在滿(mǎn)足性能需求的情況下消耗較少的邏輯資源

關(guān)鍵詞：  PPM  FPGA    

摘要：給出了脈沖位置調(diào)制(PPM)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并基于FPGA通過(guò)簡(jiǎn)明的Verilog代碼實(shí)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，時(shí)序仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足PPM系統(tǒng)的要求，并在滿(mǎn)足一定性能需求的情況下消耗了較少的邏輯資源。

關(guān)鍵詞：PPM;FPGA;Verilog HDL;時(shí)序仿真

引言

作為一種新型的通信技術(shù)，脈沖位置調(diào)制(PPM)系統(tǒng)依靠其編碼簡(jiǎn)單、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于超寬帶移動(dòng)通信、光通信、機(jī)載設(shè)備的空地?cái)?shù)據(jù)鏈等諸多領(lǐng)域，同時(shí)PPM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的性能影響很大。

本文主要介紹了在QuartusII集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，充分發(fā)揮數(shù)字設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)[1]，利用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)PPM系統(tǒng)，并通過(guò)時(shí)序仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

PPM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PPM是利用脈沖的相對(duì)位置來(lái)傳遞信息的一種調(diào)制方式，其基本原理就是將碼元信息表示在一個(gè)幀時(shí)間段內(nèi)的某個(gè)時(shí)隙上，若一個(gè)碼元由n比特組成，該幀時(shí)間段含M個(gè)長(zhǎng)度為t的時(shí)隙，則2^n=M。將n比特位編碼后對(duì)應(yīng)成某個(gè)時(shí)隙上的脈沖來(lái)傳輸該碼元信息，而該幀時(shí)間段內(nèi)的其他時(shí)隙上則無(wú)脈沖，從而產(chǎn)生PPM信號(hào)。通常幀時(shí)間段還包含一個(gè)保護(hù)時(shí)間間隔Tp ，則系統(tǒng)的比特率為n/(M×t+Tp)。圖1即為一幀16-PPM信號(hào)示意圖，其中的脈沖則表示了當(dāng)前碼元(0111)所對(duì)應(yīng)的時(shí)隙。

PPM系統(tǒng)的主要原理相對(duì)簡(jiǎn)單，所以可將重點(diǎn)放在代碼編寫(xiě)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面。設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是各個(gè)模塊之間的接口設(shè)計(jì)，競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的避免等。

為透徹理解PPM系統(tǒng)原理及其本質(zhì)，簡(jiǎn)化PPM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，故在本文所設(shè)計(jì)的PPM系統(tǒng)中暫不考慮保護(hù)時(shí)間間隔Tp，同時(shí)取M=4，即設(shè)計(jì)一個(gè)4-PPM系統(tǒng)，以便于通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)性能。


調(diào)制系統(tǒng)

通過(guò)上述原理介紹，可知PPM信號(hào)的調(diào)制實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)輸出脈沖的過(guò)程[2]，對(duì)時(shí)隙信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)它跟調(diào)制數(shù)據(jù)相等時(shí)就在相應(yīng)的時(shí)隙輸出高電平“1”，其他時(shí)隙均輸出低電平“0”。

圖2是PPM調(diào)制系統(tǒng)的框圖，主要由串/并轉(zhuǎn)換、4分頻器、比較器、窄脈沖形成器、整形輸出等5個(gè)模塊。其中，串/并轉(zhuǎn)換模塊主要完成對(duì)輸入比特流的二進(jìn)制編碼 [3];4分頻器用于生成幀時(shí)間段內(nèi)的4個(gè)時(shí)隙;比較器完成對(duì)上述兩模塊輸出的高低對(duì)應(yīng)位的匹配比較;窄脈沖形成器用于對(duì)比較器的輸出做成型濾波，限制PPM脈沖的帶寬，從而減小該P(yáng)PM脈沖對(duì)相鄰頻帶內(nèi)信號(hào)造成的干擾;整形電路僅用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，主要功能是鎖存PPM窄脈沖，與時(shí)鐘同步，從而避免競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象[3~4]。

解調(diào)系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)PPM解調(diào)系統(tǒng)時(shí)，考慮到PPM信號(hào)的產(chǎn)生原理，不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入比特流為連續(xù)的“1”串或連續(xù)的“0”串時(shí)，PPM信號(hào)脈沖的間隔保持恒定，為4個(gè)時(shí)鐘周期。而只有在輸入比特流從“1”變?yōu)?ldquo;0”或者從“0”變?yōu)?ldquo;1”時(shí)，PPM信號(hào)脈沖的間隔才會(huì)發(fā)生變化[5]。所以可根據(jù)接收到的PPM信號(hào)脈沖間隔的不同來(lái)完成解調(diào)，判斷原輸入比特是“1”還是“0”。

