（通信与信息系统专业论文）fdmcwtdm卫星通信体制中的复接分接技术及其fpga实现.pdf

摘要 摘要 本文研究利j 目f p g a 来实现f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接和分接 投本。f d m c w t d m 是近年来提出的一种新的复用转换技术。相x ，子 f d m t d m 复用来晚，f d m ，c w t d m 可以在星上不解扩解悯，使星上转发器体 积和功率都夫人减小，而且可以使地面设备简化。 在深入理解f d m c w t d m a 的复用体制的基础上，本文丌展了以下的研究 芹f f ： f ： l 剥f p g a 的设计方法作了研究，分析了在f p g a 设汁中应注意的一些问 题。 2 剥f d m c w t d m 中的复接分接数据处理作了研究，针列多路数据进行 叠接和同步帧头控制的特点，提出了奇偶路存取管理算法，有效的实现了多路 信号的复接。并在算法的基础 上，对整个复接电路作了设计和仿真。 3 ，对f d m c w t d m 的同步作了理论上的分析，并利用f p g a 设计软件对 同步电路进行了设计。在电路实现当中，提出了补码配对相减匹配滤波法，使 利用f p g a 技术来实现匹配滤波提取同步简单可行，而且极大的优化了f p g a 内部资源。 4 ，利用f p g a 发汁软件对分接部分作了电路设计和仿真。 s 利j 玎p r o t e l 9 9 s e 软件对复接电路板进行了设计，并予以实现，对其 进行了调试和验证。 关键词：连续波时分复用星上处理同步复接分接 综台业务网理论发关键技术国家重点实验室 a b s t f a c t t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h e m u l t i p l e x a n dd e m u l t i p l e xt e c h n i q u e so f f d m a c w t d m ( c o n t i n u o u sw a v et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) c m l v e r s i o l l ，w h i c hi s al l e ws c h e m ef o rs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t ha n t i - j a m m i n ga b i l i t yb a s e d o nt h ei d e ao fac h i n e s ep a t e n t t h i ss c h e m ec a nn o to n l ya v o i dt h ec h a l l e n g i n g p r o b l e m sr e s u l t e df r o mm ec o m p l e x i t yo fo n b o a r dp r o c e s s i n g ，b u ta l s os u p p o r t 、，a r i o u ss e r v i c e sf o rs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s m o r e o v e r , i ti sa l s oc o n v e n i e n tf o r n e t w o r k i n g r e s e m c h i n gi nd e p t ho nt h en e wm e t h o do fo n - b o a r df d m a c w t d m c o n v e r s i o n ，t h et h e s i sf i n i s h e ds o m e w o r ka b o u tt h er e l a t e dd e t a i l sa n d i m p l e m e n t a t i o ns i m u l a t i o na sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h o r o u g hs t u d y i n go ft h ef d m c w t d m ，a na l g o r i t h mw h i c hi s c a l l e do d da n de v e np a t ha c c e s s i n gi s p r o p o s e d t or e a l i z et h em u l t i p l e xa n d d e m u l t i p l e xa n da l lt h ec i r c u i td e s i g n so fm u l t i p l e x e rh a v e b e e nf i n i s h e dw i t h f p g a 2 a f t e ra n a l i z i n gs y n c h r o n i z a t i o no ff d m c w t d m ，t h ec