摘要：本文提出了基于FPGA正碼速調(diào)整的設(shè)計(jì)方案，采用格雷碼對(duì)地址編碼的異步FIFO設(shè)計(jì)，并利用MAXPLUSⅡ進(jìn)行編譯和仿真。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行。

1 引言

在時(shí)分制數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，常常利用復(fù)接技術(shù)將 若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)流，以便在高速寬帶信道中傳輸。數(shù)字復(fù)接 器是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的支路，按時(shí)分復(fù)用方式合并成一個(gè)單一的高次群數(shù)字信號(hào)設(shè)備， 其中包含碼速調(diào)整結(jié)構(gòu)。

碼速調(diào)整就是把速率不同的各支路信號(hào)，調(diào)整成與復(fù)接設(shè)備定時(shí) 完全同步的數(shù)字信號(hào)，以便由復(fù)接單元把各個(gè)支路信號(hào)復(fù)接成一個(gè)數(shù)字流。 碼速調(diào)整可以分為正碼速調(diào)整、正／負(fù)碼速調(diào)整和正/零/負(fù)碼速調(diào)整三種。本文通過 改進(jìn)了異步FIFO 設(shè)計(jì)，基于FPGA 提出了一種正碼速調(diào)整的設(shè)計(jì)方案, 通過正碼速調(diào)整， 使輸入碼率為1200bps,輸出碼率為1350bps。

2 正碼速調(diào)整的基本原理

2.1 正碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用正碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu)有32bit，分為四組，每組8bit。正碼速調(diào) 整的幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 正碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu)

第一組8bit 信息,第二、三、四組中的第一個(gè)比特C1、C2、C3 為碼速調(diào)整標(biāo)志比特。 第四組中第26 bit V 為碼速調(diào)整插入比特，其作用是調(diào)整基群碼速，使其瞬時(shí)碼率保持一 致并和復(fù)接器主時(shí)鐘相適應(yīng)。具體調(diào)整方法是：在第一組結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行是否需要調(diào)整判決， 若需要進(jìn)行調(diào)整，則在V 位置插入調(diào)整比特；若不需要調(diào)整，則V 位置傳輸信息比特。為了區(qū)分V 位置是插入調(diào)整比特還是傳輸信息比特，用碼速調(diào)整標(biāo)志比特C1、C2、C3 來標(biāo) 志。若V 位置插入調(diào)整比特，則在C1、C2、C3 位置插入3 個(gè)“1”；若V 位置傳輸信息比 特，則在C1、C2、C3 位置插入3 個(gè)“0”。

2.2 正碼速調(diào)整系統(tǒng)的構(gòu)成

在本方案設(shè)計(jì)中，采用格雷碼對(duì)地址編碼的異步FIFO 設(shè)計(jì)，使其滿足正碼速調(diào)整需 要，同時(shí)給出了適合格雷碼的幀結(jié)構(gòu)。正碼速調(diào)整系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 正碼速調(diào)整系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

正碼速調(diào)整單元主要分為3 個(gè)模塊：“讀時(shí)鐘、調(diào)整、輔助信號(hào)發(fā)生器”、“異步FIFO 模塊”和“調(diào)整信號(hào)插入”。其中異步FIFO 模塊部分包含“地址發(fā)生器”、“相位比較器” 和“雙口RAM”。

首先將寫時(shí)鐘以及“整體信號(hào)控制器”產(chǎn)生的寫時(shí)鐘控制信號(hào)送入到“地址發(fā)生器”， “地址發(fā)生器”通過寫時(shí)鐘上升沿產(chǎn)生的寫地址（格雷碼）和寫時(shí)鐘一同送入到“雙口 RAM”，將寫地址（自然碼）送入到“相位比較器”。同時(shí)未經(jīng)調(diào)整的數(shù)據(jù)流以及“整體信 號(hào)控制器”產(chǎn)生的寫使能信號(hào)也送入到“雙口RAM”。為了準(zhǔn)確的將數(shù)據(jù)寫入到雙口RAM 中，以寫時(shí)鐘的下降沿將數(shù)據(jù)寫入到RAM 中。

