（测试计量技术及仪器专业论文）基于cpld的数字光纤通信系统的研究.pdf

摘要 论文题目：基于c p l d 的数字光纤通信系统的研究 专业：测试计量技术及仪器 作者姓名：吴文静 指导教师：胡辽林副教授 答辩日期：2 0 0 8 年3 月 摘要 签名： 签名： 现代电子设计技术的核心是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术，e d a 技术 使得设计者仅利用软件方式便可完成对系统硬件功能的实现。复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的一种，具有 编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围广、开发工具先进、设计制造成本低、 保密性强等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品 生产之中。本文以c p l d 为载体设计了一个点对点的小型数字光纤通信系统。 光纤通信系统一般分为三部分，分别为光发送端，光纤，光接收端。在光发送端， 来自于电端机的信号经过处理后对光源进行调制，把电信号转换成光信号，然后将已调的 光信号耦合进光纤进行传输。光接收端将光纤传输来的光信号，经光检测器转换为电信号， 然后再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机。 本文首先确定了数字光纤通信系统的总体设计方案，对基于c p l d 的设计思想作了 总体概述，并详细说明了c p l d 的选型及配置下载，建立了片上系统的硬件开发平台。 然后，论述了基于c p l d 的数字光纤通信系统的软件设计方法和硬件设计方法。软件设 计部分以“自顶向下的设计思路按功能将整个系统划分为4 个模块：p c m ( p u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 编译码、时分复用数字信号源、线路编译码及数字终端( 位同步、帧同步、 分接) 模块，文中介绍了各模块的设计思想，并给出了各模块在m a x + p l u si i 中进行开 发和仿真的结果。硬件设计部分包括音频接口电路、信号放大电路、p c m 编译码电路、 c p l d 外围电路以及电源电路，详细介绍了各电路所采用的芯片，给出了电路原理图和实 验波形。最后，本文给出了系统整体的软件设计原理图和硬件调试结果，对设计中出现的 问题和硬件调试结果进行了分析，并讨论了c p l d 实现过程中的问题及优化方案。 软件仿真和硬件调试结果表明：基于c p l d 的数字光纤通信系统能够实现基本的通 话，并且设计正确，性能良好。 关键词：光纤通信；复杂可编程逻辑器件c p l d ；硬件描述语言v h d l ( v h s i ch a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ；自顶向下 蕴 a b s t l a c t t i t l e ：s t u d yo fd i g i t a lo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do nc p l d m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n n a m e ：w uw e n j i n g s u p e r v i s o r ：p r o f h ul i a o l i n d e f e n s ed a t a ：m a r c h2 0 0 8 a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ：丝趣巫 t h ec o r eo fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi se d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) a tp r e s e n t t h e d e s i g n e r sc a na c c o m p l i s ht h eh a r d w a r ef u n c t i o no fs y s t e mo n l yb yu s i n gs o r w a r et 0 0 1 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) i so n ek i n do fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( p l d ) ，i ti s c h a r a c t e r i z e db yf l e x i b l ep r o g r a m m i n g ，h i g hi n t e g r a t i o n ，s h o r tc y c l eo fd e s i g na n dd e v e l o p m e n t ， w i d ea p p l i c a t i o nr a n g e ，a d v a n c e dd e v e l o p m e n tt o o l ，l o wc o s ta n dh i g hs e c u r i t y , i ta l s oc a n r e a l i z eal a r g e - s c a l ec i r c u i td e s i g n ，t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di np r o t o t y p ed e s i g na n d p r o d u c t i o n ap o i n t - t o - p o i n ts m a l ld i g i t a lo 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 a s e do nc p l d i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eo 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 mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，n