i r c u i to f s y n c h r o n i z a t i o n h a sb e e n d e s i g n e d w i t h f p g a d u r i n gi m p l e m e n t a t i o n ， c o m p l e m e n t a l yc o d ep a r t n e rs u b s t r a c t i o nm a t c h i n gf i l t e ri sp r o p o s e d i tm a k ei t c o n v e n i e n tt or e a l i z es y n c h r o n i z a t i o nb yf p g a ，a n di tc a ns a v em u c ho ff p g a r e s o u r c e s 3 b a s e do n t h o r o u g hs t u d y i n go ft h ef d m c w t d m ，t h ec i r c u i to f d e m u l t i p l e xi sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d 4 w i t had y n a m i cc i r c u i tb o a r dd e s i g nt o o l ，p r o t e l 9 9 s e ，t h ec i r c u i tb o a r do f m u l t i p l e xa n dd e m u l t i p d xi sd e s i g n e d t h ek e ym o d u l eo ff d m c w t d m ，t h e m u m p l e xc i r c u i tb o a r d ，i sm a d ea n dh a v eb e e nd e b u g g e da n dv a l i d a t e d k e y w o m s ： c o n t i n u o u sw a v et i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c w t d m ) ， o n b o a r dp r o c e s s i n g ( o b p ) s y n c h o r o n i z a t i o n m u l t i p l e xa n dd e m u l t r i p l e x 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作背景和意义 f d m c w t d m 是近年来提出的一种在卫星通信”1 中应用的新型复用方式。它 是基于f d m t d m 的体制和带限时分复用原理，利用星上处理技术，使f d m t d m 的通信方式得到进一步的改善。 f d m a 一，i i ) m f 2 是在f d m a s c p c 和t d m a t d m 卫星通信多址复用体制的进 一步发展，有蔫两者不可比拟的优势。尽管f d m a s c p c 系统的地面站发射、接 收设备都较简单，不需同步系统，但有 非线性，会使多载波信号产生互调失真 个很大的缺点就是由于转发器功放存在 因而用户容量不能很大，并且数据吞吐 率随用户数的增加而迅速下降。同样，虽然t d m a t d m 多址复用体制由于只有 一个载波，不存在因转发器功放非线性引起的互调干扰问题，此用户容量较大， 信道利用率高，但是其同步系统复杂，地面站设备复杂度和成本部比较高。星上 f d m a - t d m 转换处理是一种具有重要实用价值的星上处理技术，它能用于支持 种信道利用率很高、地面站成本很低的f d m a t d m 多址复用体制的卫星通信系 统。f d m a 一1d m 上行采用频分多址方式接入，在星上将上行的f d m a 信号进行 分路和解调，并重新复接为t d m 信号下行发送，它既可以克服多载波互调失真， 保持原来f d m a s c p c 系统地面站复杂度不变；同时又能回避t d m a t d m 卫星 通信系统所需的复杂而昂贵的同步系统，大幅度降低地面站成本。因此，这种体 制的卫星通信系统具有较好的开发价值，特别是对于目前正在迅速发展的v s a t 通信网和卫星移动通信系统具有很强的吸引力。 带限时分复用理论则是充分利用了信号处理的优势，对数据进行f f t 分路和 窗函数滤波，同时进行同步精度控制，使在星上可以不进行解扩，解调，弥补了 f d m ，t d m 的不足。 根据带限时分复用理论进步研究f d m c w t d m 的复接分接技术极其实 现是本文所要讨论的重点。 完善f d m c w t d m 的复接分接技术，并充分利用f p g a 的设计优势给予实 现，进一步减小星上处理设备的体积和功率，使f d m c w t d m 复角技术尽快应用 到卫星通信当中。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p q 皇实现 l ，2 国内外研究现状和趋势 f d m c w t d m 思想基于中国发明专利“带限信号时分多路复用传输方法”， 而由西安电子科技大学综合业务网重点实验室提出的，目前西安电子科技大学正 在开展这方面的应用研究。