摘 要： 實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP和FPGA的開環(huán)多碼型誤碼測(cè)試儀,并能達(dá)到要求的10-3≤p≤10-10檢測(cè)靈敏度。偽隨機(jī)碼生成器用于生成由ITU推薦的用于誤碼測(cè)試的偽隨機(jī)序列。誤碼測(cè)試儀可以進(jìn)行開環(huán)測(cè)試，擁有五種測(cè)試碼型可以選擇，而且實(shí)現(xiàn)了盲檢測(cè)。測(cè)試的方法靈活，可測(cè)試的設(shè)備廣泛，擴(kuò)展性較好。
關(guān)鍵詞：誤碼測(cè)試；DSP； FPGA；開關(guān)門算法； 盲檢測(cè)

誤碼率是衡量數(shù)字傳輸系統(tǒng)在正常工作的情況下傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，它能反映數(shù)字信息在傳輸過程中受到損害的程度。在數(shù)字通信網(wǎng)中，誤碼直接破壞了信息傳遞的準(zhǔn)確性。通常誤碼對(duì)電話的影響是產(chǎn)生噪聲，對(duì)圖像的影響是造成圖像失真，對(duì)數(shù)據(jù)的影響則表現(xiàn)為信息的丟失和錯(cuò)亂。
　為了得到通信系統(tǒng)的傳輸過程中誤碼率，或是快速找到發(fā)生誤碼的原因，需要專用的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，即誤碼測(cè)試儀?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有誤碼測(cè)試儀的成品，例如：武漢奧林特光電設(shè)備有限公司的ET2000、ET155和ET3200；美國(guó)安捷倫公司產(chǎn)品HP37717A。這些通用誤碼儀雖然具有簡(jiǎn)單易用、測(cè)試內(nèi)容豐富和誤測(cè)試結(jié)果直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格較貴、體積偏大且不易與某些系統(tǒng)接口適配，通常需要另加外部輔助驅(qū)動(dòng)電路[1-2]。
　本文所述的誤碼測(cè)試儀特點(diǎn)之一是可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)測(cè)試，即收發(fā)端不在同一地點(diǎn)的測(cè)試。本誤碼測(cè)試儀的研制背景是某星地間通信信道的誤碼測(cè)試項(xiàng)目，在項(xiàng)目中本誤碼儀的發(fā)送端即偽隨機(jī)碼生成器位于地面，接收端即誤碼分析器位于衛(wèi)星上，因此誤碼測(cè)試儀本身必須實(shí)現(xiàn)開環(huán)測(cè)試。但是，開環(huán)測(cè)試的應(yīng)用不僅僅限于星地間的誤碼測(cè)試，在常見的通信信道的誤碼測(cè)試的應(yīng)用中，如異地的長(zhǎng)距離誤碼測(cè)試，開環(huán)測(cè)試會(huì)使測(cè)試更加方便快捷。
　本誤碼測(cè)試儀的另一突出特點(diǎn)是它有五種可用的測(cè)試碼型，在偽隨機(jī)碼生成器端可以自由選擇碼型進(jìn)行測(cè)試。由于生成偽隨機(jī)序列的移位寄存器越長(zhǎng)，則生成的偽隨機(jī)序列的周期越長(zhǎng)，序列的隨機(jī)性就越強(qiáng)，因此這五種不同的測(cè)試碼型可用于模擬隨機(jī)性不同的數(shù)據(jù)通信。這五種碼型包括01碼和另外四種偽隨機(jī)序列，其中包括了有國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的三種偽隨機(jī)序列。本誤碼測(cè)試儀在誤碼分析器端的FPGA中實(shí)現(xiàn)五個(gè)模塊的并行處理，實(shí)現(xiàn)了盲檢測(cè)（此處的盲檢測(cè)是指誤碼分析器端在未知發(fā)送碼型的條件下能夠自動(dòng)識(shí)別發(fā)送的是那種碼型），完成碼同步，并進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)處理和給出檢測(cè)出的碼型等信息。
　本文所述的誤碼測(cè)試儀是基于DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)的，具有更大的靈活性，升級(jí)方便，例如可以方便地改變測(cè)試序列的碼元速率，本誤碼測(cè)試儀是以常用的2.048 MHz的碼元序列為例進(jìn)行的測(cè)試,理論上可以實(shí)現(xiàn)0~160 MHz測(cè)試碼速率。如果硬件升級(jí),理論上還可以達(dá)到更高的碼速率,還可以在需要的情況下增加另外所需的測(cè)試碼型。誤碼測(cè)試的主要工作由FPGA完成，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 偽隨機(jī)碼生成器
許多數(shù)字通信理論的結(jié)論都基于這樣一個(gè)假設(shè)：原始的信源信號(hào)為0、1等概率并相互獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)字序列。同樣，實(shí)際數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是基于相同假設(shè)。因此，為使測(cè)試結(jié)果盡可能真實(shí)地反映系統(tǒng)的性能，采用偽隨機(jī)序列(m序列)作為測(cè)試中傳輸?shù)男盘?hào)。這種測(cè)試碼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)測(cè)試。
如圖2所示偽隨機(jī)碼生成器也是基于DSP和FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中DSP負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信和對(duì)FPGA的控制，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)序列的生成。圖3為偽隨機(jī)碼生成器的仿真結(jié)果。