a m e l y , o p t i c a l t r a n s m i t t e r , o p t i c a lf i b e r ，o p t i c a lr e c e i v e r t h ep r o c e s s e ds i g n a lf r o mt h ee l e c t r o n i ct e r m i n a li s u s e dt om o d u l a t et h el i g h to nt h eo p t i c a lt r a n s m i t t e r , e l e c t r o n i cs i g n a lc a nb ec o n v e r t e di n t o o p t i c a ls i g n a li nt h ep r o c e s s t h e nt h em o d u l a t e do p t i c a ls i g n a li sc o u p l e dt ot h eo p t i c a lf i b e r t h eo p t i c a ls i g n a lf r o mo p t i c a lf i b e ri sc o n v e r t e di n t oe l e c t r o n i cs i g n a lo nt h eo p t i c a lr e c e i v e r , t h e nt h i sw e a ke l e c t r o n i cs i g n a li sa m p l i f i e dt ot h ee n o u g hl e v e la n ds e n tt ot h ee l e c t r o n i c t e r m i n a l a tf i r s t ，t h ep a p e rc o n f i r m st h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h ed i t i g a lo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti n t r o d u c e sa no v e r v i e wo ft h ed e s i g ni d e ab a s e do i lc p l da n d i l l u s t r a t e st h ec h o i c eo fc p l da n dh o wt oc o n f i g u r ei nd e t a i l ，s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i pi s e s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g nm e t h o do ft h ed i t i g a lo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nc p l di sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt o t o p - d o w n s t r u c t u r ei nt h e s o f t w a r ep a r t ，t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u ri n d e p e n d e n tm o d u l e s ：p c me n c o d e ra n d d e c o d e r , t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs i g n a ls o u r c e ，c h a n n e le n c o d e ra n dd e c o d e ra n dd i g i t a l i i i 西安理工大学硕士学位论文 t e r m i n a l ( b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ，d e m u l t i p l e x i n g ) ，t h ed e s i g ni d e ao fe a c h m o d u l ei sd e s c r i b e da m p l ya n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so nm a x + p l u s i ia r eg i v e d t h e h a r d w a r ep a r ti n c l u d e sa u d i oi n t e r f a c ec i r c u i t ，s i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，p c me n c o d i n ga n d d e c o d i n gc i r c u i t ，p e r i p h e r yc i r c u i to fc p l d a n dp o w e rc i r c u i t ，t h ec h i p su s e di nt h ec i r c u i t sa r e i n t r o d u c e d t h e nc i r c u i ts c h e m a t i c sa n de x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sa r ed i s p l a y e d f i n a l l y , s o f t w a r ed e s i g nf i l e sa n dh a r d w a r ed e b u g g i n gr e s u l t so ft h ew h o l es y s t e ma r e p r e s e n t e d s o m eq u e s t i o n si nt h es o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ed e b u g g i n ga r ea n a l y z e da n dt h e