基于FPGA的高速數字相關(guān)器設計

　摘要：在數字通信的數據傳輸過(guò)程中，需要保持數據在傳輸過(guò)程中的同步，因此要在數據傳輸過(guò)程中插入幀同步字進(jìn)行檢測，從而有效避免發(fā)送數據和接收數據在傳輸過(guò)程中出現的異步問(wèn)題。文中提出了一種采用流水線(xiàn)技術(shù)、基于 FPGA設計高速數字相關(guān)器的方法。仿真結果表明設計方案是可行的。

　　在數字通信系統中，常用一個(gè)特定的序列作為數據開(kāi)始的標志，稱(chēng)為幀同步字。在數字傳輸的過(guò)程中，發(fā)送端要在發(fā)送數據之前插入幀同步字。接收機需要在已解調的數據流中搜尋幀同步字，以確定幀的位置和幀定時(shí)信息。幀同步字一般為一系列連續的碼元，在接收端需要對這一系列連續的碼元進(jìn)行檢測，如果與預先確定的幀同步字吻合，則說(shuō)明接收端與發(fā)送端的數據是保持同步的，開(kāi)始接收，否則不能進(jìn)行接收。完成幀同步字檢測工作的正是數字相關(guān)器。本文采用流水線(xiàn)技術(shù)，研究了基于 FPGA的高速數字相關(guān)器的設計方法，并給出了 MAX+PLUSII環(huán)境下的仿真結果。

　　1 數字相關(guān)器原理

　　數字相關(guān)器在通信信號處理中實(shí)質(zhì)是起到數字匹配濾波器的作用，它可對特定碼序列進(jìn)行相關(guān)處理，從而完成信號的解碼，恢復出傳送的信息。其實(shí)現方法是進(jìn)行兩個(gè)數字信號之間的相關(guān)運算，即比較等長(cháng)度的兩個(gè)數字序列之間有多少位相同，多少位不同。昀基本的相關(guān)器是異或門(mén)，例如，y=ab，當 a=b時(shí)，y=0，表示兩位數據相同；當 a≠b時(shí)，y=1，表示兩位數據不同。多位數字相關(guān)器可以由一位相關(guān)器級連構成。 N位數字相關(guān)器的運算通?？梢苑纸鉃橐韵聝蓚€(gè)步驟：對應位進(jìn)行異或運算，得到 N個(gè) 1位相關(guān)運算結果；統計 N位相關(guān)運算結果中 0或 1的數目，得到 N位數字中相同位和不同位的數目。

　　當數字相關(guān)器接收到一組數據時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿對幀同步字進(jìn)行檢測。對于幀同步字是一個(gè)連續 16位的碼元，數字相關(guān)器在進(jìn)行檢測的過(guò)程中，只有當連續檢測到 16位的碼元與預先設定的幀同步字完全相同時(shí)，才由輸出端輸出信號表示幀同步。否則，任何一位出現不相等，數字相關(guān)器又將重新開(kāi)始進(jìn)行檢測，直到出現連續的 16位碼元與預先設定的 16位碼元完全相等時(shí)才進(jìn)行輸出。數字相關(guān)器的設計一般考慮采用串行輸入或并行輸入兩種輸入檢測方式，由于串行輸入是在 16個(gè)時(shí)鐘周期內依次對兩路串行輸入信號 A、B進(jìn)行異或運算，并統計數據位相同個(gè)數，檢測速度較慢，要提高檢測速度，就要考慮采用并行輸入檢測方式。

　　2 高速數字相關(guān)器的 FPGA實(shí)現

　　在 16位并行數字相關(guān)器中，由于實(shí)現 16位并行相關(guān)器需要的乘積項、或門(mén)過(guò)多，因此為降低耗用資源，可以分解為 4個(gè) 4位相關(guān)器，然后用兩級加法器相加得到全部 16位的相關(guān)結果，其結構圖如圖 1所示，如果直接實(shí)現該電路，整個(gè)運算至少要經(jīng)過(guò)三級門(mén)延時(shí)。隨著(zhù)相關(guān)數目的增加，速度還將進(jìn)一步降低。為提高速度，采用“流水線(xiàn)技術(shù)”進(jìn)行設計，模塊中對每一步運算結果都進(jìn)行鎖存，按照時(shí)鐘節拍逐級完成運算的全過(guò)程。雖然每組輸入值需要經(jīng)過(guò)三個(gè)節拍后才能得到運算結果，但是，每個(gè)節拍都有一組新值輸入到第一級運算電路，每級運算電路上都有一組數據同時(shí)進(jìn)行運算，所以總的來(lái)講，每步運算花費的時(shí)間只有一個(gè)時(shí)鐘周期，從而使系統工作速度基本等于時(shí)鐘工作頻率。