（通信与信息系统专业论文）基于fpga的千兆误码检测仪设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着通信技术的发展，通信系统的通信速率在大幅提高，通信的方式和通 信的介质也在发生变化，传统的电信号通信正逐步转化成光信号通信，因此大 部分的传输电缆也转变成光纤，在通信设备和通信系统的性能测试、故障诊断 中误码检测仪是不可缺少的设备。由于传统的低速率电信号误码检测仪信号速 率低、接口单一、不具备光接口，已经不能满足当今光纤通信系统的误码检测 要求，本文针对光纤通信系统s d h s o n e t ( 同步数字网) 的特点，设计了最高速 率可达2 4 8 8 3 2 0 f o p s 误码检测仪，可以检测电通信设备的误码性能，也可以检 测光通信设备的误码性能。 本文分析了误码检测仪的系统需求，提出了以x l l i n x 的f p g a ( 型号为 x c 5 v l x 5 0 t - 1 f f g l l 3 6 ) 为核心硬件，上位机p c 机软件为辅助管理平台的误码检 测仪设计方案。以f p g a 为核心硬件克服了传统误码检测仪数字信号处理能力、 系统扩展和实时性上的不足，利用f p g a ( 现场可编程门阵列) 的硬件可编程性， 可以自行设计误码检测软核，使各功能模块的功能可以在逻辑门级的设计和改 动；利用常用的个人电脑的强大功能和丰富资源，设计人性化的人机界面，方 面操作，而且很方便的管理和整理测试数据。 本文分析了误码检测原理和i n 序列误码检测方法，详细的介绍了串行i n 序 列和并行1 1 1 序列生成算法，根据算法用v e r i l o gh d l 语言自行设计了低速误码 检测i p 核和高速误码检测i p 核，然后在f p g a 上组建误码检测仪片上系统，提 高了系统的集成度，误码检测片上系统能根据指令输出多达9 种误码检测测试 码，使误码检测仪能够适用多种误码测试标准。上位机界面软件能够根据误码 检测的需要，灵活的选取误码测试的码型、误码测试的速率和误码检测的接口； 能够记录误码检测系统的持续测试时间；能根据误码数自动计算误码率。 根据设计的论证结果可知：基于f p g a 为核心、上位机界面软件为辅的误码 检测仪增加了系统的集成度、扩展了误码检测仪的功能，经过连续8 个小时的 误码性能测试，测试结果准确无误，因此，本次设计的误码检测仪满足当今的 s d h 网络设备的2 4 8 8 3 2 讹p s 速率标准的误码性能测试要求，达到了预期的目标。 关键词：误码检测仪f p g a 并行m 序列 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o ns p e e dh a s i n c r e a s e d c o m m u n i c a t i o nm e t h o d sa n dc o m m u n i c a t i o nm e d i aa r ea l s oc h a n g i n g ， t r a d i t i o n a le l e c t r i c a ls i g n a lc o m m u n i c a t i o ni sg r a d u a l l yc o n v e r t e di n t oo p t i c a ls i g n a l c o m m u n i c a t i o n ，s om o s to ft h et r a n s m i s s i o ni si nf i b e r ，b e rt e s t e ri si n d i s p e n s a b l e e q u i p m e n ti np e r f o r m a n c et e s t i n ga n d f a u l t d i a g n o s i so ft h ec o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n ta n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h et r a d i t i o n a ll o w - r a t es i g n a l sb e rt e s t e r w i t hl o wb i te r r o rr a t e ，s i n g l ei n t e r f a c e , a n dd o e sn o th a v eo p t i c a li n t e r f a c e s ；c a l ln o t m e e tt o d a y so p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb i te r r o rt e s t i n g t h i sp a p e rf o c u s ， o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss d h | s o n e t ( s y n c h r o n o u sa i