p r o b l e m si nr e a l i z a t i o no fc p l da n d t h es o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d t h er e s u l t so fs o f t w a r es i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e b u g g i n gs h o wt h a tt h ed i g i t a lo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nr e a l i z eb a s i cc o m m u n i c a t i o n ，b e s i d e s ，i ti sd e s i g n e dc o r r e c t l y a n dt h ep e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ；c p l d ；v h d l ；t o p d o w n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盖埠 训p 年 享 月j 日 学位论文使用授权声明 本人整塑堑 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：醯导师签名：翅望签砒年弓月7 日 绪论 1 绪论 1 1 引言 在当今的信息社会中，信号的实时传输变得非常重要。如在城市道路、大型购物商场、 超市以及小区等的安全监控系统中，多媒体信号传输的需求日渐增长。光纤通信技术以其 独特的优势( 体积小、重量轻、传输带宽大、具有超强的抗辐射和电磁干扰能力、无中继 传输距离长等) 在各个领域的应用已经得到广泛的认同。 光纤通信系统主要由三部分组成，分别是光发送端、光纤和光接收端。其中，光发送 端和光接收端由很多电路构成，因此光纤通信系统的体积大而且设计与实现的风险也较 大。为了减小整个光纤通信系统的体积，增加光纤通信技术使用的灵活性和可靠性，本文 采用可编程逻辑器件来集成光发送端和光接收端中主要的数字电路，详细介绍了基于 c p l d 的数字光纤通信系统的设计与实现。 1 2 光纤通信系统简介 1 2 1 光纤通信的发展及应用 自从1 9 6 6 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来，光纤通信从研究到应用，发展 非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力( 传输速率和中继距离) 不断提高，应用范围 不断扩大。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段( 1 9 6 6 1 9 7 6 ) ，这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现 了短波长( 0 8 5 p , m ) 低速率( 4 5 或3 4 m b s ) 多模光纤通信系统，无中继传输距离约1 0 k m 。 第二阶段( 1 9 7 6 1 9 8 6 ) ，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广 应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长( 0 8 5 1 a m ) 发展到长波长( 1 3 1 p m 和1 5 5 岬) ，实现了工作波长为1 3 1 b t m 、传输速率为1 4 0 5 6 5 m b s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为1 0 0 5 0 k m 。 第三阶段( 1 9 8 6 1 9 9 6 ) ，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究 的时期。在这个时期，实现了1 5 5 p m 色散移位单模光纤通信。采用外调制技术，传输速 率可达2 5 1 0 g b s ，无中继传输距离可达1 5 0 1 0 0 k m 。实验室可以达到更高水平。 任何光纤通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量 和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽 度越宽。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。 2 0 世纪6 0 年代，微波通信技术已经成熟，因此开拓频率更高的光波应用，就成为通信技 术发展的必然。 电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是 电磁波，但是频率差别很大。光波频率比电波频率高很多，因此相对于电缆通信或微波通 信，光纤通信具有许多独特的优点：容许频率很宽，传输容量很大；损耗很小，中继距离 西安理工大学硕士学位论文 很长且误码率很小；重量轻、体积小；抗电磁干扰性能好；泄露小，保密性好；节约金属 材料，有利于资源合理使用。 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算 机网，以及在其他数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发 展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下： ( 1 ) 通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网和特殊通信手段。 ( 2 ) 构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速传 输链路。 ( 3 ) 有线电视网的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安 部门的监控；自动控制系统的数据传输。 ( 4 ) 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频 及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。 