圖2中上位機(jī)軟件可以運(yùn)行于電腦或者嵌入式系統(tǒng)中，圖4即電腦上的上位機(jī)軟件偽隨機(jī)碼控制器，同時(shí)在嵌入式系統(tǒng)Windows CE上也編程實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制系統(tǒng)。采用嵌入式系統(tǒng)上的上位機(jī)軟件可以增加系統(tǒng)的便攜性。此外還有手動(dòng)模式，增加了偽隨機(jī)碼生成器的可靠性。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)輸出的偽隨機(jī)序列的正確性,利用MATLAB編寫了生成偽隨機(jī)序列的程序進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證偽隨機(jī)序列生成器輸出的偽隨機(jī)序列正確，可以滿足誤碼測(cè)試儀的要求。
2 誤碼分析器
如圖1所示生成的偽隨機(jī)序列經(jīng)過待測(cè)系統(tǒng)到達(dá)誤碼分析器，誤碼分析器從偽隨機(jī)序列中提取出同步時(shí)鐘信號(hào)，然后誤碼分析器先根據(jù)設(shè)定的同步門限進(jìn)行碼同步，同步后統(tǒng)計(jì)誤碼測(cè)試的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果通過DSP傳輸給上位機(jī)軟件，或者嵌入式系統(tǒng)。
　
　但是,為保證本地生成的偽隨機(jī)序列是正確的,本文采用的是在本地生成的偽隨機(jī)序列與經(jīng)過待測(cè)的偽隨機(jī)序列比較之后，如果連續(xù)相同的碼元超過了預(yù)先設(shè)定的同步門限就認(rèn)為本地生成的偽隨機(jī)序列是正確的。下面介紹門限設(shè)定的原則。

計(jì)算結(jié)果表明要測(cè)的最大誤碼率為10-3的信道，并保證同步成功的概率大于90%的條件下，同步門限值不能大于85個(gè)碼元，當(dāng)然同步門限N越小，同步成功的概率越大，但此時(shí)可能是偽同步，這樣測(cè)得的誤碼率的值根本就不是真實(shí)的誤碼率,根據(jù)偽隨機(jī)序列的性質(zhì)這時(shí)測(cè)得的誤碼率大概為0.5。
如圖5所示，整個(gè)誤碼分析器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為三大部分： (1)從接收到的二進(jìn)制碼序列中提取同步時(shí)鐘，此部分由專用芯片及其外圍電路完成；(2)利用m序列開關(guān)門同步算法[5]完成碼同步，并進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)和采集電路關(guān)鍵部分的狀態(tài)信息，上報(bào)給DSP，此部分主要由FPGA及其外圍電路完成，F(xiàn)PGA核心模塊的工作框圖如圖6所示，誤碼測(cè)試的時(shí)序圖如圖7所示；(3)DSP完成與其他設(shè)備的通信和對(duì)電路控制。

