0 引言
無論是何種通信新業(yè)務(wù)的推出和運營，都離不開強力有效且高可靠的傳輸系統(tǒng)。隨之而帶來的問題就是如何對系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量進(jìn)行測量和保證。
誤碼測試儀是一種能夠測量和保證傳輸質(zhì)量的智能化儀器，該儀器可通過檢測來反映數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及其信道工作的誤碼損傷性能質(zhì)量指標(biāo)，并對其進(jìn)行傳輸質(zhì)量分析的有效工具。在電信運營、工程驗收、科研、設(shè)備生產(chǎn)、教學(xué)實驗等各方面，誤碼儀都是必不可少的通信測量和線路維護的最佳輔助工具。目前在陜西省業(yè)務(wù)設(shè)備的接口應(yīng)用中，百分之九十以上的接口是2M的接口，比如：交換網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用、信令網(wǎng)上的應(yīng)用、數(shù)據(jù)網(wǎng)上的應(yīng)用、網(wǎng)管網(wǎng)上的應(yīng)用等，都使用了2M的數(shù)據(jù)。針對傳統(tǒng)誤碼儀的不足，本文給出了基于Altera公司的cyclone系列FPGA芯片EP1C12-240PQFP的2M誤碼測試儀的設(shè)計方案?；贔P- GA的誤碼測試儀相對于傳統(tǒng)的誤碼測試儀的優(yōu)點在于其FPGA的內(nèi)部邏輯功能是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲器單元加載配置數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。其配置文件決定了邏輯單元的邏輯功能以及模塊間或與I／O間的連接，并最終決定了FPGA所實現(xiàn)的功能。FPGA的這種結(jié)構(gòu)允許多次編程，并享有快速有效地對新設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化的靈活性，故現(xiàn)今的通信系統(tǒng)大量采用FPGA作為系統(tǒng)的核心控制器件。本文重點介紹了FPGA內(nèi)核中序列發(fā)生模塊和序列接收模塊中核心內(nèi)容的設(shè)計。其中FPGA 內(nèi)核中m序列發(fā)生器的設(shè)計思想采用移位寄存器理論，并根據(jù)本原多項式來獲得m序列移位寄存器的反饋邏輯式：
其中cn-1-i∈GF(2)是反饋系數(shù)，xi∈GF(2)是每位寄存器的狀態(tài)。這樣，結(jié)合cyclone系列FPGA芯片EP1C12-240PQFP的結(jié)構(gòu)特點，就很容易實現(xiàn)反饋移位寄存器的邏輯功能。
1 誤碼測試系統(tǒng)的總體方案
誤碼一般是由通信系統(tǒng)中接收端抽樣判決器的錯誤判斷造成的，而造成錯誤判斷的原因主要有兩個：一是碼間串?dāng)_，另一個是信道加性噪聲的影響。誤碼測試儀存在兩種設(shè)計方案，一種是誤碼儀的發(fā)射端模塊和接收模塊兩部分獨立，可用于單工的通信系統(tǒng)性能測試。但是由于該系統(tǒng)的測試序列需要動態(tài)生成，所以，其能夠測試的系統(tǒng)碼速只能和FPGA控制模塊所能達(dá)到的速度相同。另一種方案是將發(fā)射端模塊和接收模塊結(jié)合在一個系統(tǒng)內(nèi)部，這樣能測試具有回環(huán)的通信系統(tǒng)，如雙工通信的收發(fā)設(shè)備等。本文設(shè)計屬于第二種方案，其誤碼測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中，發(fā)送端模塊產(chǎn)生的偽隨機序列作為通信系統(tǒng)的信源數(shù)據(jù)流流經(jīng)信道，接收端模塊則接收來自信道輸出的比特流，并將其與接收端模塊產(chǎn)生的與發(fā)送端模塊輸出類型相同的偽隨機序列進(jìn)行比較，從而完成誤碼測試。