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基于FPGA的智能誤碼測試儀
摘要：誤碼儀是評估信道性能的基本測量儀器。先從誤碼儀的基本框圖入手，介紹其中各個功能模塊的作用；之后著重討論誤碼儀中關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)方法；最后介紹誤碼儀的外圍附件和擴(kuò)展能力。在實(shí)際工作中，常常需要誤碼儀能測試多種信道。但是目前市面上所銷售的誤碼儀大多只能測試電信部門的標(biāo)準(zhǔn)通信信道，低速以一、二次群為主，高速可達(dá)ＳＤＨ信道速率；且價格昂貴、體積偏大，不能用于測試實(shí)際工作中大量存在的專用信道或自行架設(shè)的信道。這類信道多為水文監(jiān)測、氣象預(yù)報等特殊用途而設(shè)計(jì)，一般對傳輸系統(tǒng)的可靠性要求較高。
本文所介紹的智能誤碼儀在設(shè)計(jì)時特別考慮了這類信道的測試要求。它結(jié)合ＦＰＧＡ及單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行編程，可在較寬的速率范圍內(nèi)（１５０ｂｉｔ／ｓ～２．０４８Ｍｂｉｔ／ｓ）實(shí)現(xiàn)智能位同步和快速碼序列同步。用戶不僅可以從ＬＣＤ上了解信道的誤碼情況，還可以通過儀器與ＰＣ機(jī)連接，在個人電腦上看到某段時間內(nèi)的誤碼率折線圖和其它誤碼信息，并以此來了解系統(tǒng)的誤碼發(fā)生情況。為了便于在無人值守的情況下進(jìn)行誤碼測試，該誤碼儀內(nèi)置了大容量的Ｅ２ＰＲＯＭ，可以保存被測系統(tǒng)最后４０００次的誤碼事件（包括時間及誤碼率大小）。由于設(shè)計(jì)時采用了ＦＰＧＡ、單片機(jī)等大規(guī)模集成電路，該誤碼儀不僅體積小巧（采用貼片元件時僅香煙盒大小），而且成本低廉、功能強(qiáng)大，具有較高的實(shí)用價值和市場價值。
１ 誤碼儀總體框圖及誤碼測試原理
１．１ 誤碼儀整體結(jié)構(gòu)
圖１是該誤碼儀的整體設(shè)計(jì)框圖。
ｍ序列發(fā)生模塊的主要功能是根據(jù)用戶的速率要求產(chǎn)生測試序列——ｍ序列。實(shí)際設(shè)計(jì)時，采用ＣＣＩＴＴ建議的用于低速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備測試誤碼的ｍ序列，其特征多項(xiàng)式為Ｘ９＋Ｘ５＋１，周期為５１２。在外部附件的支持下，它還可以進(jìn)行多種碼型變換和調(diào)制解調(diào)。
位同步模塊的主要功能是從傳來的碼元中提取位同步信息——碼元時鐘?并將這一時鐘提供給本地序列同步模塊，以便在本地恢復(fù)出與測試序列同步的檢驗(yàn)序列。
序列比較模塊用于比較檢驗(yàn)序列與測試序列的一致性。通過比較就能知道經(jīng)過被測信道傳輸后測試序列中有多少碼元產(chǎn)生了錯誤，并以此評估被測信道的性能。由于ｍ序列是周期序列，所以測試序列與檢驗(yàn)序列的比較必須在周期的同一位置開始進(jìn)行（即同相）。這也是本地序列同步模塊的另一項(xiàng)重要功能。完成了序列比較后，
序列比較模塊將實(shí)時地把傳輸?shù)目偞a元數(shù)和誤碼數(shù)傳送給單片機(jī)。
單片機(jī)是整個誤碼儀的核心，它根據(jù)用戶的選擇控制各模塊的正常工作，并根據(jù)各模塊提供的狀態(tài)向用戶發(fā)出誤碼事件、狀態(tài)告警、故障提示等信息。在加電時對ＦＰＧＡ進(jìn)行配置也是單片機(jī)的一項(xiàng)重要任務(wù)。實(shí)際設(shè)計(jì)時選用了性價比極高的ＦＰＧＡ——Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＬＥＸ１０Ｋ１０。該器件的配置文件有１５Ｋ字節(jié)，因此選用了大容量的通用單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５５。存儲器及時鐘為用戶查詢誤碼信息提供了方便，為了簡化電路設(shè)計(jì)，選用了Ｉ２Ｃ總線方式的Ｅ２ＰＲＯＭ（２４ＬＣ１２８）和專用時鐘芯片（ＰＣＦ８５６３）。