FPGA的核心模塊有五個(gè)，這五個(gè)模塊在同步時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下并行處理，分別用于五種碼型的處理，因此誤碼分析器本身并不需要知道偽隨機(jī)碼生成器發(fā)送的碼型，即可以實(shí)現(xiàn)盲檢測(cè)。當(dāng)這五個(gè)模塊其中的一個(gè)模塊同步成功后，這個(gè)模塊會(huì)開始統(tǒng)計(jì)誤碼并把統(tǒng)計(jì)的結(jié)果傳送給DSP，DSP再通過串口把結(jié)果傳出去。
誤碼分析器通過串口與電腦端的上位機(jī)軟件或者其他的嵌入式系統(tǒng)通信，DSP接收指令進(jìn)行解析和執(zhí)行，并把統(tǒng)計(jì)的誤碼率的信息和監(jiān)測(cè)的電路的狀態(tài)通過串口上傳。設(shè)計(jì)的電腦端的上位機(jī)軟件誤碼儀測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論
如圖9所示是本誤碼測(cè)試儀與商業(yè)誤碼測(cè)試儀對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)示意圖。測(cè)試中本文誤碼測(cè)試儀和商業(yè)誤碼測(cè)試儀均使用2.048 MHz碼速率的偽隨機(jī)序列。誤碼率測(cè)試結(jié)果如表1所示。表中每次測(cè)試時(shí)的信道的干擾都不相同，在每次測(cè)量中干擾是不變的。本文所述誤碼測(cè)試儀是3 min內(nèi)的平均誤碼率，商業(yè)誤碼測(cè)試儀測(cè)得的是誤碼率穩(wěn)定后的結(jié)果。

由表1中數(shù)據(jù)可以看到，測(cè)得的誤碼率的量級(jí)是相同的，但是數(shù)據(jù)還是有偏差，而且在誤碼率越低時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)的偏差的百分比越大。存在這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)，一是信道在兩次測(cè)試時(shí)的狀態(tài)會(huì)有微小的波動(dòng)，即干擾本身不是絕對(duì)穩(wěn)定的；二是在低誤碼率條件下，單個(gè)誤碼碼元對(duì)誤碼率的結(jié)果的影響大于在高誤碼率的條件下對(duì)誤碼率的影響。

分析得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文所述的誤碼測(cè)試儀測(cè)得誤碼率可以達(dá)到10-3≤p≤10-10的要求,系統(tǒng)可以完成開環(huán)測(cè)試，系統(tǒng)同步時(shí)間短。
在與商業(yè)誤碼測(cè)試儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，本文所述的誤碼測(cè)試儀性能與商業(yè)誤碼測(cè)試儀相當(dāng)。而且本誤碼測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)星地間及地面異地長(zhǎng)距離的誤碼測(cè)試；其功耗低，與嵌入式系統(tǒng)配合使用可以方便地進(jìn)行野外測(cè)試；具有五種用于誤碼測(cè)試偽隨機(jī)序列可供選擇；誤碼分析器運(yùn)用m序列開關(guān)門算法和并行處理實(shí)現(xiàn)了盲檢測(cè)；升級(jí)方便，理論上可以實(shí)現(xiàn)0~160 MHz測(cè)試碼速率，如果升級(jí)硬件理論上還可以達(dá)到更高的碼速率，可以增加所需要的測(cè)試碼型；偽隨機(jī)碼生成器和誤碼分析器都有串口，可以方便地集成到其他系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] 高翔,趙利,葉梧.基于FPGA的智能誤碼測(cè)試儀.電子技術(shù)應(yīng)用,2003,29(9):42-45.
[2] 齊志強(qiáng),尚文靜,何慶濤.基于FPGA的簡(jiǎn)易誤碼儀的設(shè)計(jì).世界電子元器件，2007(7)：72-74.
[3] ITU-T Rec. G.826. Error Performance Parameters and Objective for International. Constant Bit Rate Digital Paths at or above the Primary Rate.1993.
[4] CCITT Draft Rec. G.82X. Error Performance Parameters and Objectives for International, Constant Bit Rate Digital Paths at or above the Primary Rate.1992.
[5] SIMON M K, OMURA J K, SCHOLTZ R A, et al. Spread spectrum communication. Computer Science Press Inc., Rockville, Md., 1985.