在便攜式數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，滿足同時(shí)傳輸幾種業(yè)務(wù)的需求，通常采用時(shí)分復(fù)用的方法，將若干個(gè)低速數(shù)字碼流按一定格式合并成一個(gè)高速數(shù)據(jù)碼流，以便在一條信道中傳輸，使各個(gè)業(yè)務(wù)信號(hào)互相不產(chǎn)生干擾，實(shí)現(xiàn)此功能的設(shè)備就是數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)。

　　便攜式衛(wèi)星通信，要求實(shí)現(xiàn)平臺(tái)集成度高、速度快、功耗小、體積小和成本低?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些功能塊，來實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。特別適合上述要求的產(chǎn)品開發(fā)與小批量生產(chǎn)。

　　FPGA 的開發(fā)環(huán)境在電路設(shè)計(jì)階段，可實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行各種仿真分析，提高電路設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，特別是還可在成品上直接進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展，靈活且可移植。后期還可以在線對(duì)任意一邏輯信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，該文利用軟件Quartus II 5. 1 和VHDL 硬件語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于FPGA 的衛(wèi)星便攜站的同步數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　1   設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　同步數(shù)字復(fù)分接器完成以下業(yè)務(wù)的復(fù)分接：3 路音頻合計(jì)48 kbps 數(shù)據(jù)； 1 路64 kbps 同步數(shù)據(jù)；1 路9. 6 kbps 異步數(shù)據(jù)； 1 路128 kbps LAN 數(shù)據(jù)； 1 路517. 2 kbps 視頻數(shù)據(jù)。采用同步、固定時(shí)隙分配和按位復(fù)接方式的設(shè)計(jì)方法。

　　1.1   準(zhǔn)同步時(shí)延

　　因?yàn)?strong>數(shù)字復(fù)接器與音頻的接口關(guān)系最為復(fù)雜,所以設(shè)計(jì)要點(diǎn)著重放到了與音頻接口的處理。

　　1. 1. 1   音頻接口的乒乓操作

　　如圖1 所示，采用雙口RAM 完成音頻數(shù)據(jù)和復(fù)分接器的接口。音頻數(shù)據(jù)接口是一種DSP 總線接口，在第1 個(gè)緩沖周期，音頻數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM的低端地址存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)數(shù)據(jù)復(fù)接單元讀取雙口RAM 的高端地址存儲(chǔ)區(qū)的音頻數(shù)據(jù)； 在第2 個(gè)緩沖周期，音頻數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM 的高端地址存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)數(shù)據(jù)復(fù)接單元讀取雙口RAM 的低端地址存儲(chǔ)區(qū)的音頻數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，周而復(fù)始。

圖1  乒乓操作示意圖

　　這樣經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有時(shí)間停頓的送到復(fù)接器中，屬于一種流水線式處理，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理，節(jié)約緩沖區(qū)的空間，達(dá)到利用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的并串轉(zhuǎn)換。

　　如果音頻數(shù)據(jù)和復(fù)分接器的接口采用傳統(tǒng)的緩存方式，很容易造成復(fù)接器讀數(shù)據(jù)的時(shí)候音頻數(shù)據(jù)還沒有寫到緩存中，很容易造成聲音的“咔咔聲”，采用音頻接口的乒乓操作避免了此問題的產(chǎn)生。

　　1. 1. 2   提供唇音同步機(jī)制

　　在數(shù)字衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中，有一個(gè)獨(dú)特的音視頻同步問題，即通常說的唇音同步。由于圖像壓縮編碼所需之信號(hào)處理時(shí)間一般慢于聲音壓縮編碼所需之信號(hào)處理時(shí)間，那么在收端將視頻及音頻信號(hào)解碼出來后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)音頻比視頻快半拍。通常見到的情況是，或者口動(dòng)時(shí)聽不到聲音，或者口不動(dòng)時(shí)卻有聲音出來，即唇音不同步，給觀眾較差的主觀感覺。為了避免出現(xiàn)這一問題，分接器中提供了唇音同步單元，把音頻數(shù)據(jù)程序上進(jìn)行延時(shí)，通過調(diào)整就可保證接收端的音和視頻同步。

