一种基于FPGA的8B_10B编解码电路的设计与实现

1、2010年 9月第 15卷 第 5期西 安 邮 电 学 院 学 报JO U RNAL OF XI . A N U N IV ERSIT Y OF POST S A ND T EL ECOM M U NI CAT ION S Sept. 2010Vol 115N o 15 收稿日期 :2010-05-23作者简介 :武小强 (1983- , 男 , 陕西铜川人 , 西安邮电学院电子工程学院硕士研究生 ;田小平 (1963- , 男 , 陕西渭南人 , 西安邮电学院电子工程学院教授。一种基于 FPGA 的 8B/10B 编解码电路的设计与实现武小强 , 田小平(西安邮电学院 电子工程学 院 , 陕

2、西 西安 710121摘要 :为提高 8B/10B 编解码电路的速度和实现低资源消耗 , 根据 8B/10B 编解码真值表的内在相关性和编码特点 , 采用 降低查找表个数的方法 , 给出一种基于查找表的 8B/10B 编解码 电路设计方案 。 实验仿真和数据分 析显示 , 新 方案较现有方案速度更高 , 资源消耗更低 。 关键词 :8B/10B; FP GA; 直流平 衡 ; 查找表 ; 不平衡度中图分类号 :T N 76 文献标识码 :A 文章编号 :1007-3264(2010 05-0027-030 引言由于 8B/10B 编码技术具有很好的直流平衡特 性 , 以及其的抗干扰能力和一定的

3、检错能力 , 使其广 泛成为现在光纤通讯的主流技术之一。 8B/10B 编 解码是一种基于高速串行收发器机制的编码方式 , 所以在很大的程度上降低了误差 , 具有误码率低的 特点。同时由于其真值表内在的特点 , 可以在一定 的程度上进行检错 , 降低了误差的可能性。本文根 据其真值表的内在关联性和特点 , 与现有的几种编解码方案进行分析 2-6, 提出了 一种新基于查 找表 的 8B/10B 编解码电路 , 该方案具有资源占用少、 速 度快、 可靠性高和可移植性等特点。1 8B/10B 编解码的基本原理8B/10B 编解 码 是由 A. X. Widmer 和 P. A. Franasze 于

4、 1983提出的一种新的编码思想 , 现广泛 应用于高速串行光纤传输系统。其基本原理是在发 送端将所要发送的 8比特数据预先根据特定的映射 关系映射成 10比特数据 , 这就是所谓的编码部分。 然后高速串行发送出去7。在接收端 , 高速串行接收到 10比特数据 8, 9, 进行串并转换 , 在根据特定的映射关系映射成 8比特数据。能够看出 8B/10B是一种信道编码。其编解码原理如图 1。图 1 8B/10B 编解码原理图2 8B/10B 编码2. 1 编码原理8B/10B编码 主要 思想 是 将 8比 特数 据 分成 3B/4B 和 5B/6B 两个编 码来实现的。其中 3B/4B 编码模块

5、是将 8比特数据中的高三位按照其编码规 则映射成 10比特数据中的低 4位 ; 5B/6B 编码模块 是将 8比特数据中的低 5位按照其编码规则映射成 10比特数据中的高 6位 . 在得到 10位码时 , 在将并 行数据转换成串行数据高速的发送出去。其原理如 图 2所示。由于 8B/10B 编码的内在 特性 , 保 证输出码流 的 DC(直流 平衡 , 采用不平衡度 (RD 来实现输出 码流的直流平衡。规则如下 :当码字中 -0. 的个数比 -1. 个数多时 , 则 RD 为 -0. , 呈现负极性 ; 当码字中 -1. 的个数比 -0. 个数多时 , 则 RD 为 -1. , 呈现正极性 ;

6、 输出结果有三种形态 :第一种是 5个 -0. 和 5个 -1. ; 第二种是 4个 -0. 和 6个 -1. ; 第三种是 6个 -0. 和 4个 -1. ; 输出码流会根据 RD 的状态来做相应调 整 , 从而实现直流平衡 , 提高对码流的检错能力。图 2 8B/10B 编码原理图2. 2 编码电路的设计从 8B/10B 编解码 真值表中可以 看出 , 不 管是 3B/4B, 还是 5B/6B 编码 , 其生成码字有些是含有反 码的 , 有些是不含有反码的。即含有反码的其编码 有两种情况存在 , 不含反码的其编码只有一种情况 存在。针对 8B/10B 编码真值表 的特点 , 其 5B/6B