复接分接实现是f d m c w t d m 复用体制的关键，目前 它也是f d m 。c w 7 d m 体制研究中急待解决的问题。 1 3 本文的主要研究工作 本文结台“有效载荷综台抗干扰“项蟊，深入研究了f d m c w t d m 复用体制 中的复接分接技术。主要工作如下： 1 对f p g a 韵设计方法作了研究，分析了在f t a g a 设讦中应注意的些问题， 2 ，深入研究了带限时分复用理论，参考分析了各种数字复接器分接器的实现， 确定了进行f d m c w t d m 复接器的实现方案，提出了奇偶路存取算法。并在算法 的基础上对复接进行了f p g a 的电路设计和仿真。 ) 初步研究了f d m c w t d m 的同步方案，并对初始同步作了f p g a 的电路 实现尝试。在设计和仿真中，提出了补码配对相减匹配滤波同步方法。 4 对分接系统 乍了f p g a 的电路设计和仿真。 5 利用p r o t e l 工具对复接和分接作了电路原理图和电路印制版的设计，实现 了复接电路扳制作，并对其避行了调试。 练舍业务网理论及关键技术国家重点实验室 第二章连续波时分复接分接中的数据处理和系统总体方案 第二章连续波时分复接分接中的数据处理和系统总体方案 2 1 带限时分复用方法 连续波酬分复接分接的数据处理是基于带限信号时分复用传输方法1 3 ”。带限 信号时分复用传输方法是一项中国发明专利。带限信号时分复用方法的基本原理 是将输入的多路带限模拟信号经正交下变频、a d 变换、f f t 分路、时分复接、d a 变换，本质上是实现了多路模拟信号的时分复用。这种方法由于在复接期间经过乘 窗的信号处理丽将其相互影响几乎完全消除，并且它对分帧同步精度的要求很低，通 过仿真，已经完全验证了理论分析结果。所以应用到f d m a c w t d m 转换，只需分 路而不进行解调。可达到与m c d l 5 6 1 17 1 实现这种转换相似的功能，丽其硬件复杂度 只相当于m c d 的1 1 5 到1 3 ，为实现星上f d m a 至t d m 的转换提供了一条现实 可行的途径。参考图21 。 r 。l i ii 、， r 一1 葛 接收端 图21 星上带限时分复接 2 1 1 连续波时分复接中的数据处理 对于m 路带宽相同的连续信号进行时分复接数据处理的步骤如下： 1 各路信号以相同的采样速率e 数字化( a d ) 为数字信号，得到m 路信号： x ，例，z ：矧，x 。倒，采样速率7 ：应保证各路信号不发生采样混叠失真； 2 用一个上底长d 个样点、下底长d + 2 d 个样点的梯形窗w 倒，每次滑动平移d c 个样点分别截取各路信号( 窗函数，见图2 2 ) ，每路都形成一系列子帧信号，每个 子帧信号的样点数为+ 列) ，即第1 f i 路第i 子帧信号为： y 。昏幻2 x 。( n t ( d c ) ) w g l = o , ，2 ，d + 2 d - ，l t l = o j ，2 ，m - j 净口，2 ，( 2 一1 ) 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 l d w ( ”) = 1 ll 一( n d d ) d 其中梯形窗为 当0 h d 时 当d 盯d 十d 时 当d + d d + 2 d ! t , j - l 一c _ | 图2 , 2 梯形窗及其平滑移动 3 取每路同一时相的子帧叠接相加，再加一个特别设计的帧头便构成复用帧( 帧 结构如图2 3 所示) ，这里两相邻子帧叠接d 个样点( 它与截取信号时重叠的样点 数2 d + c 不同) 于是第i 个复接帧的有用信号部分为 m l y i ( n ) = ) ，。( n m ( d 十d ) ) ”一 n = 9 , 17 2 ( m o d + d ) 一l ：净o 1 27 c 2 - 2 、 第二路 、f 霎第一路 图2 3 复用帧结构 4 做d a 变换，将复接好的数字信号变为连续信号由信道传输， 率为： e = 阻( d + d ) + d + h j x f , ( d 一0 其中h 表示帧头的样点数。 2 1 2 连续波时分分接中的数据处理 d i a 变换的速 ( 2 3 ) 多路时分复接信号的分接( 或称分路) 过程如下： 1 将复按信号以采样速率e 数字化为数字信号y ， ： 2 用相关法准确地搜索到帧头位置： 3 信号恢复：从帧头结束处算起，每次取p + 回个样点，扔掉前头( d + c 2 ) ，再扔 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 辨二章连续波时分复接分接中的数据处理积系统总体方寨 掉最后的c 2 个样点，余下的一c j 个样点就是一个子帧信号，每路的各子帧按顺 序排列起来就恢复了各路数字信号。如果必要，再以速率t ，= 做d a 变换，就可完 全恢复各路连续信号。 从这个过程可以看出，分接过程的数据处理比较简单，但它却可以准确而可靠 地恢复各路信号。