　　1. 1. 3   解決FPGA 電路設(shè)計(jì)中的毛刺問題

　　在FPGA 中當(dāng)多路信號(hào)同時(shí)發(fā)生跳變的瞬間,往往會(huì)出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)就是“毛刺”。組合邏輯電路中競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)也會(huì)出現(xiàn)“毛刺”。它的出現(xiàn)會(huì)影響電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)的誤操作和邏輯紊亂。

　　設(shè)計(jì)中利用D 觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)的毛刺不敏感的特點(diǎn)，去除信號(hào)中的毛刺，但是只是對(duì)信號(hào)中發(fā)生在非時(shí)鐘跳變沿的毛刺信號(hào)去除明顯，并且有一定延時(shí)。因此設(shè)計(jì)中盡量采用同步時(shí)序電路來實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程模塊的功能，同時(shí)對(duì)輸入輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行高倍時(shí)鐘的采樣，達(dá)到去除電路中毛刺的目的。

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　　1.2   設(shè)計(jì)方案

　　1.2.1   幀結(jié)構(gòu)

　　該單元不要求與其他復(fù)分接設(shè)備互聯(lián)互通，所以采用自定義的幀結(jié)構(gòu)。幀頭采用集中幀碼，幀頭固定為12 bits。幀結(jié)構(gòu)如表1 所示。

　　根據(jù)表1 可以計(jì)算出每幀的幀長(zhǎng)L 為7 680 bit，線路速率R 為768 kbps 時(shí)，幀周期T 為：

　　幀頻F s 為：

表1  幀結(jié)構(gòu)

　　1. 2. 2   復(fù)接器

　　復(fù)接器部分負(fù)責(zé)將各支路信息數(shù)據(jù)和幀頭合成一路數(shù)據(jù)流。它由時(shí)鐘發(fā)送電路、數(shù)據(jù)接收存貯器、數(shù)據(jù)緩沖單元和數(shù)據(jù)復(fù)接電路組成。時(shí)鐘發(fā)送電路產(chǎn)生復(fù)接各支路信息數(shù)據(jù)所需的時(shí)隙，時(shí)鐘通過使用內(nèi)部時(shí)鐘源或由接收時(shí)鐘鎖相得到； 數(shù)據(jù)接收存貯器為一雙口RAM，用來接收數(shù)字音頻數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)緩沖單元用來把同步數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的相位調(diào)整到滿足可以進(jìn)行復(fù)接的相位； 數(shù)據(jù)復(fù)接電路將上述數(shù)據(jù)合成一路線路數(shù)據(jù)； 復(fù)接器的組成框圖如圖2 所示。

圖2  復(fù)接器組成框圖[!--empirenews.page--]

　　1. 2. 3   分接器

　　分接器負(fù)責(zé)將一路數(shù)據(jù)流分解成各個(gè)支路信息數(shù)據(jù)。它包括數(shù)據(jù)分接電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路、數(shù)據(jù)接收存貯器和數(shù)據(jù)緩沖單元等部分。時(shí)鐘恢復(fù)電路產(chǎn)生解幀所需的各種時(shí)鐘和相應(yīng)的支路時(shí)隙，這些時(shí)鐘和接口接收的數(shù)據(jù)一起送入數(shù)據(jù)分接電路，搜索幀同步字，當(dāng)滿足同步規(guī)則后判為同步，同時(shí)強(qiáng)迫時(shí)序與數(shù)據(jù)幀同步對(duì)應(yīng)，將各支路信息數(shù)據(jù)分接，并送相應(yīng)的解碼單元，不同步給出同步/ 失步告警信號(hào)；數(shù)據(jù)接收存貯器為一雙口RAM，用來發(fā)送數(shù)字音頻數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)緩沖單元用來把分接的同步數(shù)據(jù)的相位調(diào)整到滿足數(shù)據(jù)接口的相位。復(fù)接器的組成框圖如圖3 所示。

圖3  分接器組成框圖

　　1. 2. 4   幀同步字檢測(cè)

　　對(duì)于集中幀同步字方式，幀同步字在數(shù)據(jù)流中是若干個(gè)連續(xù)的碼元，占據(jù)相鄰的時(shí)隙，因此幀碼檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，可由位數(shù)等于幀碼個(gè)數(shù)的D 觸發(fā)器和與門構(gòu)成。數(shù)據(jù)由時(shí)鐘逐位打入D 觸發(fā)器中,一旦12 位幀碼都移入D 觸發(fā)器中，即12 個(gè)D 觸發(fā)器輸出為幀同步字，則與門輸出一個(gè)脈沖，否則與門沒有輸出。為防止假同步，連續(xù)3 次搜索到幀同步字才認(rèn)為設(shè)備同步，否則重新搜索。當(dāng)信道誤碼率較高時(shí)，為避免設(shè)備頻繁失步，當(dāng)連續(xù)3 次失步才認(rèn)為設(shè)備失步。