7、 编码共有 32中可能 (编码数据从 00000到 11111 , 其 3B/4B 编码共有 8种可 能 (编码数 据从 000到 111 不含有反码的码字体现出了明显的对称性 :表 现为 RAMi=RAM 31-iRAM31-i(即与自 身相 异或 . 如 00011数据的 编码为 110001, 数 据 11100的 编 码为 001110, 为 110001的 反 码。 (以 5B/6B 为例 i=3, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ; 而对于 含有反码码字体现了明显的码字互移对称性 , 只需 要将其中的两位数位互移 , 就能得到与其相对的码 字。就 拿 正 极

8、 性 码 字 来 说 , 表 现 为 RAM i=RAM . 31-i(其中 RAM . 31-i为 RAM 31-i其中两位互移后的码字 , (5B/6B 编码 i=0, 1, 2, 4, 7, 8, 15 , 如 数 据 00000的 编 码 为 100111和 011000, 数 据 11111的 编 码 为 101011和 010100。 这种情况同样也适用于 3B/4B 编码。所以这样采 用简单的组合电路就能大大降低查找表的存储单元 数量 , 降低资源的使用 , 编码电路如图 3 所示。图 3 8B/10B 编码电路结构RD 的控制 :在 8B/10B 编码中 , 对 RD 的 控制

9、 才是整个编码电路的核心部分。具体思想如下 :分别定义 RD3和 RD5为 3B/4B 和 5B/6B 的不 平衡度 , RD 为输出码流的不平衡 度 , RDprevious为前一码字 (10bit 的码流的不平衡度。首先通过 RD previous 来控制由编码产生的 RD3和 RD5, 在 由 RD3和 RD5来产生 RD, 最后将 RD 反馈给 RD prev ious 。 RD 控制如图 4 所示。图 4 RD 控制原理图图中 , RD P 代表先前 RD, RD3和 RD5分别为经过 3B/4B, 5B/6B 计算出当 前的 4B 码字和 6B 码字不平衡度 , RD 为当前生成新

10、的不平 衡度。 00代表字符 -0. 和 -1. 的个数相等 , 01代表字符 -0. 比 -1. 的个数少 2个 , 10代表字符 -0. 比 -1. 的个数多 2个 (在功能仿真和时序仿真中 , 不平衡度的定义 。 2. 3 普通数据编码仿真结果普通数据编码仿真结果如图 5所示。其中 clk 为总的时钟 , reset 为复位信号 , start 为编码电路差 分时钟 , data in 为待编码数据 , code 为生成码字数 据。其生成码字与 8B/10B 编解码真值表 一致 , 并 满足输出码流的直流平衡 , 即字符 -0. 和字符 -1. 的 个数差别不会超过 2 个。图 5 普通

11、数据编码仿真结果3 8B/10B 解码3. 1 8B/10B 解码原理解码同样是根据编解码真值表将接收到的数据 进行串并转换之后的 10比特数据映射成相应的 8比特数据 , 即信息的提取过程。与编码不同的是 , 解 码是一一对应的、 唯一的 , 而编码可能是一对一 , 也可能是多对一 , 所以解码 较编码就显得比 较简单。 但在数据传输过程中 , 可能由于某种原因的影响 , 会 使数据发生变化 , 所以要在解码电路中增加检错。#28#西 安 邮 电 学 院 学 报 2010年 9月3. 2 解码电路的设计解码同 样采用 5B/6B 和 3B/4B 分开 解码的。 由真值表看出 , 其解码真值表

12、具有严格的对称性。RAMi=RAM 31-iRAM31-i, (i=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1, 12, 13, 14, 15, 以 5B/6B 为例 。所以同样可以大大节省查找表个数的使用 , 利用简单的逻辑电路 , 降低资源的使用。具体思想 就是在接收端将接收到的数据在进行串并转换之后 的 10比特数据的高 6位根据编解码真值表映射成 8比特数据的低 5位 ; 低 4位数据根据编解码真值 表映射成 8比特数据的高 3位。由于信号在光纤通 道中进行传输会受到不同因素的影响 , 使得接受到 的数据有可能会发生变化 , 影响码流的一些特性 , 比 如说

13、打破了直流平衡特性 , 出现 5位连 0的或者连 1的情况 以及 非正常 码的情 况等。所要 根据 8B/10B 编解码的特性 , 判断出不属于编解码范畴之内 的码字 , 即出现了误码的情况。所以 , 在解码电路中 必须添加校验违规电路。 3. 3 解码电路的仿真结果图 6为普通数据解码仿真图。图中 , clk 为解码 电路总时钟 ; start 为解码电路差分时钟 , 是 clk 的 8分频 ; data in 为 10比特接 收数据 ; data out 为 8比特解码数据 ; err 为检 错信号 , 其中高 电平有效 ; reset 为复位信号。编码结果和编解码真值表一致。图 6 普通