即使帧头定位出现了多达+ _ c 2 个榉点的误差，它也不会引起信 号失真，因为每个子帧都重复传输了( 2 d + c ) 个样点，这些多余的信号样点是在分 接过程中扔掉昀。 2 。2 系统总体方案 卫星信道是一种功率和频率都受限的非线形信道，结合星上基带处理对卫星 有效载荷的影响，从频谱利用率和信道传输性能( 包括码间干扰，邻道干扰及误 码性能等) ，技术成熟程度，处理器的复杂性以及应用的普及程度等进行综合考虑， q p s k 调制”1 1 9 1 是适用于_ 卫星通信及其星上基带处理的相对较好的信号调制方式。 为了克服q p s k 解谲时存在的相位模糊问题，通常采用差分q _ f s k 调制，所以可 称之为d q p s k t 】| l “。这种调制方式也非常有利于实现多载波q p s kr ”i 1 信号的全 数字化整体调制。在d q p s k 调制中，主要模块有差分编码，串并转换，成形滤波。 采用相干解调，由两个相干解调器组成，输入信号送入解调器，与两个相互正交 相干载波相乘，分别得到l ，q 两支路的基带信号。解涌器产生的正交相干载波是 由输入信号提取而来，利用位同步恢复电路，可以直接从输入信号或正交解调器 输出的基带信号中提取定时信号。d q p s k 差分船调的抗噪声性能比相干解谓性能 差3 d b ，因此在信噪比较低的场合中采用相干解调来增强系统的性能。 由于是分为正交两路，那么对正交两路分别做复接是必要的，而且对i 路瓤q 路分别加帧头也是必要的。对于分接来说，也要根据i 路和q 路，正确的提取同 步，德到i 踞和q 路的数据， 从带限时分图和图2 4 可以看到，与星上f d m t d m 转换相比，星上f d m c w t d m 转换不进行解调译码，只是得不到星上信号再生带来的信噪比增益。但 却大大的降低了星上处理设备的功耗和复杂度，路数越多这种差别越大。因此， f d m 。c w t d m 体制是一种现实可行，性能优越的新体制。星上f d m c w t d m 复 接转换配合地面站接收部分中的c w t d m 分按模块，本质上提供m 条“透明”的 连续信道，每条信道传输的信号可以是任意形式的连续信号，例如：某种数字调 制信号，跳扩频信号，调频或调幅信号等。 圈2 4 给出了一种实现f d m c w t d m 并结合q p s k 调制解调的系统实现框 图。 综合业务蹄理论及关键拄米目寡重点实验室 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 ”7 jl ? “竺j 泰k 矗l 用户2 】j 茹；k 面 掣 i 叫 r = ) j 转发端j ! ! ! 兰 l i i d 分路 一罴路时分复接 ：丁 i 厂 【一 j 厂磊磊、 厂、 l 接收端l 相 i 路时分分接l 一 判 l 各路输出 l 一。l 干决 解输 出调 l 时葬分接i 图一种实现 的系统实现框图 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章f p g a 设计方法研究 第三章f p g a 设计方法研究 3 1f p g a 的发展 3 , 1 1a s i c 专用集成电路j a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 称为“专用集成电路”，它是面 向专门用途的电路，以此来区别于标准逻辑( s t a n d a r dl o g i c ) 、通用存储器、通用 微处理器等电路。a s t c 被认为是用户专用集成电路( c u s t o m e rs p e c i f i ci c ) ，即它 是专门为一个用户设计和制造的。换言之，它是根据某一用户的特定要求，以低 研制成本，短交货周期供货的全定制，半定制集成电路。a s i c 概念在2 0 世纪6 0 年代提出，8 0 年代得到迅速发展。a s i c 按功能不同分为数字a s i c ，模拟a s i c 和微波a s i c ；按使用材料的不同可分为硅a s i c 和砷化镓材料。砷化镓具有高速、 抗辐射能力强，寄生电容小和工作温度范围宽等优点，目前已在移动通信、卫星 通信等方面绳到广泛应用。 一a s i c 的不同设计方法 按照设计方法不同，a s i c 可分为全定制和半定制两类。 全定制是一种基于晶体管级的设计方法。它主要针对要求得到最高速度、最 低功耗和最省面积的芯片设计。为满足这种要求，设计者必须使用版图编辑工具 从晶体管的版图尺、位置及连线开始亲自设计，以期得到a s i c 的最优性能。对于 某些1 眭能要求高、批量较大的芯片，一般采用全定制法设计。全定制设计周期长， 成本较高。 半定制是一种约束性设计方法。可分为门阵列、标准单元和可编程逻辑器件。 利用半定制可以缩短设计周期，降低设计成本。 二可编程a s i c 分类 对于可编程a s i c ，是一种已完成了全部制造工艺，可直接从市场上买得，用 户只要在实验室就可对它编程实现所需电路功能。 1 ) 简单可编程a s i c 主要指早期开发的可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 。包括 p l a ，p r o m 、p a l 、g a l 。 