（信号与信息处理专业论文）dvbs外码设计及asic实现.pdf

y 6 8 9 1 7 9 浙江大学硕士学位论文 摘要 数字高清晰度电视( d i g i t a l h d t v ) 是当今世界上最先进的图象压缩编码技术 和数字传输技术的结合， 是当今世界高技术竟争的焦点之一。 数字视频广播( d v b ) 是欧洲 1 7 0多个组织共同开发出的数字高清晰度电视标准，它主要由卫星广播 ( d v b - s ) 、地面广播( d v b - t ) 和有线电视( d v b - c ) 三部分组成。 本文着重阐述了 卫星广播传输系统中信道解码芯片的外码部分的基本原理及 其在专用集成电路芯片 a s 工 c上的具体实现。同时，结合实际介绍了保证芯片正 确性的一些基本方法，最后提出了 面向综合和测试的前端设计思想。 第一章首 先概 述了 数字电 视及 其发展， 接着重点介绍了d v b - s 有线电 视 传输 系统，并对专用集成电路( a s i c ) 设计技术作了概述。第二章介绍d v b - s 信道接收 芯片d v b - s 发送端的组成部分。 第三章简要介绍d v b - s 信道接收芯片接收端的组 成部分。第四章是本文的主要部分，开始分模块说明 对字节处理部分的研究: 数 据格式反变换、 解扰、 r s 译码、 去交织和同步头搜索。 第五章介绍对设计进行验 证。 第六章结合资料和自己的实际经验， 针对a s i c 芯片， 提出了面向综合和测试 的设计思想和技巧。 本文的主要贡献在于针对 d v b - s 芯片的特点，对外码部分模块进行了恰当的 规划、设计，并在原有的基础上的改进和具体的实现。另外，本文结合各种资料 和实际经验，放眼于一般的芯片设计， 提出了 一些面向综合和测试的设计方法和 技巧。 【 关键词】d v b - s信道接收a s i c外码 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d ig it a l h i g h d e fi n it io n t e l e v i s i o n ( d ig it a l h d t v ) , a s t h e th ir d e r a t e le v is io n s t a n d a r d , h a s b e c o m e t h e f o c u s o f c o n t e s t i n t h e c o u n t r i e s a l l o v e r t h e w o r l d . d v b i s t h e d i g it a l h d t v s t a n d a r d t h a t d e v e lo p e d b y m o r e t h a n 1 7 0 o r g a n i z a t i o n s in e u ro p e . i t m a i n ly c o m p r is e s s a t e l l it e ( d v b - s ) , te r r e s t r i a l ( d v b - t ) a n d c a b l e ( d v b - c ) d i g i t a l t e l e v i s i o n s y s t e m s . t h i s p 即e r i s a b o u t o u t e r c o d e u s e d i n d v b - s c h a n n e l r e c e iv e r s y s t e m a n d it s im p le m e n t a t i o n i n a s i c ( a p p l ic a t i o n s p e c i f ic i n t e g r a t e d c i r c u it ) . a ft e r t h a t , i t in t r o d u c e s s t r a t e g i e s o f d e s i g n in g f o r v e r i fi c a t io n d a t a r e v e r s e t r a n s f o r m e r , d e - r a n d o m i z e r , r s d e c o d e r , d e - i n t e r l e a v e r a n d s y n c h r o n i z a t i o n . t h e f i f t h c h a p t e r f o c u s e s o n t h e v e r i f i c a t i o n i n d e s ig n . t h e s ix t h c h a p t e r c o m b in e s r e f e r e n c e s a n d m y o w n e x p e r i e n c e , b r i n g s fo r w a r d s o m e s k i l l s o f d e s i g n f o r s y n t h e s i s . t h e m a i n c