g i t a ln e t w o r k ) c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n e dt h eb e r t e s t e rw h o s em a x i m u ms p e e du pt o2 4 8 8 3 2 0 m b p s ， t h et e s t e rc a l ld e t e c tt h ee r r o rp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ， b u ta l s oc a l ld e t e c tt h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t t h i st h e s i sa n a l y z e st h eb e rt e s t e rr e q u i r e m e n t s ，p r o p o s e dx i l i n x sf p g a ( m o d e lx c 5 v l x 5 0 t 一1 f f g l1 3 6 ) a st h e c o l eh a r d w a r e ，a n ds o f t w a r ea st h e m a n a g e m e n tp l a t f o r mo fb e r t e s t e r f p g aa st h ec o r eh a r d w a r ec a no v e r c o n l et h e s h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lb e rt e s t e r , f o ri n s t a n c e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，s y s t e m e x p a n s i o na n dr e a l t i m ep r o c e s s ，e r r o rd e t e c t i o ns o f t - c o l ec a nb ed e s i g n e du s i n gt h e h a r d w a r ep r o g r a m m a b i l i t yo ff p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，s ot h a tt h e f u n c t i o no fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ec a nb ec h a n g e di nt h el o g i cg a t el e v e l , i tw a sv e r y c o n v e n i e n tt om a n a g ea n do r g a n i z et e s td a t ab a s e do nt h eu s eo f p e r s o n a l c o m p u t e r t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dt h em s e q u e n c ee r r o rd e t e c t i o nm e t h o d ， d e t a i l e dd e s c f i p t i o no ft h es e r i a la n dp a r a l l e lms e q u e n c e g e n e r a t i o na l g o r i t h m , d e s i g n e dl o w - s p e e de r r o rd e t e c t i o ni pc o l ea n dh i 曲一s p e e de r r o rd e t e c t i o ni pc o l e w i t ht h ev e r i l o gh d l l a n g u a g ea n dt h e ni n t e g r a t e dt h ee r r o rd e t e c t o rs y s t e mo nt h e f p g a ，i m p r o v e ss y s t e mi n t e g r a t i o n ，t h eb e rt e s t e ro nac h i pc a l lo u t p u tu pt o9e r r o r d e t e c t i o nt e s tc o d e ，c a nb ea p p l i e dt oav a r i e t yo fb e rt e s t t h i sb e rt e s t e ra u x i l i a r y m a n a g e m e n ts o f t w a r ed a ns e l e c tt h et e s tp a t t e r n ，p a t t e r nr a