同步電路如圖2所示。同步頭為31 bit，其中將16 bit最佳碼間隔1 bit插入，同步電路采用滑動同步法，即將分接后的2路并行數據存入2個16 bit的移位寄存器中，分別與預先存入ram中的16 bit同步頭進行比較(比較功能由比較器完成，即異或2組數據，結果為全0即為相等，其他則為不等)。

如果一致，在定時信號的控制下，后方保護計數器加1，當計數器的值為3時，視為已經同步，后方保護計數器清零，前方保護計數器開始工作，同步指示燈亮，將數據分接為16路并行數據送到比較器，當比較完1幀后，再與同步頭進行比較。如果一致，在定時信號的控制下，前方保護計數器不計數；如果不一致，前方保護計數器加1，如此循環，當前方保護計數器為3時，視為失步，同步指示燈滅，停止比較數據。

如果不一致，則等待下一個時鐘上升沿到來，再進行比較。

這樣分配同步頭是為了將并行檢測同步頭變為串行檢測同步頭，在2個16 bit的移位寄存器中，同步頭必定在其中一個移位寄存器的16 bit中。因此，只需同時檢測這2個移位寄存器的16 bit，即可判斷是否是同步頭。當在奇數移位寄存器檢測到同步頭時，從偶數移位寄存器的第16 bit和從奇數移位寄存器的輸入(17 bit，見圖3)輸出；當在偶數移位寄存器檢測到同步頭時，從奇數移位寄存器的輸入(17 bit，見圖3)和從偶數移位寄存器的輸入(17bit)輸出。它們的輸出在dcm的控制下分別分接為8路并行數據流，送到比較電路。同步頭的比較是將16 bit同步頭與待測數據按位異或，結果為全0時認為相等。如圖3所示。

2.1.3 比較電路

比較電路如圖4所示，用來判斷誤碼數，主要由異或電路、譯碼器、累加器和鎖存器組成。其信號流程為來自同步電路的16路并行數據在使能信號的控制下，與本地存儲器sram中的預存數據進行16位異或，將結果送到譯碼器中譯碼，這里的譯碼是計算16 bit數據中1的個數，然后將結果轉換為4位二進制數，譯碼器的輸出即為當前的誤碼數(二進制)，送到累加器進行累加，將結果送到鎖存器鎖存，在控制信號的控制下將結果送到pc中轉換為十進制并顯示。

2.2 方案2

方案2系統框圖如圖5所示。

同步電路如圖6所示。同步頭采用16 bit最佳碼，串行數據接收到后先進入16 bit移位寄存器，并行輸出到比較器，與預制同步頭進行比較，前方保護計數器和后方保護計數器的流程同方案1，當確認同步后，將串行數據直接送到分接系統。

分接系統和比較電路同方案1。

2.3 2種方案的比較

從上述可以看出2種方案的特點。方案2原理較為簡單，在低速誤碼儀設計中比較常見，但由于本設計中要求的數據率較高，采用的fpga芯片又沒有集成串／并轉換硬件，因此，直接實現比較困難。目前，市場上已經有集成串／并轉換模塊的fpga出售，不過價格已經超出了預算。方案1的實現比較復雜，主要目的是先降低串行數據流的速率，再檢測同步頭，同時，這也增加了邏輯的復雜度，所以不宜將路數分得太多(分2路為宜)。其優點是可以最大限度地應用目前廉價的低速fpga芯片來實現所需的高速誤碼儀。

3 結束語

基于fpga芯片的高速誤碼儀設計具有很大的靈活性，可以很容易地進行改進；同時，芯片內部結構和制作工藝的進步會大大降低軟件設計的復雜度，也增強了系統的功能。考慮到成本的約束，設計并沒有采用更先進的fpga芯片，而是在實現原理上尋求變通，這也是科研中常用的辦法。