o n t r ib u t i o n s o f t h is p a p e r a r e p r o p o s i n g th e a lg o r it h m a n d im p l e m e n t a t io n o n a s i c o f o u t e r c o d e i n d v b - s a n d i m p ro v in g t h e m e t h o d in s o m e m o d u l e s , i t a l s o d i s c u s s e s t h e v e r i f i c a t i o n f o r d e s ig n a n d a s i c d e s i g n s k i l l s f o r s y n t h e s is a c c o r d in g t o p r a c t ic a l e x p e r ie n c e s k e y w o r d s d v b - s c h a n n e l r e c e iv e r a s i c o u t e r c o d e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高清晰度电视 ( h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n - - f id t v )是在模拟电视的基础 上， 为了达到高分辨率的图像质量性能而发展起来的。 数字时代带来了 先进的图 像压缩技术、 高性能的数字传输技术以及其它一系列高新处理技术， 这使高清晰 度电视的产生成为可能。 数字高清晰度电视使用数字信号传送远距离的图像， 是 数字化信息技术革命的产物。 它通过先进的图像压缩技术和数字化的信息传输方 式，提供更大的屏幕、电影质量的图像和 c d 质量的立体声音响。从节目 制作到 信息的接收和显示， 数字电视工作原理和模拟电 视都大相径庭。 同时， 数字电 视 又是计算机化了的电视， 与计算机技术融为一体， 数字化的处理、 传输、 接收和 显示信息。 数字电视终将淘汰模拟电视， 而进入数字化时代， 一场电 视革命的序 幕 就 此 拉 开 川 。 同时，随着电子技术的不断发展与进步， 尤其是近 1 0年来，计算机电路辅 助设计技术和半导体集成工艺技术的快速进步， 在生产的电子系统中， 专用集成 电路( a s i c : a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 和现场可编程门阵列 ( f p g a : f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y )的使用变得越来越多， 特别是 在先 进的电信设备、 计算机系统和网络设备中更是如此， 这不仅因为有不少实时的数 字信号处理芯片 ( d s p ) 是一般微处理机所无法替 代的，而且也因为市场对电 子 产品的 要求 越来 越高， 所以 设计a s 工 c 将领导电 路设 计的 新 潮流 代 木文主要针对欧洲卫星数字视频广播( d v b - s ) 方案并结合芯片设计的实际情 况，说明d v b 卫星信道接收系统中字节处理部分的原理和a s i c 实现方案。 1 . 1 数字高清晰度电视 多 1 . 1 . 1 概述 数字电视作为继黑白和彩色电视之后的第三代电视将成为世界经济新的增 长点， 许多发达国家纷纷进行研究并从本身利益出发提出了自己的标准体系， 各 个标准纷争的焦点主要集中在传输系统上， 我国现正奋力赶进， 力争在数字电视 行业中占有一 席之地。 信源( 发送端信道信宿( 接收端) 图1 . 1 . 1 数字电视系统的原理框图 数字电视 ( d t v , d i g i t a l t e l e v i s i o n ) 是指节目 摄制、 存储、 接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电 视系统。 编辑、发送、传输、 也可以说数字电视 浙江大学硕士学位论文 是在信源、 信道、 信宿三方面全面实现数字化和数字处理的电视系统， 其中电视 信号的采集 ( 摄取) 、编辑加工、播出发送 ( 发射) 属于数字电视的信源， 传输 和存储属于信道， 接收 端和显示器 属于 信宿 ( 如图1 . 1 . i 所示) x3 - 5 数字电 视采用了 超大规模集成电路、 计算机、软件、数字通信、 数字图像压 缩编解码、 数字伴音压缩编解码、 数字多路复用、 信道纠错编码、 各种信道的调 制解调以 及高清晰度显示器等技术，它是继黑白和彩色电视之后的第三代电视。 数字电视按其传输途径可分为三种: 数字卫星电 视、 数字有线电视和数字地面广 播电 视。 数字电视按其传输视频 ( 活动图像)比 特率的大小可粗略划分为二个等 级，即普及型数字电视 ( p d t v , p o p u l a r d i g i t a l t e l e v i s i o n ) .