誤碼儀由發(fā)送端的序列發(fā)生器 1模快、接收端的位同步信號提取模塊、幀同步碼檢測模塊、序列發(fā)生器2模塊、誤碼分析模塊及外設(shè)接口構(gòu)成。其中位同步信號提取模塊的作用是獲得位定時同步脈沖。幀同步碼檢測模塊的作用是獲取幀同步信號，以使兩個序列能以同相位比較計算誤碼率。因為如果接收的測試序列與序列發(fā)生器2模塊產(chǎn)生的序列兩者相位不同，則誤碼的測試結(jié)果將毫無意義。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件組成
根據(jù)誤碼測試儀器的功能要求，在本系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)中，將FPGA作為總控制器，并外擴E1接口模塊，以用于實現(xiàn)碼型和波形的轉(zhuǎn)換，同時將FPGA輸出的NRZ碼型轉(zhuǎn)換成適合于在E1信道中傳輸?shù)腍DB3碼型，并將來自E1信道的HDB3碼轉(zhuǎn)換為NRZ碼送入FPGA中；E2PROM存儲模塊則可將誤碼分析模塊的誤碼測試結(jié)果進(jìn)行存儲，且掉電不丟失數(shù)據(jù)，并可隨時讀取，以便于在無人值守的情況下進(jìn)行誤碼測試；LCM顯示模塊是為了使用戶了解誤碼測試結(jié)果；RS232串口模塊則用于和PC機通訊，上傳誤碼檢測結(jié)果，以便于從PC機上看到一段時間內(nèi)誤碼率曲線圖及其它誤碼信息，使用戶了解通信系統(tǒng)的誤碼發(fā)生情況；此外，系統(tǒng)還外擴有鍵盤、電源管理模塊、時鐘電路、JTAG下載口和AS下載口。
2．2 E1接口電路的設(shè)計
E1的標(biāo)準(zhǔn)傳輸線路碼通常采用三階高密度雙極性碼(HDB3，high density bipolar)，它是一種雙極性歸零碼，是廣泛用于PCM線路的傳輸碼型。本文中的E1接口選用非平衡的75 Ω物理接口(一收一發(fā))。E1接口芯片ET2154是一路E1PCM-30／ISDN-PRI收發(fā)器，它集成有時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)及發(fā)送E1脈沖成型的片內(nèi)線路接口單元(LIU)和E1幀處理器(Framer)，其各項指標(biāo)符合ITU-T的G．703、G．704、G．706、G．823建議等要求。 ET2154的線路接口功能主要包括三部分。第一是接收器，用于處理時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)；第二是發(fā)送器，用于形成波形和驅(qū)動E1線路；第三是抖動抑制器。
(1)E1線路接收接口
當(dāng)HDB3碼流從E1線纜經(jīng)BNC接口進(jìn)入，并通過一個1：2的變壓器耦合至RTIP租RRNG輸入管腳后，其接收模塊將允許用戶設(shè)置寄存器以匹配外部線路的阻抗。ET2154中的數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊可從HDB3碼流中恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)。從HDB3碼流中恢復(fù)出時鐘和數(shù)據(jù)可通過高倍采樣來實現(xiàn)，首先由外部提供一個2．048 MHz的時鐘信號，然后由芯片內(nèi)部PLL將它16倍頻到32．768 MHz 。即先對每位HDB3碼進(jìn)行16倍的采樣，然后由時鐘恢復(fù)系統(tǒng)利用16倍的采樣時鐘來恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)。其E1信號接收示意圖如圖2所示。
