用于實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕瑒訋�方法及其實現(xiàn)

1 引 言

某雷達(dá)系統(tǒng)要求在發(fā)送／接收過程中，采取時分多路方式，在實現(xiàn)多個輔助信息復(fù)接傳輸?shù)耐瑫r，完成某信號的實時傳輸。而基于傳統(tǒng)時分多路復(fù)接幀的處理技術(shù)不能很好地滿足實時傳輸?shù)囊�求，特別是當(dāng)信號的發(fā)送／接收實時性要求非常高時，顯得尤為突出。

針對工程應(yīng)用中的實際問題，經(jīng)過研究和實驗，本文提出了滑動幀處理方法�；瑒訋�處理是一種面向比特的時分多路復(fù)接同步通信協(xié)議處理技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求的變化，改變待傳輸數(shù)據(jù)在幀結(jié)構(gòu)中的起始位置，實時完成需快速傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)接，從而能很好地支持不同業(yè)務(wù)的復(fù)接傳輸，滿足有關(guān)實時數(shù)據(jù)的要求�？紤]到現(xiàn)場可編程門陣列(Field ProgrammableGate Array，F(xiàn)PGA)可以通過軟件反復(fù)編程使用，能夠兼顧速度和靈活性，可實時地對所構(gòu)造的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測和仿真。因此采用FPGA設(shè)計滑動幀是一種可行的方法。下面將詳細(xì)介紹基于FPGA的滑動幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想及具體實現(xiàn)。

2 滑動幀結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)

如圖1所示，傳統(tǒng)幀處理的思想在于，不同支路的數(shù)據(jù)信息是在各自定時信號的控制下交替地完成復(fù)接功能，接收下來的支路數(shù)據(jù)信息再按照支路時鐘進(jìn)行分接處理。即針對特定的數(shù)據(jù)信息，在傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中，需按照固定的時隙進(jìn)行復(fù)接發(fā)送和接收分接處理。

而采用滑動幀結(jié)構(gòu)技術(shù)時的幀構(gòu)成與傳統(tǒng)的幀構(gòu)成是相似的，如圖2所示，在一幀內(nèi)要包含以下基本內(nèi)容：幀定位信號、數(shù)據(jù)或輔助信息位、標(biāo)志位。

而幀定位信號選用最佳的幀同步碼，依據(jù)其在一幀中的位置分布，可分為集中式幀定位信號(bunchedframe alignment signal)和分散式幀定位信號(distributed frame alignment signal)，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[2]。考慮到需實時傳輸有關(guān)信號，經(jīng)分析比較，滑動幀結(jié)構(gòu)采用分散式幀定位信號。

幀復(fù)接過程中，需完成多個不同支路信息的打包傳輸，傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)常常對不同的支路數(shù)據(jù)信息分配了固定的傳輸時隙。而滑動幀結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)的幀處理方法，需快速傳輸數(shù)據(jù)根據(jù)到達(dá)幀的起始位置開始傳輸，傳輸起點因數(shù)據(jù)到達(dá)的起始位置變化而變化，處于動態(tài)滑動中；同時，在快速傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)的間隙，完成實時性要求不高的輔助信息的傳輸，這類數(shù)據(jù)在幀中傳輸?shù)臅r隙也不固定。

滑動幀結(jié)構(gòu)的顯著特點在于增加了標(biāo)志位。由于幀通常需完成實時數(shù)據(jù)和非實時輔助信息兩類數(shù)據(jù)的發(fā)送傳輸，因此，在對標(biāo)志位字段值功能進(jìn)行定義時，要專門保留一個標(biāo)志位字段值，根據(jù)這個標(biāo)志位，對奇／偶幀的數(shù)據(jù)特性進(jìn)行定義，以便在實時復(fù)接傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)的間隙，完成輔助信息的傳輸。同時，其他標(biāo)志位字段值隨實時傳輸數(shù)據(jù)在幀結(jié)構(gòu)中起始位置的變化而變化，標(biāo)志位字段值等同于實時傳輸數(shù)據(jù)在幀結(jié)構(gòu)中的起始位置，如果實時傳輸數(shù)據(jù)的起始位置和保留的標(biāo)志位字段值相同，延遲一個時鐘碼元再傳輸。

3 滑動幀結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)點

相比于傳統(tǒng)幀處理方法，滑動幀技術(shù)具有下列優(yōu)點：

實時性 傳統(tǒng)幀處理由于采用固定時隙傳輸對應(yīng)支路信息，一旦當(dāng)前幀不能完成信息的有效傳輸，就需延遲到下一幀復(fù)接傳輸。而滑動幀處理技術(shù)，克服了傳統(tǒng)幀處理方法的不足，實時地完成了有關(guān)信號的快速復(fù)接傳輸。

有效性 傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)由于采用固定時隙傳輸不同支路信息，對速率相對較低的支路而言，時隙利用率低。而滑動幀技術(shù)采用標(biāo)志位對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定位，高效支持不同速率信息的復(fù)接，時隙利用率高，可以充分節(jié)省頻帶資源，在衛(wèi)星通信中，還可降低地面站發(fā)送功率。

智能性 用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)的變化而動態(tài)改變支路業(yè)務(wù)的傳輸速率，同時設(shè)備可根據(jù)支路速率的變化而采取不同的工作速率，從而使用戶對信道具有很強(qiáng)的控制力，以有限的功能組件實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)。

經(jīng)濟(jì)性 由于采用滑動幀結(jié)構(gòu)技術(shù)，簡化了復(fù)分接功能的實現(xiàn)，降低了設(shè)備成本，使設(shè)備具有非常好的性價比。