数字标准清晰 度电视 ( s d t v , s t a n d a r d d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 和数字高清晰度电视 ( h d t v , h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) f - 国际电信联盟( i t u ) 对高清晰度电视的定义是:高清晰度电视应是一个透明 系统， 一个正常视力的观众在距该系统显示屏高度的三倍距离时所看到的图像质 量应具有观看原始景物或表演时的相同感觉。 数字高清晰度电视( h d t v ) 是目 前 世界上发达国家积极开发应用的高新电 视技术， 它采用数字信号传输技术， 具有 比普通模拟电视信号传输更强的抗干扰性能， 图像的清晰度显著提高， 接收的宽 高比为1 6 : 9 ，配合多声道数字伴音，可达到3 5 m m 宽银幕电影的放映效果。 1 . 1 . 2 发展历程及三个显著特征 日 本在数字电视研究方面起步最早， 在1 9 8 5 年它就建立了1 1 2 5 线、 每秒6 0 帧的 m u s e ( m u l t i p l e s u b - n y q u i s t s a m p l i n g e n c o d i n g ，亚奈奎斯特多抽样编 码，一种高品质抽样编码方式)制式，并于 1 9 8 8 年率先在汉城奥运会进行了大 屏幕的h d t v 试播。次年， n h k 又开始了 进行面向h d t v 的广播演示。 但是，日 本 将更多精力放在了 模拟的h d t v 研究上， 并且由于先期投入太大， 短期难以转型 使得在数字的h d t v 领域中，被美国和欧洲赶上并超过。 1 9 8 6 年， 在日 本试图 将其h i - v i s i o n d 定为世界统一标准之际，欧洲被迫应 战，提出h d - m a c制式，但它也是采用模拟方式传输，因此欧洲现已停止了其研 究0 1 9 9 5 年， 欧洲1 5 0 个组织成立了 数字视频广播( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g , d v b )联盟，并开发成功 d v b 项目。 在 d v b 项目 中，d v b 联盟制定了 数字电视的 d v b 标准。 这是一套关于电 视广播系统诸多要素的统一标准， 给出了d v b 一揽子 解决方案。 由于与其它标准相比， d v b 标准灵活可扩充， 并具有移动通信的优势， 因此已 作为世界统一的标准被包括中国在内的大多数国家所接受。从 1 9 9 7 年以 来，以d v b 标准为基础的数字电视已经在全世界普及， 拥有了几百万用户， 给整 个电视行业带来深刻的影响。 美国的 h d t v研究起步最晚，但是他们在数字电视机方面的技术具有优势， 以及在 1 9 9 3 年成立的数字h d t v 大联盟 ( g r a n d a l l i a n c e , g a ) 使得美国在h d t v 的发展中也有非常重要的 地位。1 9 9 5 年2 月，g a 将自己的数字h d t v 制式定型， 由a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o n s y s t e m s c o m m i t t e e ， 高 级电 视 业务 顾问 委员 会) 制定了d t v ( d i g i t a l t e l e v i s i o n ， 数字电 视) 标准。由 于出 现时间晚，白 充分 吸取了本国各主要数字电视制式的优点，并且也参考了从日 本和欧洲的研究成 果，因此标准高，方法灵活。目前，已有加拿大、 韩国、墨西哥、阿根廷等国采 用了a t s c 的d t v 标准。在新加坡，官方所属的新加坡电视公司也己 经正式实验 美国规格的a t s c 浙江大学硕士学位论文 我国政府也十分重视发展高清晰 度电视的 研究开发。1 9 9 4 年1 1 月，国 务院 成立了h d t v 研究开发协调小组， 1 9 9 6 年国家利 委将高清晰度电视列为国家重大 科技产业工程项目，分别组织了高清晰度电视战略研究、高清晰度电视勺又 五 攻关、 高清晰度电视功能样机研制3 方面的研究， 并在全国公开招标。1 9 9 8 年9 月， 我国第 一 台完全自 主开发的高清晰度电视功能样机系统在北京试验成功， 为 我国发展数字高清晰度电 视奠定了坚实的基础， 也使得我国成为继美国、 欧洲和 日 本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。次年， 在5 0 周年国庆庆典期间，北京试播了 高清晰度电视。这次试播的数字电 视是我 国的第二代高清晰度电视， 在技术上有较大突破， 其性能已 达到国际水平， 并实 现了a t s c 和d v 3 的标准兼容。 数字电视的三个显著特征为: 先进的信源压缩编码技术 包括图像、声音、数据( m p e g 等) 口 先进的 数字传输/ 存储技术 ( 1 ) 纠错编码 外码采用r s 编码;内码采用卷积编码或网格编码。 ( 2 ) 数字传输采用的调制技术 地面广播用 8 v s 8 ( 8 一电 平残留边带) 或 c q f d m ( 编码正交频分复用; 还要结合采用q p s k 或1 6 / 3 2 / 6 4 q a m ) : 卫星广播用q p s k ( 四相键控) ; 而有线 电视用1 6 / 3 2 / 6 4 / 2 5 6 q a m ( 正交幅度调制) ; ( 3 ) 数字存储 采用c d ( 激光唱盘) 技术( v c d 用此技术) 和d v d ( 高密度数字激光视盘) 技 术。 先进的传送( t r a n s p o r t ) 技术 对数据结构、语法和语义作出通用的规定，便于各类信息的国际交流 ( m p e g ) 。 1 . 2 数字电 视的国际标准 1 9 4 8 年，按照数字通信的鼻祖 s h a n n o n 提出的理论，电视信号数字化的理 论与实践起步。1 9 8 0 年c c 工 r a 工 t u - r ) 制订了6 0 1 号建议草案:演播室电视信 号 数字化参数( 电 视系统的发送端: 信源) 。1 9 8 2 年德国i t t 研制出 一套us 工 ， 对模拟电视接收机中的电视基带信号进行数字处理( 电视系统的接收端:信宿) 。 1 9 8 8 年， c c i t t ( 现工 t u - r ) 制订了h . 2 6 1 建议草案:电视电 话/ 会议电视系统。 其中活动图像( 视频) 压缩编码m p e g 算法， 是“ 图像编码4 0 年经验的总结” 。 1 9 9 1 年和 1 9 9 3年，相继制订了与数字电视发展密切关联的 m p e g - 1建议草案( 工 s o 1 1 1 7 2 ) 和m p e g - 2 建议草案临 s o 1 3 8 1 印。 在此蓦础上， 美国、 欧洲和日 本先后制 订出各自 的数字电 视标准系列，分别是欧洲e t s 工 的d v b ( 日 本d i b e g的工 s d b - t 源于d v b ，不另作分类) 和美国先进电视委员会a t s c 的d t v . 1 . 2 . 1 d v b 标准， d v b 标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其 3 浙江大学硕士学位论文 周全的计划及广泛的共识是其成功的关键。从一开始，大家就选定 i s o / i e c m p e g - 2标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了 统一，随后对 m p e g - 2码流进行打包形成传输流( t s ) ,进行多个传输流复用，最后通过卫星、 有线电视及开路电 视等不同媒介传输方式进行传输。 。 v b 项目 的主要目 标是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和 系统，对它的要求是: 系统应能灵活传送m p e g - 2 视频，音频和其他数据信号。 系统使用统一的m p e g - 2 传送比特流复用。 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目 的细节等信息。 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附加纠 错方法 鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准， 推动建立世界范围的数字视频广播标准。 这一目 标得到了工 t u 卫星广播的支持。 支持数字系统中的图文电视系统。 主要的标准有三个: d v b - s . d v b - c 和d v b - t ， 分别用于卫星、电缆电视和地 面广播，己 得 到 e t s ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d ) 的批准。d v b - s 己被 i t u 推荐。d v b - s 的标准是e t s 3 0 0 4 2 1 , d v b - c 的标准是e t s 3 0 0 4 2 9 , d v s - t 的标准是e t s 3 0 0 夸 1 . 2 . 1 . 1 d v b 标淮卫星传输系统 d v b - s 数字卫星电视的传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点 而设计的。卫星系统是一个单载波系统，如果我们将所要传输的有用信息称为” 核” 。那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能 力，视频、音频以 及数据被放入固定长度打包的m p e g - 2 传输流中，然后进行信 道处理，在卫星系统中，信道处理过程包括: ( a ) 首先进行同步字节的倒相， 倒相字节的长度为每 8 个数据包进行一次同步 字节倒相。 ( b ) 然后进行数据的能量扩散，数据随机化，避免出 现长串的0 或 t o ( c ) 为每个数据包加上前向纠错的 r - s编码，也叫做外码。 r - s编码的加入 会使原始数据长度由 原来的1 8 8 字节增加到 2 0 4 字节。 ( d ) 进行数据交织。 ( e ) 加入卷积码纠错，也称内码，内 码的数量可以 根据信号的传输环境进行调 节。 ( f ) 最后对数据流进行 q p s k 调制。 见图 1 . 2 . 1 0 内 全 is z , * v , a - c 粼臀 的误码进行离散化， 然后加入 r - s 外纠错码保护， 天线尺寸以及码流率进行调节变化。举例来讲， 一个 3 6 m h z带宽的卫星转发器采用 3 1 4的卷积码可以达到的码流率是 3 9 m b / s , 这一码流率可以传送 5 - 6 路高质量电视信号. 浙江大学硕士学位论文 际降1 料调制 基带整形 曰曰圈曰 内码卷积 卷积交织 图1 . 1 . 2 d v b - s 传输系统 1 . 2 . 1 . 2 d v b 标准有线传输系统 d v b - c d v b - c 传输系统用于通过有线电视 (c c a t v )系统传送多路数字电视节目，它 可与卫星电视系统相适配。 d v b - c 传输系统基于前向纠错编码 f e c ) 技术和q a m 调制技术， 可保证传输业务的可靠性。随着技术的进步，d v b - c 系统可进一步发 展。d v b - c 系统设计的性能指标可保证在传输信道的误码率为1 0 的情况下，将 误码率降低到 l o - 0 - 1 0 - “ 的水平，即达到“ 准无失真”的水平。d v b - c传输系统 的具有如下几个主要特点: 可与多种节目 源相适配。 d v b - c 传输系统所传送的节 目 既可来源于从卫星系统接收下来的节目， 又可来源于本地电 视节目 ， 以 及其它 外来节目 信号。既可用于标准数字电 视又可用于 h d t v 。因为无论标准数字电视 还是h d t v 经压缩编码和复用后，都变成了二元比特流，只是比特率有所不同， 图1 .2 .2 d v b - c系统框图 对传输系统是没有区别的。凡符合 m a e g - 2 编码和复用标准的数字电视业务都可 进入系统框图如图1 . 2 . 2 ， 把基带电 视信号与有线信道特性进行匹配。 在有线前 浙江大学 硕士学位论文 端，可考虑下述基带电视信号源: 一卫星信号; 一 其他外来信号源; 一本地节目 源; 1 ,基带接口同步 该单元将数据结构与信号源格式匹 配。 帧结构应与包括同 步字节的 m p e g - 2 传送层一致。 2 , s y n c 1 变换和随 机化 该单元将依据m p e g - 2 帧结构转换 s y n c 1 字节，为了频谱成型，应对数据流 进行随机化。 3 , r s 码编码器 对每一个已随机化的传送包，该单元使用截短的( 2 0 4 , 1 8 8 ) r s 码编码，以产 生一个误码保护包，这种编码也应在同步字节本身使用。 4 ,卷积交织器 该单元应完成一个深度 工 = 1 2的误码保护包的卷积交织，同步字节的周期仍 不变。 5 、字节变换到二 比 特符号( m - - t u p l e ) 该单元将交织器产生的字节变换成 am 符号。 6 ,差分编码 为获旋转不变星座图， 该单元应对每符号两个最高有效位 ( m s b s ) 进行差分 编码。 7 、基带成型 该单元将经差分编码的m 比 特符号到t 和q 信号的映射， 在r a m 调制前， 对 工 和q 信号进行余弦滚降平方根滤波。 8 、q a m 调制和物理接口 该单元完成q a m 调制。之后，它将 q a m己调信号连接到有线电视射频 ( r f ) 信道。 9 、有线接收机 有线接收机完成信号逆处理。 是与m p e g - 2 的t s 包格式相匹配的 v b - c传输系统，因为传输系统的 信道帧格式 。 允许用户传送不同电视业务结构的节目， 其 中可包括多路不同的声音和数据业务， 数字载波上传输。 所有业务码流通过时分复用最终都在一路 1 . 2 . 1 . 3 d v b 标准地面传输系统 d v b - t 系统技术条件尚 在拟订之初，而 扩展试验时间预计今年末开始。 正如 其它 d v b 标准的情况一样， m p e g - 2 条件的其它部分为: 音频与视频编码为d v b 一 的基础，草案技术 浙江大学硕士学位论文 外部运行状态编码和外卷积交织编码与其它d v b 标准相同。 内 卷积编码和交织与d v b - s 相同。 调制/ 通道编码包含两部分: q p s k / q a m 和具有可选保护间隔的o f d m( 正交频 分多路传输) 该草案d v b - t 技术条件考虑可2 级分层调制。在低级的q p s k / q a m 情况下， 可用含较少误差保护的增强信号， q a m 虽然耐固性低一 些， 却提供了 个较优质的信号。 调制系统包括o f d m 和q p s k / q a ,v , o f d m 使用许多载波来调制数 字数据，o f d m已 成功地在数字音频广播 d a b中用来帮助消除多径干扰问 题， 但 抗多径干扰就减少了传输容量。 改善数据传输容量，增加o f d m 载波数量，这就 增加了 接收机的复杂性，因而增加了成本，所以 采用了 择中方案。 o f d m最大的 有时就是实现更大面积覆盖的同频网传输。 1 . 2 . 