t ea n dt h et e s ti n t e r f a c e t t 武汉理工大学硕士学位论文 f l e x i b l y , a l s oa b l et or e c o r dc o n t i n u o u se r r o rh a p p e nt i m ea n dc a l c u l a t e db i ta r o rr a t e a u t o m a t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ed e s i g n ，t h eb e rt e s t e rb a s e do nf p g ac o r e ， s u p p l e m e n t e db yh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c es o f t w a r ei n c r e a s et h es y s t e mi n t e g r a t i o n , e x p a n s i o nt h ef u n c t i o no ft h et e s t i n g ，a f t e r8c o n s e c u t i v eh o u r so fe r r o rp e r f o r m a n c e t e s t ，t h et e s tr e s u l t si sa c c u r a c y , s ot h eb e rt e s t e rf i tf o rt h ee r r o rp e r f o r m a n c e t e s t i n gr e q u i r e m e n t so ft o d a y ss d hn e t w o r ke q u i p m e n tw h o s ep e e d u pt o 2 4 8 8 3 2 0 m b p s ，a n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s k e y w o r d s ：b i te r r o rd e t e c t o r , f p g a ，p a r a l l e lp s e u d o r a n d o mc o d e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 雠h 叩嗽，荔中蚶n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着通信系统的发展，数字通信已经渗透到生活中的各个角落，互联网、 高清数字电视网、卫星通信网、移动通信网等大大丰富了我们的生活 1 , 2 1 ，随着 用户对通信质量的提高，信息在信道中传输的速率也大大提高【”】，为了能适应 全球通信业务的迅速发展1 5 , 6 1 ，1 9 8 8 年国际电信联盟提出了s d h ( 同步数字体系) 的建议，到目前为止已对s d h 各等级速率、信号格式、用结构、设备功能、光 接口、组网方式和网络管理等方面做出了相应的规范 7 , 8 1 ，形成了一个完整的数 字通信标准，它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块s t m l 、s t m 4 、 s t m l 6 和s t m 6 4 ，各等级速率分别为15 5 5 2 0 m b p s 、6 2 2 0 8 0m b p s 、2 4 8 8 3 2 0 m b p s 和9 9 6 3 2 0m b p s ，它有全世界统一的网络节点接1 2 1 ，从而简化了信号的互 通以及信号的传输，复用，交叉连接和交换过程，它有统一的标准光接口，能 够使不同厂家的设备在光路上互通，s d h 具有广泛的适应性，s d h 的众多优点 使其自诞生以来便得到了迅速的发展，它成为现代传输网的基础。 s d h 数字传输误码分析仪是s d h 设备的研制、网络的建设、开通和维护中 必不可少的测试仪器，测试内容包括网络的或者设备的误码、抖动、漂移、告 警、功能和相关的光电参数、误码的基本测量参数是误码数和误码率，为了满 足现在和将来大多数业务的需要玎u t ( 国际电信联盟标准化组织) 规定了误码 性能指标，误码和误码率的研究与测量一直深受各国的普遍重视与关注，专门 用来测试误码率的设备叫做误码检测仪简称误码仪，它是通过在被测通道中发 送自身产生的测试码，然后比较接收数据和发送数据从而得到信道误码率的 1 9 , 1 0 】。其中涉及测试码的产生，码元同步技术，误码的判断及统计【1 1 】。 在数字化、信息化日益发展的今天，数字集成电路已广泛应用，随着系统 向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化方向的发展，其对电路 的要求越来越高，传统的单一功能的集成电路设计技术已无法满足性能日益提 高的整机系统的要求【1 2 】。而可编程逻辑器件由于其固有的特性，正好填补了这 方面的需求。可编程逻辑器件可以方便地通过对逻辑结构的编程和配置，完成 对系统和设备的升级，以便迅速适应市场的变化。