2 ) 复杂可编程a s i c 主要指c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。一般具有可重编程特性， 实现的工艺有e p r o m 技术，f l a s h 技术，e 2p r o m 技术，集成度可达数千甚至 数万门。 综台业务网理论及关键技术国家重点实验室 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 3 ) 现场可编程a s i c 主要指现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它是与传统 p l d 不同的一类可编程a s t c 。最早由美国x i l i n x 公司于1 9 8 5 年推出。f p g a 是 一种将门阵列的通用结构与p l d 的现场可编程特性结合与体的新型器件具有 集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、产品上市快捷等多方面的特点。f p g a 的门数可达到1 万门以上。 三可编程a s i c 的主要特点 1 ) 缩短研制周期 2 ) 降低设计成本 3 ) 提高设计灵活性 四可编程a s i c 的发展趋势 1 ) 向高密度、大规模的方向发展 2 ) 向系统内可重构的方向发展 3 ) 向低电压、低功耗的方向发展 从3 3 v 发展到2 。5 v 再到1 8 v 来适应其他数字器件，以适应节能标准。 4 ) 向高速可预测延时器件的方向发展 随着数据处理量的激增，要求数字系统有大的数据吞吐量。加之多媒体技术 的迅速发展，更多的是图象处理，相应的要有高速的硬件系统，所以发展高速时 钟是必不可少的。高速延时预测则是必要的。 5 ) 向混合可编程技术方向发展 目前a s i c 的研究和开发的大部分工作都集中在数字逻辑电路上，未来模拟电 路及数模混合电路的可编程技术将得到发展。美国加州i n t e r n a t i o n a lm i c r o e l e c t r o n i c p r o d u c t s 公司开发的e p a c 可编程模拟电路芯片，就可以使用户使用公司专门提 供的a n a l o gm a g i c 对模拟电路功能进行编程。m o t o r o l a 公司也开发了一种基于开 关电容技术的现场可编程模拟阵列m p a a 0 2 0 以及相应的开发软件。美国的l a t t i c e 公司在1 9 9 8 年底也新推出了一种在系统编程技术的可编程模拟电路( i n s y s t e m p r o g r a m m a b i l i t yp r o g r a m m a b l ea n a l o gc i r c u i t s 简称i z p p a c ) ，通过开发软件设计。 编程电缆下载到芯片中，可以实现信号调理( 放大、衰减、滤波) ，信号处理( 对 信号求和、求差、积分运算) ：信号转换( 将数字信号转换成模拟信号) 。 3 1 2f p g a 的边界扫描测试 随着微电子技术、微封装技术和印制版制造技术的发展，印制电路板越来越 小，密度和复杂程度越来越高。传统的外探针测试法和“针床”夹具测试法来全 综合业务两理论及关键技术国家重点实验室 第三章f p g a 设计方法研芄 面彻底地全面地测试焊接在电路板上的期间难以实现，多层电路板以及采用贴片 封装器件的电路板，将更难以用传统测试方法测试。 + j t a g 联合测试行动组( j t a g ：j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 开发了i e e e i l 4 9 1 边界扫 描测试技术规范。该规范提供了有效的测试引线间隔致密的电路板上零件的能力。 现在几乎所有公司的f p g a 器件都遵守i e e e 规范，为输入输出引脚及专用配置引 脚提供了边界扫描测试b s t ( b o u n d a r y 。s c a n i n t e r f a c e ) 的能力。 二i e e e l1 4 91 边界扫描测试t a p 引脚 测试存取v 1t a p ( t e s ta c e s sp o r t ) 可以将所有支持边界扫描的器件排成菊花 链，通过比较前一个器件的输出和下一个器件的输入就可以查找到电路板中的短 路或断路点。 1 ) 测试时钟t c k ( t e s tc l o c k ) 2 ) 测试模式选择t m s ( t e s tm o d es e l e c t ) 3 ) 测试数据输入t d i ( t e s tm o d es e l e c t ) 4 ) 测试数据输出t d o ( t e s td a t ao u t ) 5 ) 测试复位输入t r s t ( t e s tr e s e t ) 三边界扫描描述语言( b s d l ) 边界扫描描述语言b s d l ( b o u n d a r ys c a nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是v h d l 语 言规范的一个子集。设计人员可利用边界扫描描述语言来描写j t a g 兼容器件的可 测试性，可以利用b s d l 以及测试软件开发系统来形成测试、测试分析和失效诊 断。 