总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能 力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用u 1 。 1 2 2 光纤通信系统的基本组成及其主要作用 光纤通信系统的基本组成如图1 1 所示，主要由三部分构成：光发送端、光纤及光接 收端。 图1 1 数字光纤通信系统方框图 f i g 1 - 1d i g i t a lo 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 光发送端的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通 信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。直接光强度调制的数 字光发射机主要有输入接口电路、线路编码电路、调制电路和控制电路以及光源，下面简 单介绍一下口1 。 2 绪论 a 线路编码电路 线路编码之所以必要，是因为在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合电缆传输的 双极性码，光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系 统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲 表示“1 码，“无光脉冲 表示“0 码。但是简单的二电平码会带来如下问题： ( 1 ) 在码流中，出现“1 码和“o 码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生 随机波动( 基线漂移) ，给光接收机的判决带来困难。 ( 2 ) 在随机码流中，容易出现长串连“1 码或长串连“0 码，这样可能造成位同步 信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。 ( 3 ) 不能实现在线( 不中断业务) 的误码检测，不利于长途通信系统的维护。 数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有： ( 1 ) 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高 输出功率的稳定性和减少码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。 ( 2 ) 能给光接收机提供足够的定时信息。因而尽可能减少连“1 码和连“0 码的数 目，使“1 ”码和“o 码的分步均匀，保证定时信息丰富。 ( 3 ) 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码检测和公务通信。但对高速光纤通信 系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。 数字光纤通信系统常用的线路码型有：扰码、m b n b 码和插入码。我国3 次群和4 次 群光纤通信系统最常用的线路码型是5 8 6 b 码。m b n b 码是一种分组码，设计者可以根据 传输特性的要求确定某种码表。m b n b 码的特点是： ( 1 ) 码流中“0 和“l 码的概率相等，连“0 和连“1 的数目较少，定时信息丰 富。 ( 2 ) 高低频分量较小，信号频谱特性较好，基线飘移小。 ( 3 ) 在码流中引入一定的冗余码，便于在线误码检测。 m b n b 码的缺点是传输辅助信号比较困难。因此，在要求传输辅助信号或有一定数量 的区间通信设备中，不宜用这种码型。 b 调制电路和控制电路 电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与间接调制。在高速系统中，要采用专用 的外调制器。在低速率系统中，即用电信号直接调制半导体光源的驱动电流，如图1 2 所 示，输出光功率随驱动电流而变化。对调制电路和控制电路的要求如下： ( 1 ) 输出光脉冲的通断比( 全“1 码和全“0 码的平均光功率的比值) 应大于1 0 ， 以保证足够的光接收信噪比。 ( 2 ) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通 延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。 ( 3 ) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振 3 西安理工大学硕士学位论文 荡，保证发射机正常工作。 ( 4 ) 应采用自动功率控制( a p c ) 和自动温度控制( a t c ) ，以保证输出光功率有足够 的稳定性。 p 么丽 l 1 7 ( a ) ( b ) 图1 - 2 直接光强数字调制原理 ( a ) l e d ；( b ) l d f i g 1 - 2d i g i t a lm o d u l a t i o np r i n c i p l eo fd i r e c tl u m i n o u si n t e n s i t y ( a ) l e d ；( b ) l d c 光源 目前的光纤通信系统采用半导体激光器( l d ) 作为光源，在低速通信系统中，也可 选用发光二极管( l e d ) 作光源。对通信用光源的要求如下： ( 1 ) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0 8 5 岬、1 3 1 9 m 和1 5 5 i t m 附近。光源单色性要好，即谱线宽度要窄，以减少光纤色散对带宽的限制。 ( 2 ) 电光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功 率，且线性良好。发射光束的方向性要好，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 ( 3 ) 允许的调制速度要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。 ( 4 ) 器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 ( 5 ) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 以上各项中，调制速度、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系 统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。 光纤的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机。 光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成，光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是 不可缺少的器件。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而 且有足够好的机械特性和环境特性。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光 纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 光接收机的功能是把从光纤线路输出的产生失真和衰减的光信号转换为电信号，并经 4 绪论 放大处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检测器、放大器以及均衡和再生电路组 成，下面简单介绍一下。 a 光检测器 光检测器是光接收机的核心，并且是实现光电转换的关键器件，其性能特别是响应 度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。目前，适合与光纤通信系统应用的光检测器有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) 。对光检测器的要求如下： ( 1 ) 波长响应要和光纤低损耗窗1 3 ( 0 8 5 i - t m 、1 3 1 i _ t m 和1 5 5 n ) 兼容。 ( 2 ) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流。 ( 3 ) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号。 ( 4 ) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。 b 放大器 放大器包括前置放大器和主放大器。前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接 收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型。主放大器一般是多极放大器， 它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制( a g c ) ，以使输入光信号在一 定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和a g c 决定着光接收机的动态范围。 c 均衡和再生电路 均衡的目的是对经光纤传输、光电转换和放大后已产生畸变( 失真) 的电信号进行 补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。 再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合 的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行判决，以得到原发送的码流嗍。 1 3 可编程逻辑器件简介 ： 可编程逻辑器件p l d 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的器件，p l d 是一种由用户根据自 己的需要来设计逻辑功能并对此器件进行编程后实现的。随着微电子技术的发展，系统设 计者更愿意自己设计专用集成电路芯片，并且希望集成电路的设计周期尽可能短，最好是 在实验室就能设计出合适的集成电路芯片，并且立即投入实际的应用中去，其中应用最广 范的是复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程逻辑器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) 。 1 3 1 可编程逻辑器件的发展 随着科学技术的发展，集成电路的设计正朝着速度快、性能高、容量大、体积小和微 功耗的方向发展，这种发展必将导致集成电路的设计规模同益增大，复杂程度日益提高。 经过4 0 多年的发展，集成电路已经从小规模集成( s s d 、中规模集成( m s i ) 、大规模集 成( l s i ) 发展到超大规模集成( v l s i ) 和特大规模集成( u l s i ) ，每个芯片可以集成数 百万个以上的晶体管。如今，大规模和超大规模集成电路已经成为高科技研发领域的基础。 从可编程逻辑器件的发展历史上看，可编程逻辑器件经历了p r o m 、p l a 、g a l 、e p l d 西安理工大学硕士学位论文 到c p l d 和f p g a 的发展过程，它在结构、制造工艺、集成度、逻辑功能、速度和功耗 上都有了很大的提高和改进。其中，c p l d 和f p g a 由于集成度非常高，因此这两种可编 程逻辑器件也常被称作高密度可编程逻辑器件。可以毫不夸张地讲，p l d 能完成任何数 字器件的功能，上至高性能c p u ，下至简单的7 4 电路，都可以用p l d 来实现。使用p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。总之， 可编程逻辑器件的出现大大改变了传统的电路系统的设计方法，从而形成了一种新的基于 芯片的设计方法。通过基于芯片的设计方法可以大大减少系统设计中的器件数量，缩小系 统体积和降低功耗等，从而提高设计系统的性能和可靠性【4 j 。 1 3 2f p g a 及c p l d 器件的选择 f p g a 和c p l d 是目前大量使用的可编程大规模集成电路。可编程器件的使用大大 缩短了电子产品的设计周期，较少了设计成本及风险，是电子领域的一场革命。 f p g a 器件将逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块来实 现相应的逻辑功能。