可编程逻辑器件还可以支持 多种通信协议和接口标准，并可以随着标准和协议的演变而改变功能。与专用 集成电路( a s i c ) 相比，成本较低、开发时间较短，同时比a s c i 实现具有更大的 武汉理工大学硕士学位论文 灵活性，推动了可编程逻辑器件的高速发展。与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件1 相 比， f p g a ( 现场可编程门阵列) 在设计及研制阶段具有更大的灵活性，f p g a 更 适合进行复杂的时序电路设计，其单片逻辑门数已逾上千万门，赛灵思公司( 可 编程逻辑器件厂商) 高端产品还集成了p o w e r p c 等处理器内核【l3 1 ，多吉比特收 发器模块等，可以构成了功能强大的片上可编程系统平台，更容易适应日后可 能出现的升级、扩展等问题；而且，f p g a 应用广泛，特别适用于产品开发及小 规模量产，高集成度以及灵活的可编程特性更是减小了开发周期及制作成本，适 应了数字化、信息化飞速发展的需要。 v e r i l o gh d l ( v e r i l o gh i g h - s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 是f p g a 的一种开发语言，它主要用于描述数字系统的结构，行为， 功能和接i 1 4 1 5 1 。除了含有许多具有硬件特征的语句外，v e r i l o gh d l 的语言形 式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。本设计就是使用 v e r i l o gh d l 语言进行软件开发的。 1 2 数字误码测试仪的发展现状 数字通信系统的测试包括从低频到微波，从用户信息到信令，协议，从系 统质量测试到网络监视和管理，所测试的参数很多，其中数字误码测试仪器是 数字通信中不可或缺的一类仪器，数字误码测试仪器主要用来测试数字通信网 络设备的误码特性，用以鉴定其通信设备是否满足通信系统的要求，针对不同 的应用环境，其测试的码率从1 4 0 m b p s 至1 5 g b p s 。数字误码分析仪主要用于s d h 数字通信设备的研究和产品开发，在国外有美国安捷伦公司，e e n t e l l a x 公司生产 高端，成熟的误码测试仪，在中国有中国电子科技集团第四十一研究所在研制 数字通信误码分析仪【1 6 】。 ，一 光纤通信以大容量【l7 1 、高速度、远距离通信为发展方向，其传输体制已从 准同步系列向同步数字系列过渡，过去的传输网以p d h 为基础，最高速率仅达 1 4 0 m b p s ，而s d h 传输体制将速率由1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、2 5 g b p s 提高到1 0 g b p s ， 以2 5 g b p s 和1 0 g b p s 为基础即可进入光的波分复用【1 8 】，极大的提高了速率和带 宽，目前，我国的通信部门在体制上都采用s d h 传输体制，民用通信虽然已经 建设1 0 g b p s 的网络，但大规模建设的任是2 5 g b p s 系统。s d h 数字误码分析仪 用于s d h 网络的传输测试，实际上它是将p d h 网络的传输测试和s d h 网络的 传输测试综合为一体，s d h 的测试内容包括误码、抖动、漂移、告警、功能和 2 武汉理工大学硕士学位论文 光电参数、误码包括通道、开销比特误码和比特间插奇偶校验误码等，这类仪 器的发展较快，速率越来越越高，为适应不同速率等级的测试，分为 1 5 5 m b p s 1 5 5 m b p s 6 2 2 m b p s 和1 5 5 m b p s 6 2 2 m b p s 2 4 8 8 m b p s 三类产品，s d h 数 字设计和调试工具发展非常迅速，手段越来越先进，典型产品有：安捷伦公司 的4 9 6 0 b 型串行误码测试仪【19 1 ，s d h 测试时的输出速率可以达到1 2 5 c , p s ，还 可进行抖动测试；c e n t e l l a x 公司的1 0 gb e r tt g l b l a 型串行误码测试仪可以 为复用解复用i e 和模块t 2 0 、0 e 和e 0 器件提供1 0 g b p s 的串行b e r 测试，用 户选配灵活，易于升级，缩短了产品的研发周期，形成了批量生产的能力，提高 产品的竞争能力；而中国电子科技集团第四十一研究所研制的误码仪测试的速 率一般较慢，如a v 5 2 3 2 e 型误码测试仪最高速率仅为8 m b p s ，很难满足当今高速 发展的光通信系统所要求的高速误码测试，当然，国外这类误码测试仪器价格 相当昂贵，操作复杂，维修困难，提高了产品的研发成本和生产成本，而国内的 误码测试仪又达不到测试要求，因此，设计一台针对特定生产环境设计一款简 易高速误码测试仪是很有必要的。 