《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高速漢明距發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

2008-09-08
作者:?jiǎn)螌毺? 王 華

  摘? 要: 通過(guò)對(duì)同步系統(tǒng)中漢明距發(fā)生器的關(guān)鍵部分——累加器" title="累加器">累加器實(shí)現(xiàn)方法的對(duì)比論證,給出了一種節(jié)省資源、魯棒性強(qiáng)的高速漢明距發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案;通過(guò)FPGA進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真;給出了該漢明距發(fā)生器在同步系統(tǒng)中的應(yīng)用方法;最終將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于一種高速衛(wèi)星幀同步" title="幀同步">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" 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title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)" title="幀同步系統(tǒng)">幀同步系統(tǒng)中。

  關(guān)鍵詞: 幀同步? 漢明距發(fā)生器? 華萊" title="華萊">華萊士樹? 全流水

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  在信道編碼中,把兩個(gè)碼組中對(duì)應(yīng)碼位上具有不同二進(jìn)制碼元的位數(shù)定義為兩個(gè)碼組的距離,稱為漢明(Hamming)距,簡(jiǎn)稱碼距。漢明距是信道編碼的一個(gè)重要參數(shù),它不僅可以衡量一種編碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力,而且可以用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)碼字的相似程度。幀同步是數(shù)字通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)同步的基本思想就是計(jì)算從數(shù)據(jù)流中提取出的碼字與本地同步碼字的漢明距d,通過(guò)d衡量它們的相似程度,在d連續(xù)數(shù)次小于一定門限的前提下,即可判斷系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)。漢明距發(fā)生器的性能決定著整個(gè)幀同步系統(tǒng)的性能,特別是在數(shù)據(jù)速率很高的情況下,更成為限制同步系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的瓶頸。本文首先運(yùn)用文獻(xiàn)[2]中提出的一種最佳累加器實(shí)現(xiàn)方案通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)了32位高速漢明距發(fā)生器,針對(duì)其存在的占用資源多和速度不夠的缺陷,提出了一種新的高速漢明距發(fā)生器設(shè)計(jì)方案,通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn),用于幀同步系統(tǒng)中。

1 位擴(kuò)展華萊士樹算法設(shè)計(jì)的高速漢明距發(fā)生器的性能分析

  漢明距發(fā)生器的基本原理是把兩個(gè)碼字的對(duì)應(yīng)位進(jìn)行異或,然后統(tǒng)計(jì)異或結(jié)果中1的個(gè)數(shù)。異或在FPGA中很容易實(shí)現(xiàn),在此不做討論。對(duì)于累加器,有多種實(shí)現(xiàn)方式,在文獻(xiàn)[2]中給出了三種實(shí)現(xiàn)方案:超前進(jìn)位加法器方案、級(jí)聯(lián)型全加法方案和進(jìn)位保留加法陣列方案。對(duì)三種方案的性能及所耗的資源進(jìn)行分析、論證,得出進(jìn)位保留加法陣列方案與其它兩種方案相比,速度快且占用資源少。該方案用位擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)華萊士樹加法運(yùn)算。華萊士樹是乘法器中部分積化簡(jiǎn)的一種樹型結(jié)構(gòu),詳見文獻(xiàn)[3]。為實(shí)現(xiàn)實(shí)際所需的32位高速漢明距發(fā)生器,在此先對(duì)位擴(kuò)展華萊士樹算法進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析說(shuō)明,再對(duì)其進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)仿真。

  設(shè)一個(gè)1位的全加器有三個(gè)輸入 A、B、Ci和兩個(gè)輸出S、Co。其中A和B是加數(shù)與被加數(shù),Ci是輸入進(jìn)位,S是和,Co是輸出進(jìn)位。三個(gè)輸入對(duì)兩個(gè)輸出而言是對(duì)稱的,即使它們互相交換位置結(jié)果也不會(huì)受影響。如果把一串全加器簡(jiǎn)單排成一行,它們之間的進(jìn)位線不連接,則這一串全加器稱為進(jìn)位保留全加器。它具有如下特性:三個(gè)輸入數(shù)之和等于兩個(gè)輸出數(shù)之和,即三個(gè)相加數(shù)每通過(guò)一次進(jìn)位保留加法器,其個(gè)數(shù)就變?yōu)樵瓉?lái)的2/3。利用該特點(diǎn),對(duì)于所有相加數(shù),在第一級(jí)將這些相加數(shù)分成3個(gè)一組,每組進(jìn)入一個(gè)進(jìn)位保留加法器,產(chǎn)生的和與進(jìn)位數(shù)為原來(lái)的2/3,但是產(chǎn)生的和位數(shù)有所擴(kuò)展,輸入輸出線旁所標(biāo)的數(shù)字代表了擴(kuò)展位數(shù)。在第二級(jí)再將上一級(jí)的輸出分為3個(gè)一組,分別相加,依此類推,直到最后形成兩個(gè)操作數(shù),即累加和與累加進(jìn)位。再將二者用超前進(jìn)位相加器相加即可得所求結(jié)果。圖1是八個(gè)1位加數(shù)的位擴(kuò)展?jié)h明距發(fā)生器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。