f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念， 内部包括三个部分，分别是可配置逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输入输出块 l o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e t ) 。可以说，f p g a 芯片是提高系统集 成度和可靠性的最佳选择之一。目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列和a l t e r a 公司的f i e x 系列等。 c p l d 器件将多个可编程阵列器件( p ：a l ) 集成到一个芯片内，一般包括三个部分， 分别是可编程逻辑功能块、可编程i o 单元以及可编程内部连线。有些c p l d 器件还集成 r a m 、双r a m 和f i f o 等。尽管f p g a 和c p l d 均为可编程器件，有很多共同的特点， 但由于结构上的差异，在使用时应注意以下几点。 ( 1 ) c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l d 器件的编程采用e 2 p r o m 或f a s t f l a s h 技术，使用时无需外部存储芯片，系统断电时编程信息不丢失；而f p g a 器件使 用时必须采用外部存储器存储编程信息。由于采用s r a m 存储技术，f p g a 编程信息在 系统断电时丢失，每次上电时，必须将编程信息重新写入s r a m 中，但f p g a 的编程次 数没有限制。 ( 2 ) c p l d 器件的速度比f p g a 快，保密性能好，但功耗大，而且功耗随集成度的提 高愈加明显。 ( 3 ) f p g a 的集成度比c p l d 高，但f p g a 分段式布线结构决定了其延迟的不可预测 性，而c p l d 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的。 尽管采用f p g a 器件和c p l d 器件都可完成相同的电路设计，但在实际使用时，应 注意到对于复杂的组合逻辑电路设计，宜采用c p l d 器件，对于时序逻辑电路设计，宜 采用f p g a 器件b 1 。 因此基于上面的分析，本系统电路设计采用c p l d 器件。 6 绪论 1 3 3 可编程逻辑器件开发平台及开发过程 对于可编程逻辑器件的设计来说，除了要求设计人员有较高的专业知识水平外，成功 与否在很大程度上取决于e d a 开发软件。在提供高性能芯片的同时，a l t e r a 公司也提供 了强大而易于使用的软件开发平台m a x + p l u si i 。m a x + p l u si i 开发平台提供了一种与 结构无关的设计环境，它使a l t e r a 通用可编程逻辑器件系列的设计者能方便地进行设计输 入、快速处理和器件编程。使用m a x + p l u si i ，设计者无需精通器件内部的复杂结构， 只需运用自己熟悉的输入工具进行设计，通过m a x + p l u si i 把这些设计转换成最终结构 所需的格式。由于有关结构的详细知识已装入开发工具，设计者不需手工优化自己的设计， 因此设计速度非常快。a l t e r a 公司开发平台m a x + p l u si i 具有下列三个特点： ( 1 ) 全集成化的环境。m a x + p l u si i 开发平台包含有一般可编程逻辑器件开发所要求 的设计输入、编译、验证和最后阶段的编程等功能。这些功能都集成在w i n d o w s 的图形 界面下。该软件简单易学，同时其快速的纠错能力缩短了开发周期。 ( 2 ) 广泛支持各种硬件描述语言。m a x + p l u si i 开发平台支持多种硬件描述语言，包 括v h d l 、v e r i l o g h d l 和a l t e r a 公司的a h d l 语言。这个特点使设计人员能够跟上用硬 件描述语言设计电路的步伐。 ? ( 3 ) 开放的接口。m a x + p l u si i 开发平台与其他e d a 工具的接口符合e d i f 2 0 0 和 e d i f 3 0 0 的标准，它可以支持诸如s y n o p s y s 、v i e w l o g i c 、m e n t o rg r a p h i c s 、c a d e n c e 、c d a 等e d a 工具。设计人员可以用各种e d a 工具完成设计输入，然后调用m a x + p l u si i 开 发平台的c o m p l i e r 进行编译，也可以借助其他e d a 工具作器件级和系统级的仿真测试， 以达到优化设计的目的，。 基于这些特点m a x + p l u si i 被誉为业界最易学易用的e d a 软件，因此本次设计选 择m a x + p l u si i 作为开发平台。 高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程如图1 3 所示，它包含设计准备、设计输入、 功能仿真、设计处理、时序仿真和器件编程及测试等六个步骤。 a 设计准备 在系统设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等准备工作。设计人员 根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本及连线的可 布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和器件类型。一般采用自上而下的设计方法。 b 设计输入 设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并送入计算机 的过程成为设计输入。设计输入通常有以下几种形式： ( 1 ) 原理图输入方式 ( 2 ) 硬件描述语言输入方式 ( 3 ) 波形输入方式 7 西安理工大学硕士学位论文 图1 3 可编程逻辑器件设计流程 f i g 1 3d e s i g nf l o wo f p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c 功能仿真 功能仿真也叫前仿真。用户所设计的电路必须在编译之前进行逻辑功能验证，此时的 仿真没有延时信息，对于初步的功能检验非常方便。 