正常情況下(RTIP，RRING有信號輸入)，在RCK(接收方向恢復(fù)時鐘)管腳輸出恢復(fù)后的時鐘信號。而當(dāng)ET2154被配置成輸出NRZ數(shù)據(jù)模式時，則在RSER管腳輸出恢復(fù)出的串行數(shù)據(jù)信號并送入FPGA。
(2)E1線路發(fā)送接口
待傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流一般由XSER (發(fā)送串行數(shù)據(jù)NRZ)管腳進(jìn)入ET2154，并在XCK(發(fā)送方向輸入時鐘)管腳接收來自FPGA的2．048 MHz的時鐘信號。ET2154主要由內(nèi)部精密的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來產(chǎn)生要發(fā)送到E1線路上的波形，這種波形符合ITU G．703規(guī)范。系統(tǒng)中的發(fā)送器可將模擬波形從TYIP、TRING管腳通過1：1．36的升壓變壓器耦合到E1線路上。其E1信號發(fā)送示意圖如圖3所示。
(3) E1線路控制接口
ET2154的工作方式和特性是通過對其外部管腳的控制來實現(xiàn)的。通常將這些控制管腳連接至FPGA的外部I／O口，由FPGA來進(jìn)行控制。ET2154 與FPGA的連接電路如圖4所示。ET2154通過內(nèi)部寄存器的配置來設(shè)置其工作方式，F(xiàn)PGA則利用8位數(shù)據(jù)／地址復(fù)用線AD0～AD7來對 ET2154內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置，從而實現(xiàn)所需要的功能。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計時，可將誤碼測試系統(tǒng)的功能分為各個功能模塊，然后用VHDL語言編程實現(xiàn)FPGA芯片內(nèi)部各個功能模塊的硬件邏輯，最后整合完成設(shè)計。本誤碼測試系統(tǒng)的FP－GA內(nèi)核中的功能模塊有時鐘分配模塊、序列發(fā)送模塊、序列接收模塊、LCM控制模塊、I2C控制模塊、RC232串口控制模塊、鍵盤消抖及掃描處理模塊、總控制模塊等。FPGA內(nèi)核中各個模塊之間的相互關(guān)系如圖5所示。
3．1 鍵盤處理模塊
本系統(tǒng)中的鍵盤處理模塊包括按鍵的消抖和鍵盤的掃描處理。由于鍵盤模塊的設(shè)計直接和用戶的輸入控制相關(guān)，用戶的一切控制結(jié)果都和按鍵輸入相對應(yīng)，所以可將總控制模塊和按鍵處理模塊放在一起考慮。
3．2 時鐘電路
時鐘是整個系統(tǒng)設(shè)計中重要的一環(huán)。序列發(fā)送、序列接收、對E2PROM模塊的讀與寫、串口通信的波特率以及LCD顯示等都離不開時鐘信號的控制，這就需要系統(tǒng)內(nèi)有一個基準(zhǔn)的時鐘模塊來提供所需要的時鐘信號。時鐘模塊可由鎖相環(huán)和分頻器模塊構(gòu)成。通過對QuartusⅡ中mega-function模塊 ALTPLL的定制可生成PLL，inclk0是外部有源晶振提供給FPGA的clk0引腳的16 MHz時鐘，可經(jīng)過PLL產(chǎn)生C0、C1兩個時鐘信號，其中C0是inclk0的2倍，為32 MHz，可作為序列接收模塊中對測試碼進(jìn)行采樣的采樣時鐘。而C1是inclk0的3倍，為48 MHz，設(shè)計時可將C1信號送入分頻電路獲得2 MHz時鐘，作為序列發(fā)生器的時鐘；也可將C1信號經(jīng)分頻電路獲得1 MHz時鐘，作為I2C控制模塊的讀／寫及鍵盤模塊的時鐘信號；當(dāng)C1信號送入UART控制模塊和LCM控制模塊后，可通過各自模塊內(nèi)部的分頻電路獲得所需要的時鐘。圖6所示的PLL模塊中方框內(nèi)表格中的各項內(nèi)容分別表示信號名稱、信號倍率、信號相位及占空比。
3．3 測試序列發(fā)送模塊的軟件設(shè)計