4 基于FPGA的滑動幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法

考慮到實際需求，在可編程器件FPGA(XC2S300E)內(nèi)設(shè)計滑動幀處理器，在該器件內(nèi)可融合雷達(dá)系統(tǒng)的多種控制功能，可以在線編程、方便調(diào)試。

在FPGA內(nèi)實現(xiàn)滑動幀功能采用的是“自頂向下”的設(shè)計方法，即根據(jù)要求的功能先設(shè)計出頂層的原理圖，該圖由若干個功能模塊組成。再把各個模塊細(xì)化為子模塊，各層的功能采用電路圖實現(xiàn)，也可用硬件描述語言實現(xiàn)。設(shè)計中主要采用電路圖實現(xiàn)各種功能，經(jīng)過綜合和優(yōu)化等過程，最終將程序下載到芯片中。

滑動幀處理器的工作原理：滑動幀處理器要復(fù)接需快速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和多種不同的輔助數(shù)據(jù)流。因此，為完成多種類數(shù)據(jù)的復(fù)接，需要對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存儲。對需實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以并入串出的方式進(jìn)行鎖存，通過并／串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)按照滑動幀結(jié)構(gòu)及時地復(fù)接傳輸出去。對其他輔助信息，由于無快速傳輸要求，因此，可將輔助信息存入緩存區(qū)內(nèi)，在實時傳輸需快速傳輸信號的間隙傳輸輔助信息。

4.1 緩存區(qū)及端口控制

由于對實時傳輸信號的實時性要求非常高，因此，信號是由并入串出的鎖存器進(jìn)行緩存；而對其他輔助信息，為了平滑滑動幀結(jié)構(gòu)與外圍邏輯單元之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用異步FIFO作為兩者之間的接口。FIFO接收數(shù)據(jù)并由滑動幀時鐘讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀輸出。考慮到實際需求及FPGA的自身特性，需采用和輔助信息種類個數(shù)相同的多個FIFO完成速率轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)緩存功能。

FPGA內(nèi)的功能模塊如圖3所示。

4.2 滑動幀結(jié)構(gòu)處理器

要將信號傳送出去，構(gòu)造周期循環(huán)的滑動幀是必不可少的，滑動幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，當(dāng)緩存器空，即無信號需復(fù)接時，滑動幀按周期自循環(huán)。在此過程中，需實時傳輸信號的有無一直處于檢測過程中，一旦檢測到有效的實時傳輸信號，按照圖2所示幀結(jié)構(gòu)，實時地將信號復(fù)接到滑動幀結(jié)構(gòu)中。在復(fù)接時，按照實時傳輸信號在幀結(jié)構(gòu)中的起始傳送地址，在標(biāo)志位字段插入標(biāo)志位，以便接收端進(jìn)行檢測。如果在正傳輸輔助信息的過程中，有快速傳輸有關(guān)信號的要求，那么，需停止當(dāng)前輔助信息的傳輸，傳輸需快速傳輸?shù)男盘�。�?dāng)前未傳輸完的輔助信息在不傳輸需快速傳輸信號的間隙重新傳輸。由滑動幀結(jié)構(gòu)可以看出，在接收方，一旦檢測到有效標(biāo)志位，即可將移位寄存器的輸出端數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，確保最快鎖存有效信號。

5 滑動幀設(shè)計實例和綜合驗證

根據(jù)某雷達(dá)測頻系統(tǒng)的實際需求，構(gòu)造滑動分幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該系統(tǒng)中，所有需復(fù)接傳輸數(shù)據(jù)的寬度為8 b，滑動幀結(jié)構(gòu)構(gòu)造如下：采用12 b為周期的循環(huán)分幀結(jié)構(gòu)，采用分散式同步碼，標(biāo)志位為3 b。多個分幀組成一復(fù)幀結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)除需快速傳輸某測量信號外，還需傳輸多種控制字等輔助信息。由滑動幀結(jié)構(gòu)，當(dāng)標(biāo)志位1～3字段值為111時，當(dāng)前幀發(fā)送的信息為輔助信息標(biāo)志或輔助信息，標(biāo)志位字段值為其他值時傳輸某測量信號。

針對圖5所示滑動幀，完成FPGA程序設(shè)計后，在加載之前先用ISE開發(fā)工具進(jìn)行邏輯綜合和時序仿真。由于各功能模塊之間多數(shù)信號相關(guān)，在各功能融合之前要對相關(guān)模塊之間設(shè)計嚴(yán)格的時序約束條件，同時對時序邏輯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證滑動幀處理器正確輸出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。

為驗證滑動幀處理器的設(shè)計正確性，按照要求，以最頻繁的速率模擬復(fù)接發(fā)送某測量信號，程序加載到FPGA后，由示波器觀測到的滑動幀處理后的發(fā)送／接收波形如圖6所示，從上往下依次為發(fā)送信號使能，發(fā)送信號碼字；接收信號使能，接收信號碼字。由圖可以看出，采用滑動幀處理器，能保證在下一組信號發(fā)送之前，及時地完成上一組信號的發(fā)送／接收處理，充分滿足了實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

6 結(jié) 語

本文提出的滑動幀處理器，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)幀處理方法的缺陷，能很好地承載某信號的實時傳輸要求，同時能準(zhǔn)確承載其他輔助信息的傳送，充分滿足了系統(tǒng)快速獲取有關(guān)信號的要求。

在FPGA中設(shè)計實現(xiàn)滑動幀處理器，設(shè)計簡潔靈活、性能可靠，而且可根據(jù)實際要求與FPGA內(nèi)的多種設(shè)計功能進(jìn)行融合，提高了設(shè)備的集成度，系統(tǒng)有效性得到了極大提高。通過實際工程的應(yīng)用證明了設(shè)計可靠有效，取得了良好的社會效益。

作者：朱彥，高勇(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院 610065) 來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》