根據(jù)上述解調(diào)模型，可設(shè)計(jì)PPM解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要由時(shí)鐘提取電路、脈沖位置檢測(cè)電路、譯碼器、整形輸出等模塊構(gòu)成。其中，時(shí)鐘提取電路包括時(shí)隙同步[6]、幀同步和字同步 [7]等，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在本設(shè)計(jì)中省略了時(shí)鐘提取模塊。脈沖位置檢測(cè)電路主要包括最短脈沖位置檢測(cè)、最長(zhǎng)脈沖位置檢測(cè)。值得注意的是，在檢測(cè)最短脈沖位置時(shí)，需要移位兩個(gè)時(shí)鐘周期后再和原PPM信號(hào)相與才能判別出其位置，這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)從“1”變?yōu)?ldquo;0”的過(guò)渡階段，表示“1”的PPM信號(hào)前沿和表示“0”的PPM信號(hào)前沿間距為2個(gè)時(shí)鐘周期。同樣，整形輸出模塊也是依靠觸發(fā)器來(lái)鎖存數(shù)據(jù)，完成整形。
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PPM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及時(shí)序仿真

Verilog編碼及原理圖

根據(jù)上述PPM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，基于FPGA的硬線邏輯特性，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行Verilog編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在頂層利用原理圖輸入的方式完成整機(jī)互聯(lián)。而其中又以窄脈沖成型、為防止信號(hào)出現(xiàn)毛刺所作的整形電路、脈沖位置檢測(cè)電路等為相對(duì)重要的模塊。

調(diào)制系統(tǒng)的頂層原理圖如圖4所示。

其中窄脈沖成型模塊性能的好壞影響著PPM脈沖對(duì)鄰近信道的干擾情況，在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)可用觸發(fā)器與附加邏輯來(lái)做脈沖成型濾波，較為簡(jiǎn)潔，其源代碼如下：

/*to generate the narrow pulse*/

module pulsegen (clk,din,dout) ;

input clk,din;

output dout;

reg temp;

assign dout=(~temp)& din;

always @ (posedge clk)

begin

temp<=din;

end

endmodule

解調(diào)系統(tǒng)的頂層原理圖如圖5所示，最長(zhǎng)脈沖位置檢測(cè)模塊和最短脈沖位置檢測(cè)模塊統(tǒng)一由時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)，起到了良好的同步作用。

其中最短脈沖位置檢測(cè)模塊相對(duì)更為重要，需要精確地移位兩個(gè)時(shí)鐘周期，可用串行移位寄存器實(shí)現(xiàn)，其源代碼如下：
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/*to detect the position of the

shortest pulse*/

module shortest_pulse_det

(clk,ppm_in,dout) ;

input clk,ppm_in;

output dout;

reg dout;

reg temp1,temp2,temp4;

wire temp3;

always @ (posedge clk)

begin

temp1<=ppm_in;

temp2<=temp1;

end

assign temp3=temp2&ppm_in;

always @ (posedge clk)

begin

temp4<=temp3;

dout<=temp4;

end

endmodule

時(shí)序仿真

對(duì)上述調(diào)制與解調(diào)模塊的頂層原理圖互聯(lián)后，在QuartusII平臺(tái)下選擇了Cyclone系列芯片EP1C3T100C6，運(yùn)行時(shí)序仿真后得到整機(jī)系統(tǒng)的時(shí)序仿真圖如圖6所示。

通過(guò)圖6，可以發(fā)現(xiàn)該P(yáng)PM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)部分均滿(mǎn)足要求，有著較好的性能。其中輸出比特流(dout)相對(duì)于輸入比特流(datain)有一定的延遲，這個(gè)延遲來(lái)源于兩個(gè)方面，一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的整形模塊等所引入的延遲，二是布局布線后器件及連線的固有延遲。同時(shí)通過(guò)查看綜合報(bào)告，得知整機(jī)系統(tǒng)總共使用了14個(gè)LE，對(duì)邏輯資源的消耗較少。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于FPGA的PPM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在用簡(jiǎn)明的Verilog HDL代碼實(shí)現(xiàn)后，對(duì)FPGA的邏輯資源消耗較少，而且電路性能較好，時(shí)序仿真結(jié)果證明了上述結(jié)論。對(duì)實(shí)際通信中PPM系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。在民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備S模式應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)的傳輸過(guò)程中，采用的正是PPM體制，筆者將參考本文的設(shè)計(jì)方案，并做適當(dāng)?shù)男薷?，?yàn)證其是否可用于S模式應(yīng)答機(jī)的空地?cái)?shù)據(jù)鏈中。