2 a t s c 标准18 1 美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播， 并 在 1 9 9 6年由美国高级电视系统委员会( a t s c : a d v a n c e d t e l e v i s i o n s v s t e u c o m m i t t e e ) 提出了以 数字高 清晰度电 视为基础的标准。 1 9 4 6 年， 世界上第一次出 现黑白电视， 1 9 5 3 年， 美国开始了彩色电 视广播卜 是电视史上一个里程碑。1 9 9 6 年底，美国的联邦通信委员会 f c c做出决定，美 国将采用a t s c的地面数字电视广播格式。美国的这个决定， 在世界电视史上具 有重大的意义。它是以法律的形式规定了 将来美国的数字电视格式将采用 a t s c 的格式，这是世界电视史上的又一个里程碑。 d t v 是一种地面数字电视广播标准，与d v b - t 形成竞争，己在澳大利亚、新 加坡等国家与d v b - t 进行对比试验。目 前接受该标准的国家和地区有美国、 加拿 大、墨西哥、 阿根廷、韩国、台湾等。另外，北美地区在卫星数字电视广播方面 接受 d v b - s , d s s ( 休斯数字卫星系统) ;在有线数字电视广播方面接受 o p e n c a b l e ( 美国c a b l e l a b s 制定的数字有线标准，该标准接受a t s c 制式以 及国 际电讯联盟( 工 t o的工 t u - t j . 8 3 的用于电 视、 声音和数据服务的有线数字多节目 制式) 。 1 . 3 专用集成电路( a s 工 c ) 设计 1 . 3 . 1 a s i c 及其分类 专用集成电路( a s 工 c : a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 是面向 专门用途的电路，以此区别于标准产品( s t a n d a r d p r o d u c t ) ，如标准逻辑 侣 t a n d a r d l o g i c ) 电路、 通用存储器和微处理器等电 路。 目 前在集成电路界, a s i c 被认为是用户专用集成电 路( c u s t o m e r s p e c i f i c 工 c ) 。 它是根据用户的特定要求 能够以低研制成本、 短交货周期供货的半定制、 定制电路以 及p l d 和f p g a 电路。 a s 工 c的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。通用的、标准的集成 电路己 不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。 推出具有特色、 个性的产品， 加快产品更新， 具有竞争力， 而a s i c电路正能达到这种要求。 各个电子系统厂家都希望 维护产品的某些保密性，使产品更 这也是自8 0 年代中期以来， a s 工 g 浙江大学硕士学位论文 得到广泛传播和重视的根本原因。 a s i c电 路的蓬勃发展正推动着设计方法学和 设计工具的完善，同时也促进着系统设计人员和芯片设计人员的结合和相互渗 透。a s i c 的设计方法可以有很多种，如图1 . 3 . 1 所示: 其中， 全定制法适用于要求得到最高速度、 最低功耗和最省面积的芯片设计; 定制法适用于性能指标比 较高而生产批量又比较大的芯片设计; 半定制法适用于 设计成本低、 设计周期短而生产批量又比 较小的芯片设计设计; 模块编译法是一 种全自动的设计方法， 先对设计模块的性能进行描述，再 通过编译直接得到该电 路的掩膜版图。 全定制 ( f u l l - c u s t o m d e s i g n a p p r o a c h ) ” 王二 标准单元 通 用 单元 设 计 方 法 一 一半 定 制 - 仁 门阵列 线性阵列 模块编译( s t a c k c o m p l 。 二 ) 可编程逻辑券件( p l o一 逻辑单元阵列( l o g i c c e l l a r r a y , 可编程逻辑阵列( p l a , 可编程阵列逻辑( p a l , 通用可编程逻辑阵? v i; ( g a l , 也和f p g a 图 1 . 3 . 1 a s z c 设计方法 1 . 3 . 2 a s i c 主要设计流程e 7 典型的a s i c 设计流程具有以下 几个步骤，详细流程图如图1 . 3 . 2 所示。 给出设计规格，包括结构规格、电 气规格等。 r t l 级代码编写和仿真测试平台建立。 d 为具有存储单元的模块插入b i s t ( d e s i g n f o r t e s t 设计) 。 进行动态仿真，验证设计功能。 设置设计环境。包括使用的工艺库及其他环境变董 戮 。 使用 d e s i g n c o m p i l e r工具， 加约束并进行综合，同时加入扫描链( 或者 j t a g ) 。 使用d e s i g n c o m p i l e r 内 嵌的 静 态时 序分 析器， 进行 模块级 静态时 序分 析。 使用f o r m a l i t y 工具， 进行r 几级和综合后门 级网 表的形式验证。 版图布局布线之前，使用p r i m e t i m e 将时序约束前标注到版图生成工具。 工具进行整个设计的静态时序分析。 