基于FPGA的新型誤碼測試儀的設計與實現(xiàn)

本文設計實現(xiàn)了一種用于測量基帶傳輸信道的誤碼儀，闡述了主要模塊的工作原理，提出了一種新的積分鑒相同步時鐘提取的實現(xiàn)方法，此方法能夠提高同步時鐘的準確度，從而提高誤碼測量精度。

??????? 引言

　　誤碼儀是評估信道性能的基本測量儀器。本文介紹的誤碼儀結合FPGA 的特點,采用全新的積分式鑒相結構，提出了一種新的誤碼測試方法，經(jīng)多次測試驗證，方案可行，設計的系統(tǒng)穩(wěn)定。本文設計的誤碼儀由兩部分組成：發(fā)信機和接收機。

　　1 發(fā)信機

　　發(fā)信機的主要功能是產(chǎn)生具有隨機特性的偽隨機m 序列，通過FPGA 由VHDL 編程實現(xiàn)。偽隨機序列產(chǎn)生原理如下：　　　　　

???????????????????????????????????????? 圖1 偽隨機序列產(chǎn)生原理圖
　　

?????? 其中，ak-i是各移位寄存器的狀態(tài)，Ci對應各寄存器的反饋系數(shù)，為1表示參與反饋，為0不參與反饋。反饋函數(shù)為：
　　　　　　　　　　　
　　當級數(shù)n 和反饋系數(shù)一旦確定，則反饋移位寄存器的輸出序列確定了，m序列的一個重要的性質是：任一m序列的循環(huán)移位仍是一個m序列，序列長度為m = 2n-1 。?

?????? 2 接收機
　　

??????? 接收機主要由時鐘同步模塊、狀態(tài)同步模塊組成，其功能框圖如圖2 所示。
　　　　　　　

??????????????????????????????????????? 圖2 誤碼器接收機功能框圖

?????? 2.1 時鐘提取模塊
　　

?????? 本單元所采用的時鐘提取方法是采用新的積分鑒相來實現(xiàn)的，通過在一個時鐘周期內對碼元進行積分，判斷超前滯后，從而極大的降低了因干擾信號的出現(xiàn)導致誤調的可能性。

?????? 時鐘提取的原理圖如下：
　　　　　　　　　

???????????????????????????????????????????????? 圖3 時鐘提取原理圖

????? （1 ）鑒相器
　　

?????? 導前- 滯后型數(shù)字鑒相器的特點是,它輸出一個表示本地估算信號超前或滯后于輸入信號的量.如果本地估算信號超前于輸入信號,則輸出“超前脈沖”, 以便利用該“超前脈沖”控制本地估算信號的相位推后。反之,則輸出“滯后脈沖”,并使本地估算信號的相位前移. 導前- 滯后型數(shù)字鑒相器可分為微分型和積分型兩種.由于積分型導前- 滯后數(shù)字鑒相器,具有優(yōu)良的抗干擾性能. 因此本設計采用了積分型導前-滯后型數(shù)字鑒相器.

　　積分型導前-滯后型數(shù)字鑒相器中，本地時鐘的上升沿為同相積分的清洗時刻,上升沿到來時,在本地高頻時鐘下，同相計數(shù)器開始計數(shù)，當輸入碼元是“1”時，每來一高頻脈沖計數(shù)器加1計數(shù)，當輸入碼元是“0”時，每來一高頻脈沖計數(shù)器減 1計數(shù)。當下一上升沿到來時，將計數(shù)值輸出，并清零計數(shù)器，計數(shù)器在高頻脈沖下重新開始計數(shù).本地時鐘的下降沿為中相積分的清洗時刻,在下降沿到來時,在上述同樣的高頻時鐘下，中相積分計數(shù)器開始計數(shù)，當碼元為“1”時，計數(shù)器加1，當碼元為“0”時，計數(shù)器減1。當下一下降沿到來時，將計數(shù)值輸出，同時對計數(shù)器清零，重新計數(shù)。在準確同步的情況下,同相積分的積分區(qū)間正好和接收的一個碼元寬度相重合,同相積分計數(shù)器輸出為± T(+T表示碼元為1，-T 表示碼元為0)，而中相積分器的輸出為0 或± T.在中相積分周期內若碼元出現(xiàn)0→1或1→0變化，則中相積分器輸出為0。在中相積分周期內,若碼元沒有翻轉,碼元始終為“1”，則中相積分計數(shù)器輸出為T。