14、数据解码仿真图4 仿真和综合数据分析通过对 8B/10B 编 解码数据的分 析 , 其编 解码 完全符合 8B/10B 编解码规则 , 并且满足输出码流 的直流平衡 , 具有一定的检错能力。利用 Modesim 和 Quartustw o 仿真软件对该编解码方案 进行了时序 仿 真 和 功 能 仿 真 , 并 将 其 并 在 FPGA 器 件 Stratix I I 系列上 EP2S15F484C3上实 现了编解 码 器的功能验证 , 结果正确。其综合结果如表 1。由表 1可以看出 , 其编解码资源使用情况均不 到总资源的 1%, 占有资源少 ; 同时编解码的最大时 ; 次其时延也是非常小的。

15、同其它编解码方案比较 , 如基于查找表法、 基于组合逻辑电路、 其在速度和资 源消耗均有所提高和下降。在锁相环技术成熟、 时 钟恢复比较好的情况下 , 又由于是高速串行的 , 所以 数据一般都能得到稳定的接收。综上所述 , 本编码 解码方案占用资源少、 可靠性高、 速度快、 误码率低 , 可以很好的适用于现在高速串行光纤通信系统中。表 1 Quartus -tw o St rat ixI I 系列上 EP2S15F 484C3芯片资源使用情况和时钟频率列表模块 编码 解码 资源使用 46/12, 48010/12, 480最大时钟403. 39M500. 00M5 结论基于 8B/10B 编解

16、码真值 表内在的关系 , 本文 设计了一种适 用于高速串行数据收发 器编解码电 路。此电路结构实现简单 , 资源消耗低 , 能够节省更 多的资源 , 运算量小 , 误码率低 , 满足输出码流的直 流平衡 , 能够很好的适用于高速串行通信系统 , 所以 对通信系统的发展有着一定的意义。参 考 文 献1 A. X. Widmer P. A. Fr anasze. A DC -Balanced, Part-itioned -Block, 8B/10B T ransmi ssion Code IBM Research and Development Journal, 1983, 23(5 :441-4

17、43. 2 赵文 虎 , 王 志 功 , 费 瑞霞 . 基于 逻 辑 设 计的 光 纤 通 信8B/10B 编解码方法研究 J.电路与系统学 报 , 2003, 8(2 :48-53.3 贺传峰 , 戴 居丰 , 毛 陆鸿 . 一种 新的 8B/10B 编 解码 硬件设计方法 J.高技术通讯 , 2005, 15(3 :48-52. 4 Fukuda S, Ko Jim a Y, Shim puku Y, etal8/10M odula -tion Co des for Digital M agnetic Recording. IEEE T r ans. M agn, 1986, M AG -

18、22(5 :1194-1196.5 许军 , 许西荣 . P CI -Ex press 中 8B/10B 编码解码器的 设计与实现 J.微电子学与计算机 , 2006, 23(3 :37-39. 6 ChanGoo L ee, Hyeong Ho Lee, Dae Young Kim, et al.A new line code for 10-Gigabit Et hernet:M B810C.U SA :N ew Orleans. 2000, 1774-1777.7 袁冰 , 来新泉 , 叶强 . 一种 高速串 行数据 发送芯 片的 设计 J.电路与系统学报 , 2003, 8(2 :48-

19、53.8 唐颖 , 阮文海 . 高速 数据采集系统控制电 路的设计 J.现代电子技术 , 2004, 27(19 :21-23.(下转第 52页 #29# 第 5期 武小强 , 等 :一种基于 FPGA 的 8B/10B 编解码电路的设计与实现On the properties of quantum state transfer via spin chainsSHANG Bo -x ing, CHEN Wen -xue(School of Science, Xi . an U niversity of Posts and T elecommunications, Xi . an 710121,

20、 ChinaAbstract:Based on the concept of average fidelity, properties of quantum state transfer through the three -spin chain w ith impurity spin are studied. T he computing results reveal that, the maximum average fidelity can be attained by implementing proper local quantum unitary operation to the spin held by the receiver, or by applying proper external magnetic field.Key words:average fidelity ; quantum state transfer; spin chain(上接第 29页 9 唱娟 , 王松林 , 来新泉 . 一种高速串 行数据接收 芯片的设计 J.微电子学与计算机 , 2006, 23(1 :184-187.10温龙 , 樊晓 桠 . 8B/10B 解 码器设计 J. 科学技 术与 工程 , 2007, 7(18 :4611-4616.A new me