时序驱动的单元布局，时钟树插入和全局布线。 将时钟树插入到d c 的原始门级网 表中。 使用f o r m a l i t y ， 对综合后网表和插入时钟树网表进行形式验证. 从全局布线后的版图中提取出估算的时间延时信息。 将估算的时延数据反 标注到d e s i g n c o m p i l e r 或者p r i m e t i m e a 在p r i m e t i m e 中 进行静态时 序分析。 在d e s i g n c o m p i l e r 中进行设计优化。 卜卜卜卜卜卜卜卜卜笋卜 浙江大学硕士学位论文 进行详细布线。 从详细布线的设计中提取出实际时间延时信息。 将 提 取出 的 时 延 数 据 反 标 注 到。 e s i g n c o m p i l e r 或 者p r i m e t i m e 中 使用p r i m e t i m e 进行版图后的静态时序分析。 在d e s i g n c o m p i l e r 中进行设计优化 ( 如果需要) 。 进行版图后带时间信息的门级仿真。 l v s 和。 r c 验证， 然后流片。 注: s t a : s t a t i c t i m e a n a l y s i s ， 静态时序分析; d c : d e s i g n c o m p i l e r : l v s : l a y o u t v e r s u s s c h e m a t i c , 检 查版图 与门 级电 路是否 一 致; d r c : d e s i g n r u l e c h e c k ， 设计规则检查。 卜卜卜卜卜卜卜 结构定义和r t l 级 代码设计 时钟树网表 与门级网表进行 f o r m a l 验证 r t l 级仿真 全局布线之后静态 时序分析 r t l 级与门级 f o r m a l 验证 版图之前静态时序 分析 版图之后峥态时序 分析 布局、放置单元、 插入时钟树和全局 布线 图 1 . 3 . 2 a s i c 设计流程 对a s i c 设计流程中一些主要步骤详细说明如下: 规范和 r t l 级代码 对于任何一个产品， 芯片的设计都是来源于市场中的一个想法。 这些想法然 后转换成结构和电气规格。 结构规格定义了 功能和芯片的划分 许多 模块) 。 电 气 浙江大学硕士学位论文 规格定义了各个模块在时序方面的关系。 动态仿真 动态仿真就是为了验证设计的功能对r t l 级进行的仿真。 目 前所有的仿真器 都支持行为级和r t l 级代码仿真。 另外， 相当多的仿真器也支持逻辑综合后的门 级仿真， 但这就要求具有库单元的代码。 测试平台的目 的是对设计提供一些必要的激励。 值得注意的而且是很重要的 是设计的覆盖率完全依赖于测试代码的数目 和测试平台文件的质量。 这就是为什 么一个合理的测试平台对于一个设计是非常关键的。 约束、 逻辑综合和扫描链插入 一个设计的逻辑综合是一个往复的过程， 从对每个设计模块定义时序约束开 始。 这些时序约束定义了每个信号与特定模块的时钟信号之间的关系。 除了这些 约束， 逻辑综合的环境变量也是需要定义的。 环境变量文件定义了d c 在进行逻 辑中时使用的工艺单元库和其它相关的信息。 对于一个设计， 一般都要考虑可测 性设计 ( d f t : d e s i g n f o r t e s t ) ，主要包括三种方式:扫描链插入 ( s c a n i n s e r t i o n ) :存储单元的内建自测( b i s t : b u i l t - i n - s e l f - t e s t ) ;边缘扫描 ( b o u n d a r y s c a n ) j t a g , 形式验证( f o r m a l v e r i f i c a t i o n ) 对于a s i c 设计领域，形式验证是一个比 较新的概念。形式验证技术通过数 学方法而不需要考虑工艺 如时序和物理效应等) 来验证设计的一致性。 它通过与 一个参照设计比较来检查设计的逻辑功能。 形式验证方法和动态仿真区别是形式 验证通过验证两个设计中的结构和功能是否逻辑等效， 动态仿真方法只检查设计 中比较敏感的某些路径， 而不关心其它地方出现的问题， 另外， 形式验证方法所 需要消耗的时间与动态仿真比较可以忽略。形式验证在设计中有三个作用: 1 )验证两个r t l 级代码的一致性， 确认新的r t l 级代码是不是与原始正确的r t l 代码功能上一致。 2 )验证门级网 表与r t l 级之间的一致性，确定d c 进行逻辑综合是否正确。 3 验证两个门级网表的一致性，验证版图前网表和版图后网表。 使 用p r i m e t i m e 工 具进行静 态时 序分 析 模块级的静态时序分析是通过 d c 本身完成的。然而，对于芯片级静态时序 仿真建议使用 p r i m e t i m e 工具代替。p r i m e t i m e 工具是s y n o p s y s 公司静态时序 分析1 : . 具， 它能够对整个芯片级设计进行非常快的静态时序分析。 静态时序分析 是针对版图前和版图后的门级网表进行的。 布局、布线和验证 版图工具就是进行布局和布线操作。 