四v h d l 语言 目前常用的硬件描述语言有a h d l 、a b e l 、v h d l 、v e r i l o gh d l 等。v h d l 语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，v h s i c 是v e r yh i g h s p e e d i n t e g r a t e dc i r c u i t s 的缩写) 是i e e e 标准化的硬件描述语言，并且已经成为系统描 述的国际公认标准。 v h d l 语言覆盖面广，描述能力强，能支持硬件的设计、验证、综合和测试， 是种多层次的硬件描述语言。其设计描述可以是描述电路具体组成的结构描述， 也可以是描述电路功能的行为描述。这些描述可以从最抽象的系统级直到最精确 的逻辑级，甚至门级。运用v h d l 语言设计系统一般采用自顶向下分层设计的方 法，首先从系统级功能设计开始，对系统高层模块进行行为描述和功能仿真。系 统的功能验证完成后，将抽象的高层设计自项向下逐级细化，直到与所用可编程 逻辑器件相对应的逻辑描述。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验宣 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 3 2f p g a 电路设计中毛刺消除 在f p g a 设计当中，不管是电路图设计或者v h d l 输入，毛刺问题都是不 可避免的。如何解决毛刺是设计中的一个非常重要的问题。尤其是当速度到达比 较高的速率，那么不好的设计方法就会产生大量的毛刺，这些毛刺会严重影响电 路的时序，最终会影响性能。这里着重分析以下毛刺产生的原因和毛刺产生的种 种情况，以及如何有效的解决毛刺问题。解决好毛刺对电路的影响能够极大的提 高。 3 2 1 毛刺产生机理 延迟与毛刺 k 。s u 辛离一t h 爿 堕翌厂 t ：。：建立辩向t 瓠保持时闫。 囤3 】数据在时钟信号中的建立时阐和保护时间 建立时间( s e t u pt i m e ) 是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定 不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器i 保持时间( h o l dt i m e ) 是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的 时闻，如果保持时间不够。数据同样不能被打入触发器。数据稳定传输必须满足 建立和保持时间的要求，当然在一些情况下，建立时间和保持时间的值可以为零。 p l d f p g a 开发软件可以自动计算两个相关输入的建立和保持时阅。 我们在使用分立元件设计数字系统时，由于p c b 走线时，存在分布电感和电 容，所以几纳秒的毛刺将被自然滤除，而在f l d 内部决无分布电感和电容，所以 在p l d f p g a 设计中，竞争和冒险问题将变的较为突出。 在图3 2 中，假设数据已经被时钟的上升沿打入d 触发器，那么数据到达第一 个触发器的q 端需要t c o ，再经过组合逻辑的延时t d e l a y 到达的第二个触发器的 d 端，要想时钟能在第二个触发器再次被稳定的锁入触发器，则时钟的延迟不能 晚于t c o + t d e l a y + t s e i u p ，( 我们可以回顾一下前面讲过的建立和保持时间的概念， 就可以理解为什么公式最后要加上一个t d e l a y ) 由以上分析可知：最大时钟周期： t = t c o + t d e 】a y + t s e t u p最快时钟频率f = 1 ，r 。p l d 开发软件也正是通过这个公 式来计算系统运行速度f m a x 。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章f p g a 设计方法研究 注：在这个逻辑图中有个参数：t p d ，即时钟的延时参数，我们在刚才做时间分析 的时候，没有提这个参数。 ( 如果使用p l d 的全局时钟型号，t p d 可以为0 ，如 果是普通h 寸钟，则不为o ) 。所以如果考虑到时钟的延时，精确的公式应该是 t = t c o + t d e l a y + t s e t u p t p d 。当然以上全部分析的都是器件内部的运行速度，如果 考虑芯片o 管脚延时对系统速度的影响，那么还需要加一些修正。 图32 数据输入输出之间的延迟 ( t c o 是触发器时钟到数据输出延时；t d e l a y 是组合逻辑的延时；t s e l u p 是触发器的建立时间) 由于t c o 、t s e t u p 是由具体的器件和工艺决定的，我们设i , t 。电路时只可以改变 t d e l a y 。所以缩短触发器间组合逻辑的延时是提高同步电路速度的关键。由于一般 同步电路都不止一级锁存，而要使电路稳定工作，时钟周期必须满足最大延时要 求，缩短最长延时路径，才可提高电路的工作频率。 