　　采用上述方法既可以防止假鎖，又可以避免啟動(dòng)不必要的同步搜索，使設(shè)備工作更加穩(wěn)定可靠。

　　所有以上功能除接口轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘鎖相外，全部使用FPGA 器件，采用硬件設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)。并按功能模塊化設(shè)計(jì)，具有很好的重用性，可以方便地進(jìn)行移植。

　　1. 2. 5   仿真與實(shí)現(xiàn)

　　該復(fù)接器是在Altera 公司的QuartusII5. 1 作為硬件開發(fā)平臺(tái)，完全采用VHDL 硬件描述語言編寫,并在QuartusII5. 1 的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行時(shí)序仿真，系統(tǒng)仿真波形良好，除了允許范圍內(nèi)的信號(hào)延遲外，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的復(fù)接和分接，經(jīng)過編譯下載到可編程器件中，程序已通過了綜合實(shí)驗(yàn)，獲得很好的效果，滿足了工程的需要。

　　2   系統(tǒng)同步性能分析

　　在傳輸過程中，由于信道噪聲的影響，不可避免地將在傳輸碼流中引入誤碼，從而導(dǎo)致系統(tǒng)同步的丟失。同步丟失是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，它將導(dǎo)致主觀質(zhì)量的嚴(yán)重下降，甚至使得整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。因此，復(fù)分接系統(tǒng)同步性能的好壞，是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　在發(fā)送端，復(fù)分接系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)流幀長(zhǎng)為L(zhǎng) =7 680 bit。在每幀的起始，是固定數(shù)值的同步幀頭,碼長(zhǎng)為N = 12 bit，根據(jù)文獻(xiàn)[ 3] ，有平均搜捕時(shí)間：

　　式( 3) 中，P 1 為同步字上的虛漏概率； Py 為非同步字上的虛警概率； T 為數(shù)據(jù)幀周期。如果信道的平均比特誤碼率，傳送流的速率R =768 kbit / s，那么P1 = NP = 0. 001 2，P y = 2^-12=0. 000 2， T = L / R ， 于是Ta = 12. 68 ms。

　　如果不考慮虛警概率的影響，平均確認(rèn)失幀時(shí)間為：

　　式( 4) 中，β為后向保護(hù)參數(shù)，即在連續(xù)β次發(fā)現(xiàn)同步字丟失后才進(jìn)入失步狀態(tài)。取β = 3，那么Td= 25 ms。另外，平均失幀時(shí)間為:

　　式( 5) 中，a為前向保護(hù)參數(shù)，即在連續(xù)a次找到同步字后才進(jìn)入同步狀態(tài)。a= 3，那么Tr = 50 ms。而平均同步持續(xù)時(shí)間為:

　　所以T1= 1 607 h。從上面的分析中可以看出復(fù)分接系統(tǒng)即使在不進(jìn)行誤碼保護(hù)的情況下，也能在較短的時(shí)間內(nèi)確認(rèn)失幀，并很快搜捕到同步； 同時(shí)在同步狀態(tài)保持很長(zhǎng)的時(shí)間。因此，該復(fù)分接系統(tǒng)具有較好的同步性能，在一定的誤碼保護(hù)措施下能夠滿足實(shí)際要求。

　　3   結(jié)束語

　　設(shè)計(jì)的數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的各個(gè)部分，都可以在FPGA 芯片上用VHDL 編程實(shí)現(xiàn)。整個(gè)復(fù)分接系統(tǒng)功能就可以集成在一塊芯片上，既節(jié)省了硬件資源,減少外部走線，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，而且該設(shè)計(jì)便于擴(kuò)展,方便反復(fù)編寫和修改程序，只需修改FPGA 中相應(yīng)控制參數(shù)和外接的監(jiān)控信息就可以實(shí)現(xiàn)速率可變和幀結(jié)構(gòu)可變的復(fù)接與分接。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在FDMA 便攜式衛(wèi)星傳輸平臺(tái)中起到了重要作用，可提高信道的利用率和傳輸容量。