1 3 本课题的研究目的和目标 针对( s d h ) 同步数字通信网的特点和误码检测分析仪国内外市场现状， 设计一款针对现今高速s d h 网络中的e d f a ( 掺饵光纤放大器) 模块、w d m ( 波 分复用) 模块、v o a ( 可调光衰减器) 模块、o e o ( 光电光转换器) 模块等子 系统的测试、验收或者故障检查的低成本高速误码仪是非常有意义的，本文设 计的高速误码检测仪符合国际电报电话咨询委员会( c c r r r ) 关于s d h 同步数字 网测试设备的标准，可以s t m 4 ( 6 2 2 m b p s ) 和s t m l 6 ( 2 4 8 8 m b p s ) 为通信速 率进行误码率测试，具有极强的针对性和广阔的应用前景。 本次设计的高速误码检测仪主要由p c 机软件平台、基于f p g a 的硬件平台 组成。在设计中以单片f p g a 芯片完成误码检测、误码检测控制和系统通讯任 务，这样使得设计的误码检测仪具有体积轻巧、接口丰富、人机交互接口简洁、 成本低廉、可升级内核的特点。这样设计出的高速误码检测仪的成本大大低于 市面高速误码仪，并且简单易用，是最合适光纤通信设备中的光器件的低成本 误码检测方案。 1 4 本文结构 本文的结构安排如下： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章主要介绍了误码检测仪的应用背景和国内外的发展情况，针对应用 背景，提出了设计简易高速误码检测仪的必要： 第2 章介绍m 序列的性质、实现的方法，并且提出了基于m 序列的误码检 测的原理和方法，设计了误码检测仪的系统要求和系统构成，介绍了各功能模 块的作用； 第3 章为了实现低速误码检测p 核，其重点设计工作是：串行m 序列的生 成、串行同步提取、误码统计、滑码判断等算法，该算法的实现平台是x i l i n x 公司的i s e 开发工具，各算法模块的实现是采用了v e r i l o gh d l 语言，并且对算 法进行了仿真； 第4 章为了实现高速误码检测p 核，其重点设计工作是：并行m 序列的生 成、并行同步码提取、高速误码统计等算法，该算法的实现平台是x i l i n x 公司 的i s e 开发工具，各算法模块的实现是用v e r i l o gh d l 语言设计语言，并且对算 法进行了仿真； 第5 章介绍了误码检测平台的设计和实现过程，将自行设计的误码检测口 核和赛灵思提供的嵌入式控制核- - m i c r o b l a z e 组成误码检测片上系统；再介 绍了误码检测仪的硬件实现平台；本文还设计了上位机误码检测界面软件： 第6 章介绍了本设计的结论和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章误码检测设计原理 本章针对误码检测仪的研究目的和目标，介绍误码检测的基本理论，针对 理论特点和硬件特性，提出误码检测仪的整体实现方法和方案。 2 1 伪随机序列介绍 随机噪声在通信技术中首先是作为有损通信质量的因素受到人们重视的， 信道中存在的随机噪声会使模拟信号产生失真，使数字信号在解调后产生误码， 同时还是限制信道容量的一个重要因素，因此人们最早是企图设法消除或减小 通信系统中的随机噪声【2 l 】，但是，有时人们也希望获取随机噪声，例如在实验 室中对通信设备或者系统进行测试时，有时要故意加入一定的随机噪声。伪随 机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理，由 于它具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获取了日益广泛的实际应 用，目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列经滤波等处理 后得到的，我们称这样的周期序列为伪随机序列【2 2 1 。 通常产生伪随机序列的电路为一反馈移位寄存器，它可分为线性反馈移位 寄存器和非线性反馈移位寄存器两类，由线性反馈移位寄存器产生出的周期最 长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移位寄存器序列【2 3 】，通常称为1 1 序 列。它的理论比较成熟【2 4 1 ，实现比较简单，在本次误码检测中也用到它，所以 在这里介绍一下。 2 1 1 m 序列的产生方法 i n 序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位 寄存器产生的周期最长的一种序列口5 1 ，现在先给出一个3 级线性反馈移位寄存 器n - i 序列的例子，如在图2 - 1 所示。 图2 - 1m 序列的产生 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 中，若其初始状态为( t 2 ，t i ，t o ) = ( 1 ，1 ，1 ) ，则在移位一次时，则由t 2 ， 和t l 模2 相加产生新的输出为1o1 = 0 ，新的状态变为( 1 ，l ，o ) ，这样的 移位经过7 次后又回到初始状态( 1 ，1 ，1 ) ，如表2 1 所示。 表2 - 1 三级m 序列状态转换表 c l k ( n )t ( o )t ( 1 )t ( 2 )o u t p u t 初始状态 1111 1o111 2o011 31ooo 4o l0 0 5l011 6110o 荔秽彬”聊黟8 蹿琴钐谚。