然后當(dāng)寫時(shí)鐘寫到地址“101”時(shí)，“整體信號(hào)控制器”才將讀時(shí)鐘控制信號(hào)送入到“讀 時(shí)鐘、調(diào)整、輔助信號(hào)發(fā)生器”，其結(jié)合送入的均勻時(shí)鐘（1350HZ）產(chǎn)生扣除調(diào)整標(biāo)志位 的非均勻讀時(shí)鐘送入到“地址發(fā)生器”，同時(shí)將控制狀態(tài)位的輔助信號(hào)送入到“相位比較 器”，將調(diào)整信號(hào)送入到“調(diào)整信號(hào)插入”?？鄢淖x時(shí)鐘通過“地址發(fā)生器”將讀地址（自 然碼）送入到“相位比較器”，將讀地址（格雷碼）和扣除讀時(shí)鐘送入到“雙口RAM”。 此時(shí)RAM 通過讀時(shí)鐘上升沿依次從地址“000”開始讀取數(shù)據(jù)。原理圖如圖3 所示。

隨著時(shí)間的推移，讀指針與寫指針之間的距離逐漸變小，當(dāng)相位比較器計(jì)算出讀、寫 地址差值小于門限值“100”時(shí)，則在圖3 中第8 個(gè)比特位置給出高電平的存儲(chǔ)狀態(tài)位告 知系統(tǒng)緩存器即將取空，然后在第32 個(gè)比特位置將存儲(chǔ)狀態(tài)位再次置“0”，等待下一次 的狀態(tài)判斷。

最后，“調(diào)整信號(hào)插入”根據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)位的電平?jīng)Q定數(shù)據(jù)流中的調(diào)整位是插入3 個(gè)“1”還是3 個(gè)“0”。

3 正碼速調(diào)整的FPGA設(shè)計(jì)

3.1 讀時(shí)鐘、調(diào)整、輔助信號(hào)發(fā)生器模塊

該模塊的主要作用在于根據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)來生成扣除調(diào)整位的缺口讀時(shí)鐘，同時(shí)產(chǎn)生調(diào)整 信號(hào)以及相關(guān)輔助信號(hào)。

扣除前讀時(shí)鐘首先通過32 位計(jì)數(shù)器，當(dāng)讀時(shí)鐘控制開啟時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在第9， 17，25 個(gè)比特位時(shí)置調(diào)整標(biāo)志位高電平；在第26 個(gè)比特位置調(diào)整位高電平；在第8 個(gè)比 特和第32 個(gè)比特位上輔助信號(hào)分別顯示“00111”和“11111”計(jì)數(shù)值。

當(dāng)存儲(chǔ)狀態(tài)位為“1”時(shí)表示存儲(chǔ)器即將取空，第26 比特處的讀時(shí)鐘脈沖扣除，不傳 信碼，其邏輯門的關(guān)系如下: r_clk<=(rclk_reset and(clk1350 and (not sz_c))and ((not empty)or(not sz_v))); 其中，r_clk 為扣除后讀時(shí)鐘，rclk_reset 為讀時(shí)鐘控制，clk1350 為讀時(shí)鐘1350HZ，sz_c 為調(diào)整標(biāo)志位，sz_v 為調(diào)整位，empty 為存儲(chǔ)狀態(tài)位。 具體仿真波形見圖4 所示。

圖4 讀時(shí)鐘、調(diào)整、輔助信號(hào)發(fā)生器仿真圖

3.2 異步FIFO 設(shè)計(jì)

此部分為本文的關(guān)鍵部分，F(xiàn)IFO 設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)性能。

（1）地址發(fā)生器模塊

該模塊主要功能在于根據(jù)讀、寫時(shí)鐘以及時(shí)鐘控制信號(hào)生成相應(yīng)的讀、寫地址的自然 碼和格雷碼。由于讀地址要在寫地址寫到“101”時(shí)才開始從地址“000”讀取數(shù)據(jù)，因此讀時(shí)鐘控制信號(hào)是由寫時(shí)鐘控制信號(hào)延遲5 個(gè)寫時(shí)鐘周期產(chǎn)生的。