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  實(shí)際設(shè)計(jì)中用位擴(kuò)展相加法設(shè)計(jì)的32位漢明距發(fā)生器用了89個(gè)全加器,8級(jí)華萊士樹,一個(gè)8位超前進(jìn)位加法器。如果實(shí)現(xiàn)全流水(為了適應(yīng)高速數(shù)據(jù),提高同步系統(tǒng)適應(yīng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘的可能不規(guī)則或不均等性,將所有的全加器都放在移位寄存器之間的設(shè)計(jì),在此稱為全流水。將系統(tǒng)適應(yīng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘的可能不規(guī)則或不均等性的能力,在此稱為系統(tǒng)的魯棒性)。要用212個(gè)移位寄存器??梢?運(yùn)用該算法設(shè)計(jì)的高速漢明距發(fā)生器占用資源很多。而在FPGA設(shè)計(jì)中,資源有限又寶貴。

  在沒有加入流水的情況下,用位擴(kuò)展華萊士樹算法對(duì)32位漢明距發(fā)生器累加器進(jìn)行了FPGA設(shè)計(jì)仿真,通過(guò)Altera器件EPF10K30RC240-3實(shí)現(xiàn)了32位同步字的漢明距計(jì)算。仿真結(jié)果如圖2所示。

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  用位擴(kuò)展華萊士樹算法設(shè)計(jì)的32位漢明距發(fā)生器累加器仿真延時(shí)矩陣部分典型數(shù)據(jù)如表1所示。

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  矩陣左端一列是輸入(Source),第一行是輸出(Destination),中間部分是延時(shí)τdelay,有斜線的表示存在最大延時(shí)τmax_delay和最小延時(shí)τmix_delay,斜線前是最小延時(shí)τmin_delay,斜線后是最大延時(shí)τmax_delay。同步系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)幀同步,系統(tǒng)必須能夠適時(shí)地得到漢明距d。這要求漢明距發(fā)生器的所有輸入輸出最大延時(shí)不能超過(guò)流過(guò)數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘周期Tclk的一半,即。圖2中τmax_delay約為37ns,因此,Tclk≥2×37=74ns。最高數(shù)據(jù)速率為。在實(shí)際的幀同步系統(tǒng)中,要對(duì)48.568Mbps高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行幀同步,該漢明距發(fā)生器遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。

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  通過(guò)以上分析和實(shí)際設(shè)計(jì)仿真可知,位擴(kuò)展華萊士樹算法設(shè)計(jì)的高速漢明距發(fā)生器有兩個(gè)問(wèn)題:一是浪費(fèi)資源;二是速度不夠。為了滿足實(shí)際需求,必須在這兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2 位權(quán)值" title="權(quán)值">權(quán)值華萊士樹算法設(shè)計(jì)的高速漢明距發(fā)生器

  實(shí)際設(shè)計(jì)中,對(duì)于資源浪費(fèi)問(wèn)題,采用一種位權(quán)值的辦法取代位擴(kuò)展,不僅減少了輸入輸出引腳數(shù),同時(shí)減少了全加器的個(gè)數(shù)和華萊士樹的級(jí)數(shù)。位權(quán)值相加是指將全加器的輸入輸出按權(quán)值的異同分類相加,而不進(jìn)行位擴(kuò)展。圖3是位權(quán)值相加法設(shè)計(jì)的8位漢明距發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理圖。輸入輸出線旁所標(biāo)是該數(shù)據(jù)線的單位。與圖1相比較,圖3所用全加器的個(gè)數(shù)少一個(gè),輸入輸出線數(shù)少24條,華萊士樹級(jí)數(shù)少一級(jí)。位擴(kuò)展相加法與位權(quán)值相加法設(shè)計(jì)的8位漢明距發(fā)生器占用資源情況如表2所示。如果設(shè)計(jì)32位漢明距發(fā)生器,兩種實(shí)現(xiàn)方案占用資源情況如表3所示。