预布局和布局的质量比实际的布线更加 关键。 优化的单元布局， 不仅能够提高最终布线的速度， 而且在时序方面和降低 拥寒方面产生较好的结果。 在放置单元之后，版图工具将在设计中 插入时钟树。 版图工具通常将布线分成两个阶段:全局布线和详细布线。 1 . 3 . 3 s o c 设计技术 系统级芯片( s y s t e m o n a c h i p , s o c ) 是现今半导体微细加工工艺精度不断 提高， 工 c ( 集成电 路) 集成度以 惊人的速度发展的最新成果。自 九十年代以来， 人 们就从各种专业或非专业媒体上接受到系统级芯片的概念。 顾名思义系 统级芯片 就是将整个系统集成到单一半导体芯片上。 更确切地说， 系统级芯片是指结合数 了 o 浙江大学硕士学位论文 字和模拟技术，并将 i / 0 、各种转换器件、存储器和m p u 集成在同一封装内，能 够高效实现特定功能的 i c 。系统级芯片把模拟和数字技术融合，从而架起模拟 信号的 真实世界与数字信号的网际世界的桥梁，并促进非p c 网 络设备的发展. 非 p c 设备联网不仅能够促进 工 n t e r n e t 广泛发展， 而且能够驱动电子制造业应用 系统级芯片( s o c ) 开发信息产品，从而促进 i t信息技术)的不断向前 进步和发 展。 系统级芯片将具备d s p 、 存储器和一整套专用功能。 专家认为， 工 c 发展的大 趋势是高速 、高集成度和低功耗的系统集成。随着深亚微米级的工艺加工水平 向0 . 0 9 u m 迈进， 在单一芯片上己 经具备集成上十亿晶体管的能力。 系统级芯片 能够提高半导体器件的电气性能降低功耗和减少大多数应用所需的p c b 面积， 提高系统的可靠性， 它可使电子系统尺寸更小， 性能更高和成本更低，同时还可 以实现高效运作，缩短产品的上市时间。 ; 1 . 3 . 3 . 1 s o c 的 类型 目 前的s o c 芯片主要有三种类型: 一是以 微处理器为核心， 外围集成各种存 储器、控制电路、 输入输出、a / d , d / a等功能于一个芯片上;二是以数字信号 处理器( d s p ) 为核心，多个a / d , d / a ， 大容量存储器等集成; 三是上述两种类型 的混合， 或者把系统算法和芯片结构有机地集成在一起。 s o c 技术的出 现表明微电子正由电 路集成向系统集成发展。 系统集成不仅仅 是很多电路的简单的二次集成， 而是在设计时就从系统功能和性能出发， 结合芯 片结构， 软件硬件协同设计， 在更高层次上发展芯片技术， 实现算法与芯片的相 结合，引入新的系统结构，给信息处理系统带来革命。 1 . 3 . 3 . 2 s o c 中的几个重要设计思想 1 , i p 设 计 复 用 【。“ (141 121 由于s o c 设计规模大、 结构复杂，具有数百万门乃至上亿个元器件的设计规 模，并且电路结构还包括m p u , s r a m , d r a m , e p r o m 、闪速存贮器、 a d c , d a c以 及其它模拟和射频电路。 为了 缩短投放市场时间， 要求设计 起点比普通a s i c 高， 不能依靠基本逻辑、电路单元作为基础单元，而是采用 i p 核实现设计复用。i f 核主要有三种形式:一种称为硬核( h a r d c o r e ) ,具有和特定工艺相联系的物理 版图， 己被投片测试验证， 可被新设计作为特定的功能模块直接调用; 第二种是 软核( s o f t c o r e ) ，是可综合的行为级硬件描述语言模块，用于功能仿真:第三 种是固核( f i r m c o r e ) ，是在软核的基础上开发的，是一种可综合的并带有布局 规划的软核。 i p设计复用有三个优点:其一是可以 提高设计能力节省设计劳力，有效填 平 工 c的设计与制造之间鸿沟;其二是大大缩短上市周期;其三是更好地利用现 有的工艺技术， 降低成本。 基于 i p复用技术的设计复用方法将会提高s o c的开 发效率， 并逐渐成为一种主流方法。 i f模块是设计复用的关键部分以 及结束“ 设 计间距”唯一有效的方法，如果没有它，半导体生产商和 o e m供应商根本无法 达到今天己经达到的水平。 2 , 低功 耗 设 计 “ ， 浙江大学硕士学位论文 功耗已成为芯片设计中除速度、 面积之外，需要考虑的第三因素。 面向 低功 耗的设计( d e s i g n f o r p o w e r , d f p ) 存在巨大的商业机会。 在深亚微米中， 独立 于工艺的高层次综合技术将不完全适用， 前端逻辑设计和后端的物理设计将密切 结合。 功耗木质上的物理特性使得低功耗设计的逻辑设计和物理设计联系更加紧 密。 低功耗设计和综合是一个系统的问题， 必须在设计的各个层次上发展适当的 技术， 综合应用不同的设计策略， 达到降低功耗的同时维持系统性能的月 的。 由 于系统规模大，手工实现这些策略是不现实的，必须发展相应的电路综合技术。 一般可采用以下几种策略实现低功耗设计:使用规则的算法和结构减少控制负 荷;采用新型的 低功耗器件和工艺; 使用专用电路而不是可编程逻辑;避免浪 费，停掉不用的逻辑和时钟; 权衡面积和性能，使用并行、 流水化和分布式计 算等方法，用面积或时间换取低功耗。 3 、 可