d 设计处理 设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计输入文件 进行逻辑化简、综合优化和适配，最后产生编程用的编程文件。 e 时序仿真 时序仿真又称后仿真或延时仿真。由于不同器件的内部延时不一样，不同的布局布线 方案也给延时造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真，分 析其时序关系，估计设计的性能，以及检查和消除竞争冒险等是非常必要的。实际上这也 是与实际器件工作情况基本相同的仿真。 f 器件编程测试 时序仿真完成后，软件就可产生供器件编程使用的数据文件。对c p l d 来说，是产 生熔丝图文件，即j e d 文件，对于f p g a 来说，是产生位流数据文件，然后将编程数据 放到对应的可编程逻辑器件中去。器件编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序 和编程算法等。普通的c p l d 器件和一次性编程的f p g a 需要专用的编程器完成器件的 编程工作。在线可编程的p l d 器件不需要专门的编程器，只要一根编程下载电缆就可以 了。器件在编程完毕后，可以用编译时产生的文件对器件进行校验、加密等工作。对于支 持j t a g 技术，具有边界扫描测试b s t 能力和在线编程能力的器件来说，测试起来就更 加方便。 绪论 1 3 4 利用v h d l 设计硬件电路的优点 当前各a s i c 芯片制造商都相继开发了用于各自目的的h d l 语言，但是大多都未标 准化和通用化。唯一已被公认的是美国国防部开发的v h d l 语言，它已成为i e e e s t d 1 0 7 6 标准。另外，从近期h d l 语言发展的动态来看，许多公司研制的硬件电路设 计工具也都逐渐向v h d l 语言靠拢，使得它们的硬件电路设计工具也能支持v h d l 语言。 v h d l 语言和其他h d l 语言相比有以下四个特点： ( 1 ) 设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。v h d l 语言可以支持自项向下( t o p d o w n ) 和基于库( l i b r a r y b a s e d ) 的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路、f p g a 以及其 他随机电路的设计。其范围之广是其他h d l 语言所不能比拟的。因此，目前大多数e d a 工具几乎在不同程度上都支持v h d l 语言。这样给v h d l 语言进一步推广和应用创造了 良好的环境。 ( 2 ) 系统硬件描述能力强。v h d l 语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从 系统的数学模型直到门级电路。另外，高层次的行为描述可以与低层次的r t l 描述和结 构描述混合使用。v h d l 语言能够进行系统级的硬件描述，这是它的一个最突出的优点。 其他h d l 语言，如u d l 1 、v e r i l o g 等只能进行i c 级、p c b 级描述。再如，v i - i d l 语言 可以自定义数据类型，这样也给编程人员带来了较大的自由和方便。 ( 3 ) v h d l 语言可以与工艺无关编程。在用v h d l 语言设计系统硬件时，没有嵌入与 工艺有关的信息。这样的信息是可以用v h d l 语言来编写的。与大多数h d l 语言的不同 之处是当门级或门级以上层次的描述通过仿真检验以后，再用相应的工具将设计映射成不 同的工艺( 如m o s 、c m o s 等) 。这样，在工艺更新时，就无需修改原设计程序，只要 改变相应的映射工具就行了。 ( 4 ) v h d l 语言标准、规范、易于共享和复用。由于v h d l 语言已作为一种i e e e 的 工业标准，这样，设计成果便于复用和交流，反过来就能进一步推动v h d l 语言的推广 及完善。另外，v h d l 语言的语法比较严格，其风格类似于a d a 语言，给阅读和使用都 带来了极大的好处眵1 。 基于这些特点，本次设计采用v h d l 语言作为系统开发语言。 1 3 5 使用可编程逻辑器件的必要性 用可编程逻辑器件取代传统的标准集成电路、接口电路、专用集成电路已成为数字技 术发展的趋势。在构成数字系统时，这种器件具有下述特点：由于一片可编程逻辑器件的 集成规模可达到数千乃至数万个p l d 等效门，可以代替数十个至数百个分立器件，因此 能够大大缩小硬件系统的体积，减轻重量，降低功耗，还可以提高系统的可靠性，使之易 于获得高性能，并具有很强的保密性。同时也可以降低系统成本，并且可以反复地编程、 擦除，使用者只需在外围电路不懂的情况下用不同软件即可实现不同的功能。因此，设计 人员在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计，提高了 9 西安理工大学硕士学位论文 设计和使用的灵活性。 e d a 技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的e d a 工具面世，我国a s i c 的设计和生产能力还比较薄弱，绝大多数电子产品的密度和速度又 不是太高，批量也比较小。因此，广泛使用p l d 器件是提高我国电子产品的性能和竞争 能力的主要技术措施之一，应当大力推广普及阻1 。 1 4 本论文的主要研究内容 当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小的方向发展，推动该潮流迅速发 展的引擎就是日趋进步的a s i c 设计技术。本论文将数字化技术和光纤传输技术相结合， 设计了一种基于c p l d 的数字光纤通信系统，该系统具有高集成度、可靠性和灵活性等 特点。 论文主要的研究内容如下： 1 软件设计采用可编程逻辑器件c p l d ，根据“自顶向下 的设计思想，完成了数 字光纤通信系统基本的数字电路功能，包括时分复用数字信号源的产生，线路编码与译码、 数字锁相环位同步信号的提取、帧同步信号的提取以及数字信号的分接等模块的实现。 2 建立了语音传输系统的硬件平台，完成了一个完整的e 1 传输系统，系统中实现 了标准的一次群传输功能模块。 3 c p l d 程序调试，由p c 机将程序下载到以可编程逻辑器件为核心的硬件平台上 进行调试。 4 分析了实验中出现的问题并提出了优化方案，为后续的研究工作奠定了基础。 1