吖二咏獬磅蟛= 7扩* 嘲孝擎秀4 缈弘制。鲈膏”髫魏 ” 1 9 ”移弼2 2 铭7 口矿# ” 磊磊，攘5 ：l 渤；荔 交织磊虢自黧 h i 蠡磁；女& 蕊瓣毙l 搋鑫l渤女i 缀l 自篪毳；耘，i 施夤磊8 缴磊级簇；茏，镕溉嚣赫；磊l i 巍自囊囊羲底毓避# 鲞鞯：l 瓤 8o1l1 从表2 1 中不难看出，若初始状态为全“0 ，即( o ，0 ，0 ) ，则移位后 得到的状态仍为全“0 ，这样的线性反馈移位寄存器应避免全“0 状态，否 则移位寄存器的状态将不会改变。因为3 级移位寄存器共有2 3 = 8 种可能不同状 态，除了全“0 状态外，只剩7 中状态可用，即由任何3 级反馈移位寄存器产 生的序列的周期最长为7 。 一般希望用尽可能少的级数产生尽可能长的序列，一般来说，一个n 级反 馈移位寄存器可能产生的最长周期等于( 2 n 1 ) ，反馈电路一般有两种形式，如 g a l o i s 线性反馈线性反馈移位寄存器和f i b o n a c c i 线性反馈移位寄存器，g a l o i s 线性反馈线性反馈移位寄存器【2 6 , 2 7 1 ，如图2 2 所示，在线性移位寄存内执行异或 操作【2 8 1 ，随着节点数的增多，不会降低伪随机序列的生成速度。 i d n审d m l俐。帕 坤弋州寸 中中中i审一 图2 2g a l o i sl f s r f i b o n a c e i 线性反馈移位寄存器法，如图2 3 所示，在线性反馈移位寄存器外执 行异或操作，此种方法当反馈的节点少时，速度快，而且序列同步简单，本次 6 武汉理工大学硕士学位论文 设计采用f i b o n a c e il f s r 法生成m 序列。 图2 - 3 f i b o n a c c il f s r 下面介绍其数学表达式矧，图2 3 中一级寄存器的状态用口表示，d i = 4 ) 或者 1 ，i 为整数，反馈线的连线状态用q 表示，c f = 1 表示此线接通，参加反馈，g = 0 表示此线断开，不参加反馈过程，我们不难看推出，反馈线的连接状态不同， 就可能改变此移位寄存器的输出序列的周期【3 0 】。 设n 级移位寄存器的初始状态为：口。d - ：d 一。，经过一次移位后的状态变 为战d - r 口州，经过1 1 次移位后，状态为见一，见五。q ，图示中就是这一状态， 再移位一次时，移位寄存器左端新得到的输入d 。，按照图中的线路连接关系，就 可以写成式( 2 1 ) 。 d 。= g 见一loc 2 d 寸oe 1 3 1 ( 9 c 。d o = c i d , 一f ( 2 - 1 ) i = o 因此，一般来说，对于任意状态p 。，有式( 2 2 ) 。 皿= c , d “ ( 2 - 2 ) i = o 式中求和仍按模2 运算，此式是递推方程，它给出移位输入q 与移位前各 状态间的关系，c 的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构，故g 是 一个很重要的参量，先将它用下列方程式( 2 3 ) 表示。 厂( x ) = 岛+ c l x + c 2 x 2 + + c 。j ”= c i x ( 2 3 ) i = o 这一方程叫特征方程，又叫特征多项式，式中仅指明其系数( 1 或者o ) 代表e 的值，x 本身的取值并无实际意义，也不需要去计算x 的值，例如若特征 方程为厂( x ) = 工3 + 石2 + 1 则它表示x o ，x 2 , 工3 的系数c o = g = g = 1 ，其余 的q ( c l = 0 ) 为零，按照这一特征方程构成的反馈移位寄存器就是如图2 2 所示 的反馈移位寄存器。经过前人大量的计算，已将常用的本原多项式列成表2 2 以 备查用。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 常用本原多项式 阶本原多项式阶本原多项式 数 代数式8 进制表示 数 代数式8 进制表示 法法 2工2 + 工+ 1 71 4z 1 4 + x l o + x 6 + x + 14 2 1 0 3 3x 3 + 工+ 11 31 5x 1 5 + 工+ 11 0 0 0 0 3 4 x 4 + x + 1 2 31 6x 1 6 + 工1 2 + x 3 + 石+ 12 1 0 0 1 3 5工5 + x 2 + 14 51 7x 1 7 + x 3 + 14 0 0 0 1 1 6石6 + x + l1 0 31 8x 1 8 + 工7 + l1 0 0 0 2 0 1 7工7 + x 3 + 12 1 1 1 9x 1 9 + 工5 + x 2 + j + 12 0 0 0 0 4 7 8 x 8 + z 4 + 工3 + x 2 + 1 4 3 52 0 x 2 0 + 工3 + 1 4 0 0 0 0 1 1 9 工9 + x 4 + 1 1 0 2 12 1 x 2 1 + z 2 + 1 1 0 0 0 0 0 0 5 1 0 工1 0 + x 3 + 1 2 0 1 12 2 x 2 2 + z + 1 2 0 0 0 