?????? 若碼元始終為“0”，則中相積分計數(shù)器輸出為-T。若本地估算時鐘超前于輸入碼元，當同相積分計數(shù)器的輸出大于0，則隨后的中相積分計數(shù)器的輸出也大于0，當同相積分計數(shù)器的輸出小于0時，則隨后的中相積分計數(shù)器的輸出也小于0。當同相積分計數(shù)器輸出為+T或-T時，隨后的中相積分計數(shù)器輸出也為+ T或-T 時，表明是處于連“1”或連“0”狀態(tài)，則超前或滯后標志都為0。若本地估算時鐘滯后于輸入碼元，當同相積分計數(shù)器的輸出大于0，則隨后的中相積分計數(shù)器的輸出小于0，當同相積分計數(shù)器的輸出小于0時，則隨后的中相積分計數(shù)器的輸出將大于0 。

　　當下降沿到來時，先檢測同相計數(shù)器的輸出，當為0時，如果中相計數(shù)器的輸出為0，則表示還沒開始檢測，就沒有超前滯后信息。如果中相計數(shù)器的輸出不為0，則表示本地估算的時鐘剛好與待檢測的時鐘正交，處于超前和滯后分界處，在這里對其做超前處理。如果同相計數(shù)器的輸出不為0，此時如果中相計數(shù)器的輸出為0，則表示剛好兩時鐘同步，故沒有超前和滯后信息。如果中相計數(shù)器的輸出為土20，即為整個碼元的長度。則表示中相計數(shù)過程始終為“1”或“0”，出現(xiàn)連“1”或連“0”狀態(tài)，為防止誤操作，同樣認為沒有超前和滯后。如果此時中相計數(shù)器的輸出不為0，也不為整個碼元，則將同相計數(shù)器的輸出和中相計數(shù)器的輸出的符號位進行異或，即兩者符號相同表示超前，符號不同表示滯后。

　?。?）雙相高頻時鐘源與停扣控制電路
　　

　　雙相高頻時鐘源是形成兩路窄脈沖信號，兩個窄脈沖信號剛好相差180 度。停扣控制電路主要由添門和扣門組成，當來一個超前脈沖，加到扣門，扣除一個晶體脈沖，這樣分頻器的輸出脈沖相位就滯后了1/20周期。當來一個滯后脈沖，加到添門，控制添門打開，加入一個晶體脈沖到或門。由于加到添門的晶振信號與加到扣門的晶振信號的相位相差180度，因此當從添門加入一個晶振脈沖到或門時，相當于在扣門輸出的晶振信號中間插入一個窄脈沖，也就使分頻器輸入端添加了一個脈沖，這樣分頻器的輸出相位就提前了1/20周期。從而實現(xiàn)位同步。

　　2.2狀態(tài)同步模塊
　　

　　狀態(tài)同步模塊主要包括逐位比較檢測模塊、誤碼統(tǒng)計與門限檢測模塊、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)計數(shù)器模塊。

　　(1)誤碼統(tǒng)計與門限檢測模塊:在時鐘的節(jié)拍下，對誤碼脈沖計數(shù)，同時對時鐘脈沖進行計數(shù)。若誤碼個數(shù)占時鐘個數(shù)的30% 以上，則認為誤碼率很高，說明系統(tǒng)兩序列的狀態(tài)不同步，此時門限檢測器將輸出低電平，需要進行同步搜索。若誤碼個數(shù)占的比例較低，則輸出高電平，說明此時系統(tǒng)已狀態(tài)同步，不再進行同步搜索。

　　(2)并行輸入與狀態(tài)控制模塊:當控制端為“0”時，該模塊照原樣將兩組并行輸入信號送到輸出端，為“1”時，將所有輸出信號置“0”。這時狀態(tài)比較器的所有輸入信號都電位相同并輸出高電平，以表示系統(tǒng)已同步，進入同步保護狀態(tài)。

　　(3)連“1”狀態(tài)計數(shù)器模塊:該模塊的功能有兩個：一是對狀態(tài)比較器輸出的連“1”狀態(tài)進行計數(shù)，當計數(shù)器的計數(shù)量達到設置值時，計數(shù)器輸出為 “1”，并控制“并行輸入與狀態(tài)控制”電路，使各并行輸出位置“0”。這樣，狀態(tài)比較器的各輸入位都為“0”，則其輸出為“1”，表示狀態(tài)已同步；若狀態(tài)不同步，則連“1”計數(shù)器的輸出始終為“0”。連“1”計數(shù)器的另一功能是當其輸出為“1”時，才使誤碼計數(shù)器進行計數(shù)。若在整個系統(tǒng)已同步后，出現(xiàn)了狀態(tài)失步，則通過誤碼統(tǒng)計與門限電路的輸出狀態(tài)控制連“1”計數(shù)器。當連“1”個數(shù)到達設定的個數(shù)時輸出為“1”，并送給并行輸入與狀態(tài)控制器，使其輸出置為“0”，以實現(xiàn)同步保護控制。

　　3 結束語

　　本文設計的誤碼儀的優(yōu)點是可以很方便的應用于基帶傳輸信道的測試，可準確測量出基帶傳輸信道的傳輸誤碼，且成本較低。