在设计组合逻辑电路中，由于信号在经过一系列的门电路和信号变换之后，难 免会产生延迟而由于延迟的作用，当输入信号发生改变之后，其输出信号不能同步的 跟随输入信号的变化而变化，而是经过一段过渡时间后才能达到原先所期望的状态， 从而产生瞬间的错误输出，造成逻辑功能的瞬时紊乱这种现象就象瞬时冒出来的危 险动作一样，因而被称为逻辑电路的“冒险现象”，简称“险象”。逻辑电路的“冒险 现象”是一种逻辑故障，这种故障在电路和连线上是找不出原因的，只能从逻辑 设计上采取措施加以解决。这是一个 常棘手的问题。 二反馈与毛刺 当信号反馈n - - 个信号的使能端或对其进行控制时，就会因为反馈的原因而造 成类似r s 触发器的不定态。 如果设计电路例如控制电路时，一定要注意不要形成隐含r s 触发器，因为一 综合业务网理论及关键技术屠家重点实验室 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 旦出现r s 真值表的输入全零情况，就会产生不稳定状态，使时序出现混乱。因此 必须尽量避免此类电路的产生。 我们知道r s 触发器的真值表为： rs q ( n + 1 )功能说明 o0 不定态( 振荡)禁止 01o复位( 置o ) 1o0置位( 置1 ) 11 q ( n )保持原状态 图3 _ 3 r s 触发器真值表 三计数器与毛刺 对于计数器来说，因为其输出是经过了译码电路，各个位的延迟不同，所以产 生毛刺是必然的。即使对于环形或扭环形计数器来说，也难免会产生毛刺。特别 是我们用计数器的输出连上与门或者或门时，就可能产生毛刺并且如果随着负载 的增大，出现毛刺的概率越大。并且计数器全部输出线和部分输出线的与或出现 的毛刺情况稍微有所不同。 3 2 2 消除毛刺的一般方法 一修改卡诺图 在组合电路中，当一个输入信号经过多条路径传送后又重新会合到某个门 上，由于路径不同而导致时延不同，到达会合点的时间有先有后，这一现象称为 竞争。不产生错误输出的竞争称为非临界竞争，产生错误输出的竞争称为临界竞 争。l 临界竞争产生的错误输出即波形上的尖峰脉冲( 毛刺) ，有可能引起后级电路 ( 时序电路) 的错误动作，称为冒险。函数式和真值表所描述的是静态逻辑。而 竞争则从一种稳太到另一种稳太的过程。因此，竞争是动态过程，它发生在输入 变量变化时。 f = a + a 反( 0 型冒险) f = a a 反( 1 型冒险) 修改卡诺图，增加多余项，可以解决电路设计中的一部分毛刺问题，但对于计数 器型产生的毛刺是无法避免的。所以只能采用其他方法。 二增加选通电路 增加选通信号，待信号稳定之后，再选通电路，得到所需信号，避免冒险 所产生的毛刺。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 第三章f p g a 设计方法研究 三，增加输出滤波 四采用延迟的办法 因为毛刺是最终由于延迟而造成的，所以可以找出延迟的支路，对于相对不 延迟的支路加上等于毛刺宽度的延迟。这样可以消除毛刺，但是有时随着负载增 加，毛刺会继续出现，因而这种方法也是有局限性的。而且采用延迟线的方法来 延迟更会由于环境温度的变化使系统变的不可靠。 五，采用琐存的办法 3 。2 3 采用锁存消除毛刺分析 当计数器的输出进行相与或相或时就会产生毛刺。随着计数器位数的增加 毛刺的数量和毛刺的种类都会越来越复杂，毛刺在输出中的仿真结果看图3 4 。 o 毫毋l e l k 1 广 厂 厂 r u l 厂 n 厂 厂 广 厂 舾e i c l r0 o u f0 i 沙q 1 50j h3 b ：i 望竺l 坠i ! ! i 兰i 竺x 篁竺些i 圆u r l l e t 谳50 l 卜 3 8 图3 4 计数器输出位相与或相或仿真 如果在输出中又对计数器输出的信号线部分作一些处理，比如在计数器的一 个输出线上加一个锁存再进行相与，那么就可以看出毛刺增多。如图3 5 所示。 t i 庐_ c l k0 - n 厂 厂n 厂 几厂 几广 厂 妒b c l r 目 0 u t0 n1 广1 圆pq f 5d 】h 3 b ：x 翌x 望x 毪塑x 夏睡咂虱至题涸； 圆9un l e r l i q 【50 1h 3 b 蔓砸匿强面匡涎强 图3 5 计数器某一位输出加延迟锁存相与或相或仿真 把o u t 连接到计数器时钟的输入端，可以看到毛刺对记数过程的影响，如3 6 图所示。 综合业务鼬理论及关键技术嗣家重点实验笙 f d m c w t d m 卫星通信体翩中的复接分接技术及其f p g a 实现 e 磅一c l i 蔓篝垂前端：； f ，m _ ， j ：毒移强瞵删。一0 # 毒豢l i t 一一盯、：i r 翌“； _ 吐_ ：1 、 二。l 。卜t o 。且一- ! ! y 一： 鸯；一b * ：一如：i ； _ 1 1 ：_ ；”_ ；j ；一 i i ；一。一：；! ：一。_ + ， 警篡雩黪簦譬：o ：”篷孽：。! 。 图3 , 9 带有隐含触发器的复接控制电路 隐含r s 触发器是由于进行了不恰当的反馈，把两个输出端引入到对方的输入 端，经过组合电路，又进行输出。这样无意中就产生了隐含的r s 触发器，造成不 定状态。图39 中，可以看到最右边的两个与门的输出经过反向引入到了两个4 输 入或门，尽管还有其他的输入，但完全已经形成了隐含的r s 触发器，于是在相互 状态切换的瞬间出现了不定的状态。