測試序列采用m序列時，ITU建議用于數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備測量誤碼的m序列的周期是511，其特征多項式(本原多項式)建議采用f(x)=x9+x5+1，本文應(yīng)用移位寄存器理論從本原多項式出發(fā)來產(chǎn)生m序列，本原多項式是f(x)=x9+x5+1的m序列的VHDL語言編程如下：
在Ahera的Quaaus II開發(fā)平臺下，本原多項式f(x)=x9+x5+1的m序列的仿真波形如圖7所示。
3．5 幀同步信號檢測
對幀同步電路的一項基本要求就是要迅速發(fā)現(xiàn)失步，以便及時恢復(fù)同步。若在發(fā)送端插入幀同步碼“0011011”，那么，在誤碼檢測時，由于E1串行數(shù)據(jù)流中也會出現(xiàn)“0011011”這樣的內(nèi)容，因而難以判斷哪些是幀同步碼，哪些是數(shù)據(jù)內(nèi)容，所以，在設(shè)計中，可采用計數(shù)器來進(jìn)行幀同步碼的定位。
E1的幀周期為125μs，兩幀即為250 μs，這樣，若規(guī)定當(dāng)捕捉到第一個同步序列后，只有在一段時間內(nèi)，每間隔250μs，可連續(xù)三次(計數(shù)器計數(shù))捕捉到這個同步序列時，才認(rèn)為找到了幀同步。與此類似，在一段時間內(nèi)，如果連續(xù)三次都沒有捕捉到幀同步序列，那么，即可認(rèn)為幀同步丟失。其幀同步信號檢測流程如圖9所示。
在單個幀同步序列捕捉的FPGA實現(xiàn)中，“0011011”序列的捕捉由輸入序列移位寄存器、相關(guān)運算陣列和相關(guān)求和網(wǎng)絡(luò)等部分組合完成。工作時，幀同步碼序列“0011O11”首先進(jìn)入相關(guān)運算陣列，而輸入數(shù)據(jù)流則在時鐘驅(qū)動下被送入輸入序列移位寄存器中。在相關(guān)運算陣列對輸入序列和幀同步碼進(jìn)行一次相關(guān)運算后，可將結(jié)果送入求和網(wǎng)絡(luò)。輸入序列移位寄存器每更新一位數(shù)據(jù)，相關(guān)運算陣列就進(jìn)行一次相關(guān)運算，而求和網(wǎng)絡(luò)則對每次的結(jié)果都進(jìn)行求和計算。求和網(wǎng)絡(luò)輸出的相關(guān)值需要與一個檢測門限值作比較，以判斷是否出現(xiàn)同步碼。檢測同步碼“001 1011”的模塊如圖10所示，它由7個觸發(fā)器、7個異或非門和一個8輸入與非門構(gòu)成。該電路可以檢測出sequence串行輸入的數(shù)據(jù)流中包含的特殊碼字“0011011”，其中利用地線和電源線可將相關(guān)運算陣列的一個輸入自右向左的連接成“0011011”，與同步碼字對應(yīng)的另一個輸入端接輸入序列移位寄存器的輸出，7個對應(yīng)位可進(jìn)行異或非(同或)運算，對應(yīng)位匹配時，結(jié)果為“1”。7個異或非門的運算結(jié)果進(jìn)入求和網(wǎng)絡(luò)后，只有當(dāng)7位對應(yīng)位全都匹配時，捕捉信號SYN才有效(有效狀態(tài)為“0”)，此時表明找到了一次同步序列碼。
4 結(jié)束語
本文所介紹的誤碼測試系統(tǒng)采用以大規(guī)模現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA及外圍接口芯片構(gòu)成，文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件架構(gòu)中EI接口電路以及FPGA內(nèi)核中序列發(fā)生模塊和序列接收模塊中核心內(nèi)容的設(shè)計方法，并給出了部分模塊的仿真波形。整個誤碼測試系統(tǒng)儀器結(jié)構(gòu)緊湊。實驗表明，該系統(tǒng)在線檢測的速度和穩(wěn)定度方面都有大的提高。