0 0 0 3 1l z 1 1 + x 2 + l 4 0 0 52 3 x ”+ x 5 + l 4 0 0 0 0 0 0 4 l 1 2 工1 2 + x 6 + x 4 + x + 1 1 0 1 2 32 4 x 2 4 + x 7 + j + 1 l0 0 0 0 0 2 0 7 1 3 j 1 3 + 工4 + 工3 + x + 1 2 0 0 3 32 5 x 2 5 + x 3 + 1 2 0 0 0 0 0 0 1 在制作m 序列产生器时，移位寄存器的反馈的数目直接决定于本原多项式 的项数，为了使m 序列产生器的组成尽量简单，我们希望使用项数最少的那些 本原多项式，本原多项式最少有三项，这是只需要用一个模2 加法器，对于某 些由于不存在3 项的本原多项式，只有列入较长的本原多项式【3 1 】。 2 2 误码检测基本原理 2 2 1 误码率定义 按照国际电信联盟电信标准化部门i t u - t g 7 0 2 建议，误码率是在测量时间 内数字流码元( 码) 误差的数目( 量) 与数字流码元总数之比表达式( 2 - 4 ) 。 误醉= 需 ( 2 4 ) 由于比特是码元的最小单位3 2 1 ，当每个码元是1 比特时，误码率就是误比 武汉理工大学硕士学位论文 特率；当传输码字时，称为误字率：当传输码组时，称为误码组率，误码率则 是其基本测量参考单位。 2 2 2 误码测试分类 目前误码测试主要有通信系统在线误码测试和通信设备出厂误码测试，通 信系统在线误码测试一般是指在不中断通信系统通信业务运行的情况下【3 3 】，对 通信系统进行误码测试，它是利用通信系统中的总码流中的固定样码或冗余码 对通信系统进行实时误码监测。所谓通信设备出厂误码测试，是指在通信设备 的研发阶段，用误码测试仪对待测试的通信设备进行实时误码测试。这种误码 测试方式的实质是对通信设备进行时域取样检测。根据测试期间测得的误码数 据，来推断或估计通信设备传输业务时的运行品质f 3 4 】。当通信设备运行稳定、 系统误码平稳随机且前后独立等概率的情况下，只要测试时间或统计时间足够 长，通信设备误码测试获得的数据是能够以较高的精度和较大的可信度和反映 通信设备的运行质量的，本次设计的误码检测仪就用来检测通信设备的误码性 能。 2 2 3 m 序列误码检测方法 在数字通信中误码率是一项重要的质量指标，在实际测量数字通信系统的 误码率时，一般来说，测量结果与信源送出信号的统计特性有关，通常认为二 进制信号中的“0 和“1 是以等概率出现的【3 5 1 ，在实际的误码测量是用m 序 列测试法，如图2 4 所示，这时m 序列的发送设备和接受设备分处两地，由同 步信号控制，接收设备产生与发送设备相同但时序不同的本地m 序列，本地m 序列和接收的1 1 1 序列相比，就可以检测出误码。 翌壁型竺盛h 垄垄h 笪望h 茎坚卜叫些鏊i 叫堡塑笙生 同步信号l - e 历翱 i 图2 4m 序列误码测试法 具体比较过程如图2 5 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 i 道接收码 o1lo 比较 示准参考码 器 o ol o 输出 图2 - 5 误码检测基本原理 从图中可以看到，从通道传递到接收机的序列通过与接收机产生的序列进行 比较，图2 5 中的比较器是采用二输入的异或逻辑门，若相同，则输出为“0 ”， 若不同，则输出为“1 并计为1 个误码，从而得到准确的误码数或误码率。 2 3 误码检测仪系统要求 本次设计的误码检测仪核心是在f p g a 上实现的，针对s d h s o n e t 为应 用目标的，根据s d h s o n e t 的通信特征和误码测试系统的要求，误码检测仪 需要满足如下要求： ( 1 ) 测试速率可调：5 1 8 4 m b p s ( o c 1 s t s l ) 、1 5 5 5 2m b p s ( o c 一3 s t s 3 s t m l ) 、6 2 2 0 8m b p s ( 0 c 一1 2 s t s l 2 s 1 4 ) 、1 2 4 4 1 6m b p s ( o c - 2 4 s t s 2 4 ) 、2 4 8 8 3 2m b p s ( o c 4 8 s t s 4 8 s t m l 6 ) 。其中o c 1 、s t s l 、 s t m l 是通信速率标准【3 6 】。 ( 2 ) 有多种国际电信联盟标准化组织定义的标准测试码可选，其本原多项 式为x 3 + x 2 + 1、工7 + x 6 + l 、工9 + j 5 + 1 、x 1 1 + x 9 + 1 、x 1 5 + x 1 4 + 1 、工2 0 + x 3 + 1 、 x 2 3 + 工1 8 + 1 、x 2 9 + 石2 7 + 1 、工3 1 + x 2 8 + l 。 ( 3 ) l c d 误码测量信息显示和l e d 状态告警指示。 ( 4 ) 上位机误码检测控制和显示界面。 ( 5 ) 连续多天测试数据和时间记录。 