１．２ 主要模塊特點(diǎn)
在設(shè)計(jì)該誤碼儀時，根據(jù)ＦＰＧＡ的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行編程，采用了獨(dú)特的算法，使該誤碼儀中位同步模塊和本地序列同步模塊具有較強(qiáng)的智能處理能力。
位同步模塊可自適應(yīng)地提取并跟蹤位同步時鐘。由于誤碼儀需要對多種非標(biāo)準(zhǔn)信道進(jìn)行測試，因此它必須能在較寬的速率范圍內(nèi)工作。在位同步模塊中采用了新型數(shù)字鎖相算法，使該誤碼儀能在不知道發(fā)端發(fā)送速率的情況下對信號進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的位同步處理。在單片機(jī)的配合下，還可向用戶提供無信號提示、失步告警等多種信息。
本地序列同步模塊可實(shí)現(xiàn)快速序列同步。完成位同步后，誤碼儀還需進(jìn)行序列同步。為了減少序列同步的時間，設(shè)計(jì)了快速序列同步算法，使誤碼儀能在不知道發(fā)送端ｍ序列發(fā)生器初始狀態(tài)的情況下進(jìn)行快速盲同步，并提供序列失步告警和序列失步后快速恢復(fù)功能。因此，該誤碼儀不僅可以用于對信道進(jìn)行閉環(huán)測試，而且還能方便地進(jìn)行開環(huán)測試。
１．３ 誤碼儀基本測試過程
ｍ序列發(fā)生模塊首先根據(jù)用戶的速率要求發(fā)送測試序列。該序列經(jīng)過被測信道傳輸后到達(dá)接收端，并送入位于ＦＰＧＡ內(nèi)的位同步模塊。位同步模塊恢復(fù)碼元時鐘成功后，會將這一時鐘送至其它模塊，并通知單片機(jī)位同步成功。其它模塊利用本地時鐘完成檢驗(yàn)序列恢復(fù)、同步及比較，并由此得到誤碼信息：誤碼數(shù)和總碼數(shù)。該信息實(shí)時傳送給單片機(jī)后，單片機(jī)每隔１秒進(jìn)行一次誤碼率的計(jì)算，并將具體日期、時間和誤碼率大小顯示在ＬＣＤ上。如果誤碼率大于０則認(rèn)為發(fā)生了一次誤碼事件，單片機(jī)會將此事件發(fā)生的時間和誤碼率的大小記錄在儲存器內(nèi)，并通過ＲＳ２３２串口上傳至ＰＣ機(jī)。
２ 核心部分設(shè)計(jì)
ＦＰＧＡ中的位同步模塊和序列同步模塊是實(shí)現(xiàn)誤碼儀的關(guān)鍵。這兩個模塊設(shè)計(jì)得好壞直接影響著誤碼儀的整體性能。同時，誤碼儀智能能力的實(shí)現(xiàn)也離不開單片機(jī)的有效工作。
２．１ 位同步模塊
實(shí)際應(yīng)用中，由于不同的被測信道采用不同的技術(shù)，因此其傳輸方式、傳輸速率、復(fù)雜程度都各不相同。這就要求誤碼儀中的位同步模塊具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。一般常見的同步方法如插入導(dǎo)頻法、濾波法等都無法滿足信道多變的要求?５?。為此，根據(jù)數(shù)字鎖相環(huán)的基本原理并結(jié)合ＦＰＧＡ的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了一種自適應(yīng)的智能鎖相算法，該算法可使誤碼儀在較寬的速率范圍內(nèi)對信號時鐘進(jìn)行智能提取和跟蹤，具有較高的實(shí)用價值。
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