（2）相位比較器模塊

根據(jù)由“讀時(shí)鐘、調(diào)整、輔助信號(hào)發(fā)生器模塊”中產(chǎn)生的輔助信號(hào)在每幀的第8 比特 位置上判斷存儲(chǔ)狀態(tài)是否為“空”，若為“空”則在第8 比特位上置存儲(chǔ)狀態(tài)位高電平， 然后再次根據(jù)輔助信號(hào)在第32 比特位置上將狀態(tài)輔助位置回初始狀態(tài)―低電平。

判決器主要是在輔助信號(hào)值為“00111”時(shí)，判斷差值是否小于設(shè)置的門限“100”，若 小于“100”則存儲(chǔ)狀態(tài)置“1”，然后在輔助信號(hào)為“11111”時(shí)將存儲(chǔ)狀態(tài)置“0”；若大 于“100”，存儲(chǔ)狀態(tài)維持初始狀態(tài)“0”。

（3）雙口RAM 模塊

RAM需要大量的存儲(chǔ)空間，若直接用數(shù)組的形式來描述RAM 時(shí)，資源利用率相當(dāng)?shù)汀?因此本文選取IP 核來定制RAM，直接生成寬度為1，深度為8 的帶寫使能的雙口RAM， 寫時(shí)鐘為下降沿有效，讀時(shí)鐘為上升沿有效，寫使能為高電平有效。

3.3 調(diào)整信號(hào)插入模塊

該模塊主要作用就是將扣除調(diào)整位后的數(shù)據(jù)流根據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)位在調(diào)整標(biāo)志位插入 “000”或“111”。若插入的是“000”，則在第26 比特傳信碼，若插入的是“111”，則在 第26 比特傳“1”。其邏輯關(guān)系為：

if empty= '1' then

dout<=(din or (sv or sc));

elsif empty= '0' then

dout<=((not sc) and din);

end if;

其中,din 為扣除調(diào)整位后的數(shù)據(jù)，dout 為正碼速調(diào)整后的數(shù)據(jù)，由于插入后存在毛刺，于是在其后端加了個(gè)D 觸發(fā)器去除了毛刺。

4 整體仿真結(jié)果

最后在MAXPLUS II 開發(fā)平臺(tái)上采用原理圖輸入方式，根據(jù)同步單元各個(gè)功能模塊的劃 分，將各個(gè)功能模塊連接起來，編譯成功，其整體仿真如圖5 所示。

圖5 整體仿真圖

其中 dout_go 表示扣除調(diào)整位置后的數(shù)據(jù)流，dout_in 表插入調(diào)整信號(hào)后的數(shù)據(jù)流， dout_tz 表示加了D 觸發(fā)器的調(diào)整數(shù)據(jù)流。由圖可知，當(dāng)wen 為高電平時(shí)，開始寫入數(shù)據(jù) “00100100”到寫地址wadd，當(dāng)寫到地址“101”時(shí)，讀時(shí)鐘開始工作，依次從地址“000” 開始從RAM 中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)降? 比特位置時(shí)，由于地址差值為“101”未到達(dá)門限，因 此存儲(chǔ)狀態(tài)位empty 仍舊為“0”表示不需要調(diào)整，則在幀的調(diào)整標(biāo)志位置上插入3 個(gè)“0”， 調(diào)整位繼續(xù)傳信碼。在dout_go 上最后一個(gè)調(diào)整標(biāo)志位由于插入了“0”，可以清晰的看到由此帶來的毛刺，但加了D 觸發(fā)器后的dout_tz 已成功的消除了這個(gè)毛刺。

5 結(jié)論

系統(tǒng)仿真波形良好，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)正碼速調(diào)整，本系統(tǒng)采用芯片EP1K100Q208 實(shí)現(xiàn)。通 過正碼速調(diào)整，可以把調(diào)整后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)接，擴(kuò)大了傳輸容量，提高了傳輸效率。