2 4 系统整体结构设计 本文设计的误码检测仪是基于x i l i n x 公司发布的m l 5 0 5 实验评估板，其使 用的f p g a 是x c 5 v l x 5 0 t 1 f f g l l 3 6 ，自行设计p 使用的开发工具为i s e l 0 1 ， 仿真工具i s e l 0 1 自带的i s i m ，f p g a 片上系统的组建工具为e d k l 0 1 ，误码检 测p c 机软件的设计是用c 抖语言，其开发平台为b o r d l a n dc + + ，根据误码检测仪 的要求，可把误码检测仪分成两个主要的部分：误码检测硬件平台( m l 5 0 5 实 验评估板) 和p c 机误码检测控制、管理软件平台( 上位机软件) ，其总体结构 1 0 武汉理i 大学硕士学位论文 如图2 - 6 所示 雠薯 网，掣酣始 团 l h 系m i 统c r 控。制b l 内a z 核e f 上p g 系a 统, 8 刚 墙卓审 高速误l 误码计数和状l 黼h 掣断 l 朽榆测i 态控制 t 刚 +圭 i 误码计数j f 和状态控制i i l 攀划l 掣较l l 璺堡b ：f 高速串行收发器l ：单i 。翠l j 。畦面痢 光吨仁r x扣 r x 国2 巧误码检测仪系统框图 在图2 - 6 中，误码检测p c 机管理、控制软件和误码检测硬件平台通过串口 进行通讯，误码p c 机软件管理平台负责监控硬件平台的工作情况，并把误码检 测的信息统计存档，以各对设备的误码性能进行评估和跟踪。 误码检测硬件平台是误码检测的执行者，由于有现成的实验扳，本次设计 的主要工作是设计基于x c s v l x s o t - i f f g l1 3 6f p g a 的片上误码检测系统，片 上误码检测系统主要由自行设计的低速误码检测砰核、高速误码检测口核、系 统的控制内核m i c r o b l a z e 。低速误码检测口棱和高速误码检测口核是通过p l b 武汉理工大学硕士学位论文 ( 处理器本地总线) 和g p i o ( 通用可编程输入输出接口) 与m i c r o b l a z e 控制内 核通讯的，高速误码检测疋核由并行m 序列生成、高速串行收发器、同步接 收与比较，误码计数和状态控制等模块组成，并行m 序列生成模块根据系统的 指令要求，生成不同的并行m 序列，并且能在误码检测的过程中根据需要插入 误码；高速串行收发器将并行的m 序列以2 0 倍的并行的1 1 1 序列生成时钟将并 行m 序列以串行的方式发送到待测试设备，并且能将待测试设备的输出的高速 串行m 序列转化成低速m 序列，并且能从接收的m 序列中提取时钟：同步接收 与比较模块完成误码检测开始时的系统同步、本地的并行1 1 1 序列生成、接收码 和本地生成码的比较等功能； 误码计数和状态控制单元根据上位机发送过来的指令，完成误码测量时的 逻辑功能切换。低速误码检测核由串行m 序列生成、同步接收和比较、误码 计数和状态控制、滑码判断等模块组成，串行m 序列生成模块根据接收的的指 令，生成需要的m 序列；同步接收和比较模块完成误码测量时的系统同步、本 地m 序列生成和本地m 序列与接收的m 序列的比较等功能：误码计数和状态控 制模块完成误码的统计和系统的状态控制等功能；滑码判断模块根据判断系统 的误码是滑码，而不是普通的突发误码。误码检测p c 机控制软件是基于串口通 信的应用程序，接收串口的数据，按通信协议将数据帧进行分开显示，并能统 计测试的数据，留作测试的记录和参考。 由于本次设计的是针对s d h 网络设备的误码检测仪，误码检测仪能够检测 以不同速率标准进行通信的器件或者设备的误码性能，生成m 序列的速率可以 从5 1 8 4 m b p s 到2 4 8 8 3 2 m b p s 变化，跨度大，则需要不同的模块来生成不同速 率的m 序列，本文设计的误码检测仪由低速误码检测口核完成以5 1 8 4 m b p s 为 速率的通信设备误码性能测量，高速误码检测口核完成通信速率在1 5 5 5 2 m b p s 至2 4 8 8 3 2 m b p s 的通信设备的误码性能测量。低速误码检测p 核的设计在第3 章介绍，高速误码检测p 核的设计在第4 章介绍。 2 5 本章小结 本章介绍误码检测的过程中常使用的伪随机序列的性质；提出了采用伪随 机序列中的m 序列作为误码检测的测试序列；阐述了基于1 1 1 序列的误码检测的 原理和方法；提出了误码检测仪的系统要求；设计了合理的误码检测仪的结构。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章低速误码检测i p 核设计 低速误码检测i p 核用于检测通信速率为5 1 8 4 m b p s 设备的误码性能，其检 测的原理如图3 1 所示，将低速串行m 序列用t t l 电平的方式通过电接口发送 到待测试设备，再将从经过待测设备输出的低速n l 序列通过电接口发送到低速 m 序列同步接收和误码统计模块。 萋h 怒h 攀 图3 - 1 低速误码测量 根据图3 1 可知，在设计低速误码检测模块时，需要设计的主要是低速串行 m 序列发送模块和低速m 序列同步接收和误码统计模块，下面将详细的介绍其 设计思路。 3 1 串行m 序列同步 在误码检测仪进入误码测量状态之前，本地同步接收端的m 序列生成器和 发送端的m 序列生成器需要经过一段时间进行同步，同步的目的是使本地接收 端的m 序列生成器生成的m