在第四章中会看到对复接控制电路设计上所做 的根本性变化。以及良好的时序仿真结果。 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 一1 8 f d m c w t d m 卫星通信体制中的复接分接技术及其f p g a 实现 第四章连续波时分复接实现 4 1 引言 进行星上的t ：p g a 实现，首先应该选用合适于空间的环境的芯片，应该考虑到空 问复杂的各种情况，于是可以选用a c t e l 公司的f p g a 芯片，a c t e l 公司的宇航级芯片 尤其适合于卫星所处的环境，包括各种太空温度的变化以及各种强烈的电磁干扰等 诸多恶劣的环境。为了实现仿真的方便和前期开发的需要，我们使用a l t e r a 公司的 仿真软件q u a r q u si i 和a l t e r a 公司的最新器件a p e x 2 0 k e 来实现设计，a l t e r a 公司 的器件种类繁多，性能优越，其仿真软件使用方便，有利于设计，是目前国内普遍 采用的丌发工具。在设计中，可以采用电路图输入描述，然后搭建外围存储电路， 实现数字复接任务。 由于需要比较大的存储容量，而a l t e r a 公司的内部存储尽管已经做的比较大， 但仍是非常有限，所以采用外挂存储器形式。 4 2 复接电路中外围存储的选择 首先，经过f f t 分路来的3 2 路串行数据要进行数字复接，而且在每一个时隙 里边要放入多个同路信号，那么就必须进行缓冲存储。很多复接都是利用到了f i f o 器件来做复接任务，然而对于f d m c w t d m 来说，利用f i f o 来说，是不可取的。 利用f i f o 来说，3 2 路就需要3 2 个f i f o 。而且要进行同步精度控制，那么就必须 进行数据的重读。因此，就必须再要3 2 个f i f o ，那么i 路和q 路两路信号共需要 12 8 个f i f o ，实现起来非常复杂，因此，如何采用存储器是一个非常巧妙的过程， 利用双端口异步存储器就完全解决了这个问题。双端口异步存储器有两个地址端口 和两个数据端口和两个时钟输入口，这样就可以构成作为输入数据的存地址和存数 据，以及作为输出数据的读地址和读数据。因为要进行数据的叠接，那么两路之间 就要有数据的同时读取，经过分析，利用两个存储器来进行叠接，就非常有效，下 面会专门谈到这种技术。把3 2 路分为奇路和偶路，这样，两路之间通过对读写地 址的控制，就可完全实现f d m c w t d m 的复接任务。而且i ，q 两路之间一共需 要4 个d p r a m ，这样极大的简化了外围电路，而且对外围电路的地址控制完全可 以放到f p g a 内部来做，另外帧头电路也放到f p g a 内部，就可以实现复接功能。 4 3 奇偶路存取管理算法 为了适合f d m c w t d m 带限时分复接的任务，必须有一套合理的硬件设计方 案。于是基于其复接特点，提出了奇偶路存取管理算法 m l 。 在连续波时分复用技术中，存取管理直接影响到系统所需缓冲的大小，以及系 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室 箜四童整鐾亟! ! = ! 坌复壁塞塑 望 统实现所需的复杂程度，从而也就决定了硬件设计的难易程度。存取管理的任务是 实现每路的存入嚣 读取出及实现n 路之间的叠接。传统的数字复接技术! l ”很建适 应连续波数字复接的要求，因为连续波数字复接要求多个样点数据的子帧复接，而 上土在复接当中还包括子帧的叠接，这就使得以比特或字复接为单位的复接方案的硬 件设计 艮难适合要求，也导致利用前边我们分析的利用f i f o 来实现子帧复接的系 统设j 相当复杂，也难以实现。提出有效的存取管理算法是解决阅题的关键所在。 此夕 ，有时还要求存取管理设计适合于资源非常有限的情况，比如星上的数据交换 等场合f 地j ，因此也要求存驭管理算法根据不同的应用场合，能够幽最简单的系统实 现。 在日口边的连续波数字复接中已经介绍，多路信号经过a d 采样之后，经过f f t 分路处理，得到各路信号；同时用一个上底长为d 个样点，下底长为d + 2 d 个样 点的梯形窗w ( n ) 每次滑动平移d c 个样点分别截取各路信号( c 为同步精度控制) ， 每路形成一系列子帧信号，每个子帧信号的样点数为( d + 2 d ) ，再取每一路同一时 相的子帧叠接相加，最后加上一个特别设计的帧头便构成复用帧，这里相邻孑帧叠 接d 个样点。 针对连续波数字复接的特点，制定了外围存储器再加f p g a 控制以实现连续波 数字复接的存取方案。为适合于这种存取管理方案，本文提出了奇偶路数据存取算 法，利用非常少的外围存储器件，以及小规模的f p g a 资源，采用巧妙的设计策略， 灵活地实现了连续波的数字复接。该方案可以使系统的规模大幅度缩小，而且也非 常适合于资源有限的场合。下面就从模型搭建角度来描述这种奇偶路存取技术，包 括具体的存取结构搭建、存取容量设计、存取算法设计、输入输出时钟设计。 一在存耿结构搭建上，采用两个双端口r a m 来实现数据的存储。这是因为 每路数据之同要进行叠接，这就需要蕊组数据进行同一对刻叠接的运算，由此必 须至少有两个端口的数据输出。同时也是为了不