基于FPGA的2M誤碼測試儀設計

　0 引言

　　無論是何種通信新業務的推出和運營，都離不開強力有效且高可靠的傳輸系統。隨之而帶來的問題就是如何對系統的傳輸質量進行測量和保證。

　　誤碼測試儀是一種能夠測量和保證傳輸質量的智能化儀器，該儀器可通過檢測來反映數據傳輸設備及其信道工作的誤碼損傷性能質量指標，并對其進行傳輸質量分析的有效工具。在電信運營、工程驗收、科研、設備生產、教學實驗等各方面，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。目前在陜西省業務設備的接口應用中，百分之九十以上的接口是2M的接口，比如：交換網絡上應用、信令網上的應用、數據網上的應用、網管網上的應用等，都使用了2M的數據。針對傳統誤碼儀的不足，本文給出了基于Altera公司的cyclone系列FPGA芯片EP1C12-240PQFP的2M誤碼測試儀的設計方案。基于FP- GA的誤碼測試儀相對于傳統的誤碼測試儀的優點在于其FPGA的內部邏輯功能是通過向內部靜態存儲器單元加載配置數據來實現的。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所實現的功能。FPGA的這種結構允許多次編程，并享有快速有效地對新設計進行優化的靈活性，故現今的通信系統大量采用FPGA作為系統的核心控制器件。本文重點介紹了FPGA內核中序列發生模塊和序列接收模塊中核心內容的設計。其中FPGA 內核中m序列發生器的設計思想采用移位寄存器理論，并根據本原多項式來獲得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，xi∈GF(2)是每位寄存器的狀態。這樣，結合cyclone系列FPGA芯片EP1C12-240PQFP的結構特點，就很容易實現反饋移位寄存器的邏輯功能。

　　1 誤碼測試系統的總體方案

　　誤碼一般是由通信系統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：一是碼間串擾，另一個是信道加性噪聲的影響。誤碼測試儀存在兩種設計方案，一種是誤碼儀的發射端模塊和接收模塊兩部分獨立，可用于單工的通信系統性能測試。但是由于該系統的測試序列需要動態生成，所以，其能夠測試的系統碼速只能和FPGA控制模塊所能達到的速度相同。另一種方案是將發射端模塊和接收模塊結合在一個系統內部，這樣能測試具有回環的通信系統，如雙工通信的收發設備等。本文設計屬于第二種方案，其誤碼測試系統框圖如圖1所示。圖中，發送端模塊產生的偽隨機序列作為通信系統的信源數據流流經信道，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生的與發送端模塊輸出類型相同的偽隨機序列進行比較，從而完成誤碼測試。誤碼儀由發送端的序列發生器 1模快、接收端的位同步信號提取模塊、幀同步碼檢測模塊、序列發生器2模塊、誤碼分析模塊及外設接口構成。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生器2模塊產生的序列兩者相位不同，則誤碼的測試結果將毫無意義。

　　2 系統硬件設計

　　2．1 系統硬件組成

　　根據誤碼測試儀器的功能要求，在本系統的硬件總體架構中，將FPGA作為總控制器，并外擴E1接口模塊，以用于實現碼型和波形的轉換，同時將FPGA輸出的NRZ碼型轉換成適合于在E1信道中傳輸的HDB3碼型，并將來自E1信道的HDB3碼轉換為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果進行存儲，且掉電不丟失數據，并可隨時讀取，以便于在無人值守的情況下進行誤碼測試；LCM顯示模塊是為了使用戶了解誤碼測試結果；RS232串口模塊則用于和PC機通訊，上傳誤碼檢測結果，以便于從PC機上看到一段時間內誤碼率曲線圖及其它誤碼信息，使用戶了解通信系統的誤碼發生情況；此外，系統還外擴有鍵盤、電源管理模塊、時鐘電路、JTAG下載口和AS下載口。

　　2．2 E1接口電路的設計

　　E1的標準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)。E1接口芯片ET2154是一路E1PCM-30／ISDN-PRI收發器，它集成有時鐘數據恢復及發送E1脈沖成型的片內線路接口單元(LIU)和E1幀處理器(Framer)，其各項指標符合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，用于處理時鐘和數據恢復；第二是發送器，用于形成波形和驅動E1線路；第三是抖動抑制器。

(1)E1線路接收接口

　　當HDB3碼流從E1線纜經BNC接口進入，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置寄存器以匹配外部線路的阻抗。ET2154中的數據時鐘恢復模塊可從HDB3碼流中恢復時鐘和數據。從HDB3碼流中恢復出時鐘和數據可通過高倍采樣來實現，首先由外部提供一個2．048 MHz的時鐘信號，然后由芯片內部PLL將它16倍頻到32．768 MHz 。即先對每位HDB3碼進行16倍的采樣，然后由時鐘恢復系統利用16倍的采樣時鐘來恢復時鐘和數據。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(接收方向恢復時鐘)管腳輸出恢復后的時鐘信號。而當ET2154被配置成輸出NRZ數據模式時，則在RSER管腳輸出恢復出的串行數據信號并送入FPGA。

　　(2)E1線路發送接口

　　待傳輸的串行數據流一般由XSER (發送串行數據NRZ)管腳進入ET2154，并在XCK(發送方向輸入時鐘)管腳接收來自FPGA的2．048 MHz的時鐘信號。ET2154主要由內部精密的數模轉換器(DAC)來產生要發送到E1線路上的波形，這種波形符合ITU G．703規范。系統中的發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的。通常將這些控制管腳連接至FPGA的外部I／O口，由FPGA來進行控制。ET2154 與FPGA的連接電路如圖4所示。ET2154通過內部寄存器的配置來設置其工作方式，FPGA則利用8位數據／地址復用線AD0～AD7來對 ET2154內部的寄存器進行設置，從而實現所需要的功能。

　　3 系統軟件設計

　　在對系統軟件進行設計時，可將誤碼測試系統的功能分為各個功能模塊，然后用VHDL語言編程實現FPGA芯片內部各個功能模塊的硬件邏輯，最后整合完成設計。本誤碼測試系統的FP－GA內核中的功能模塊有時鐘分配模塊、序列發送模塊、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內核中各個模塊之間的相互關系如圖5所示。

　　3．1 鍵盤處理模塊

　　本系統中的鍵盤處理模塊包括按鍵的消抖和鍵盤的掃描處理。由于鍵盤模塊的設計直接和用戶的輸入控制相關，用戶的一切控制結果都和按鍵輸入相對應，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

　　時鐘是整個系統設計中重要的一環。序列發送、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，這就需要系統內有一個基準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和分頻器模塊構成。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，可經過PLL產生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行采樣的采樣時鐘。而C1是inclk0的3倍，為48 MHz，設計時可將C1信號送入分頻電路獲得2 MHz時鐘，作為序列發生器的時鐘；也可將C1信號經分頻電路獲得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模塊中方框內表格中的各項內容分別表示信號名稱、信號倍率、信號相位及占空比。

　　3．3 測試序列發送模塊的軟件設計

　　測試序列采用m序列時，ITU建議用于數據傳輸設備測量誤碼的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，本文應用移位寄存器理論從本原多項式出發來產生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。