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  通過(guò)以上分析以及表2和表3中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知,位權(quán)值相加法所占用的資源明顯少于位擴(kuò)展相加法。同時(shí)由于前者的華萊士樹級(jí)數(shù)低,處理延時(shí)要小于后者的處理延時(shí)。但要為48.568Mbps的數(shù)據(jù)流甚至更高速數(shù)據(jù)流提供幀同步所需的適時(shí)漢明距,同時(shí)提高系統(tǒng)的魯棒性。實(shí)際實(shí)現(xiàn)中加入了全流水,使得所有的加法器都在兩個(gè)流水寄存器之間。

  在仿真中,假設(shè)數(shù)據(jù)速率為50Mbps,時(shí)鐘周期為20ns,將漢明距發(fā)生器加入了7級(jí)流水寄存器,漢明距發(fā)生器在時(shí)鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù),經(jīng)全加器計(jì)算后傳到下一級(jí)流水寄存器的輸入端,在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿將結(jié)果下傳,經(jīng)過(guò)6個(gè)時(shí)鐘周期后,在第7個(gè)時(shí)鐘上升沿將結(jié)果給出(圖4中大約150ns豎線處所示。仿真結(jié)果對(duì)準(zhǔn)了第8個(gè)時(shí)鐘的下降沿,這是由于FPGA仿真程序輸入輸出管腳延時(shí)的緣故)。加入流水的位權(quán)值法設(shè)計(jì)的漢明距累加器基于時(shí)鐘周期為20ns的仿真波形如圖4所示。

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  通過(guò)FPGA仿真工具Timing Analyzer對(duì)位權(quán)值法設(shè)計(jì)的32位高速漢明距發(fā)生器的累加器進(jìn)行了速度及關(guān)鍵路徑延時(shí)測(cè)試。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的漢明距累加器關(guān)鍵路徑延時(shí)小于8ns,可以工作的最高數(shù)據(jù)速率為125Mbps,完全滿足實(shí)際系統(tǒng)的高速幀同步設(shè)計(jì)要求。

3 位權(quán)值相加法設(shè)計(jì)的高速漢明距發(fā)生器的應(yīng)用

  設(shè)計(jì)高速漢明距發(fā)生器的目的是為數(shù)字通信幀同步系統(tǒng)提供適時(shí)的漢明距,為同步系統(tǒng)提供同步基準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)在實(shí)際幀同步系統(tǒng)中應(yīng)用的基本原理如圖5所示。圖5中串行數(shù)據(jù)移入移位寄存器,在數(shù)據(jù)流的相應(yīng)位置提取32位的數(shù)據(jù)信息,與本地同步字相異或,結(jié)果送入32位高速流水累加器;累加器送出6位漢明距,控制系統(tǒng)根據(jù)漢明距的值來(lái)判斷系統(tǒng)狀態(tài),若滿足幀同步條件,同步狀態(tài)控制系統(tǒng)給出同步控制信號(hào)和同步狀態(tài)信息,系統(tǒng)進(jìn)入同步態(tài),接收系統(tǒng)可以接收下一幀數(shù)據(jù)。對(duì)于系統(tǒng)同步狀態(tài)與非同步狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,同步系統(tǒng)理論有詳盡說(shuō)明,在此不做進(jìn)一步解釋。

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  為了滿足實(shí)際幀同步系統(tǒng)中對(duì)高速漢明距發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求,本文首先運(yùn)用位擴(kuò)展華萊士樹算法進(jìn)行了高速漢明距發(fā)生器累加器的分析、設(shè)計(jì)與仿真,對(duì)其占用資源多、速度低兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。運(yùn)用位權(quán)值相加法取代了位擴(kuò)展相加法,解決了占用資源多的問(wèn)題;運(yùn)用全流水的方法解決了速度不夠的問(wèn)題并給出了該漢明距發(fā)生器在實(shí)際數(shù)字通信幀同步系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明,位權(quán)值法設(shè)計(jì)的全流水高速漢明距發(fā)生器完全滿足實(shí)際同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,而且節(jié)省資源、魯棒性強(qiáng)、可移植性好。

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