摘  要: 通过对同步系统中汉明距发生器的关键部分——累加器" title="累加器">累加器实现方法的对比论证,给出了一种节省资源、鲁棒性强的高速汉明距发生器的设计方案；通过FPGA进行了设计仿真；给出了该汉明距发生器在同步系统中的应用方法；最终将该设计应用于一种高速卫星帧同步" title="帧同步">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" title="帧同步系统">帧同步系统" 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　　关键词: 帧同步  汉明距发生器  华莱" title="华莱">华莱士树  全流水

　　在信道编码中,把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的位数定义为两个码组的距离,称为汉明(Hamming)距,简称码距。汉明距是信道编码的一个重要参数,它不仅可以衡量一种编码的检错和纠错能力,而且可以用来衡量两个码字的相似程度。帧同步是数字通信中的一项关键技术。实现同步的基本思想就是计算从数据流中提取出的码字与本地同步码字的汉明距d,通过d衡量它们的相似程度,在d连续数次小于一定门限的前提下,即可判断系统进入同步状态。汉明距发生器的性能决定着整个帧同步系统的性能,特别是在数据速率很高的情况下,更成为限制同步系统数据速率的瓶颈。本文首先运用文献[2]中提出的一种最佳累加器实现方案通过FPGA设计了32位高速汉明距发生器,针对其存在的占用资源多和速度不够的缺陷,提出了一种新的高速汉明距发生器设计方案,通过FPGA实现,用于帧同步系统中。

1 位扩展华莱士树算法设计的高速汉明距发生器的性能分析

　　汉明距发生器的基本原理是把两个码字的对应位进行异或,然后统计异或结果中1的个数。异或在FPGA中很容易实现,在此不做讨论。对于累加器,有多种实现方式,在文献[2]中给出了三种实现方案:超前进位加法器方案、级联型全加法方案和进位保留加法阵列方案。对三种方案的性能及所耗的资源进行分析、论证,得出进位保留加法阵列方案与其它两种方案相比,速度快且占用资源少。该方案用位扩展方式实现华莱士树加法运算。华莱士树是乘法器中部分积化简的一种树型结构,详见文献[3]。为实现实际所需的32位高速汉明距发生器,在此先对位扩展华莱士树算法进行简单的分析说明,再对其进行FPGA设计仿真。

　　设一个1位的全加器有三个输入 A、B、Ci和两个输出S、Co。其中A和B是加数与被加数,Ci是输入进位,S是和,Co是输出进位。三个输入对两个输出而言是对称的,即使它们互相交换位置结果也不会受影响。如果把一串全加器简单排成一行,它们之间的进位线不连接,则这一串全加器称为进位保留全加器。它具有如下特性:三个输入数之和等于两个输出数之和,即三个相加数每通过一次进位保留加法器,其个数就变为原来的2/3。利用该特点,对于所有相加数,在第一级将这些相加数分成3个一组,每组进入一个进位保留加法器,产生的和与进位数为原来的2/3,但是产生的和位数有所扩展,输入输出线旁所标的数字代表了扩展位数。在第二级再将上一级的输出分为3个一组,分别相加,依此类推,直到最后形成两个操作数,即累加和与累加进位。再将二者用超前进位相加器相加即可得所求结果。图1是八个1位加数的位扩展汉明距发生器设计简图。

　　实际设计中用位扩展相加法设计的32位汉明距发生器用了89个全加器,8级华莱士树,一个8位超前进位加法器。如果实现全流水(为了适应高速数据,提高同步系统适应输入数据时钟的可能不规则或不均等性,将所有的全加器都放在移位寄存器之间的设计,在此称为全流水。将系统适应输入数据时钟的可能不规则或不均等性的能力,在此称为系统的鲁棒性)。要用212个移位寄存器。可见,运用该算法设计的高速汉明距发生器占用资源很多。而在FPGA设计中,资源有限又宝贵。

　　在没有加入流水的情况下,用位扩展华莱士树算法对32位汉明距发生器累加器进行了FPGA设计仿真,通过Altera器件EPF10K30RC240-3实现了32位同步字的汉明距计算。仿真结果如图2所示。

　　用位扩展华莱士树算法设计的32位汉明距发生器累加器仿真延时矩阵部分典型数据如表1所示。

　　矩阵左端一列是输入(Source),第一行是输出(Destination),中间部分是延时τ_delay,有斜线的表示存在最大延时τ_{max_delay}和最小延时τ_{mix_delay},斜线前是最小延时τ_{min_delay},斜线后是最大延时τ_{max_delay}。同步系统要实现帧同步,系统必须能够适时地得到汉明距d。这要求汉明距发生器的所有输入输出最大延时不能超过流过数据流的时钟周期T_clk的一半,即。图2中τmax_delay约为37ns,因此，T_clk≥2×37=74ns。最高数据速率为。在实际的帧同步系统中,要对48.568Mbps高速数据流进行帧同步,该汉明距发生器远不能达到要求。

　　通过以上分析和实际设计仿真可知,位扩展华莱士树算法设计的高速汉明距发生器有两个问题:一是浪费资源;二是速度不够。为了满足实际需求,必须在这两个方面进行改进。

2 位权值" title="权值">权值华莱士树算法设计的高速汉明距发生器

　　实际设计中,对于资源浪费问题,采用一种位权值的办法取代位扩展,不仅减少了输入输出引脚数,同时减少了全加器的个数和华莱士树的级数。位权值相加是指将全加器的输入输出按权值的异同分类相加,而不进行位扩展。图3是位权值相加法设计的8位汉明距发生器的实现原理图。输入输出线旁所标是该数据线的单位。与图1相比较,图3所用全加器的个数少一个,输入输出线数少24条,华莱士树级数少一级。位扩展相加法与位权值相加法设计的8位汉明距发生器占用资源情况如表2所示。如果设计32位汉明距发生器,两种实现方案占用资源情况如表3所示。

　　通过以上分析以及表2和表3中的数据对比可知,位权值相加法所占用的资源明显少于位扩展相加法。同时由于前者的华莱士树级数低,处理延时要小于后者的处理延时。但要为48.568Mbps的数据流甚至更高速数据流提供帧同步所需的适时汉明距,同时提高系统的鲁棒性。实际实现中加入了全流水,使得所有的加法器都在两个流水寄存器之间。

　　在仿真中,假设数据速率为50Mbps,时钟周期为20ns,将汉明距发生器加入了7级流水寄存器,汉明距发生器在时钟上升沿锁存数据,经全加器计算后传到下一级流水寄存器的输入端,在下一个时钟上升沿将结果下传,经过6个时钟周期后,在第7个时钟上升沿将结果给出(图4中大约150ns竖线处所示。仿真结果对准了第8个时钟的下降沿,这是由于FPGA仿真程序输入输出管脚延时的缘故)。加入流水的位权值法设计的汉明距累加器基于时钟周期为20ns的仿真波形如图4所示。

　　通过FPGA仿真工具Timing Analyzer对位权值法设计的32位高速汉明距发生器的累加器进行了速度及关键路径延时测试。结果表明,所设计的汉明距累加器关键路径延时小于8ns,可以工作的最高数据速率为125Mbps,完全满足实际系统的高速帧同步设计要求。

3 位权值相加法设计的高速汉明距发生器的应用

　　设计高速汉明距发生器的目的是为数字通信帧同步系统提供适时的汉明距,为同步系统提供同步基准。本设计在实际帧同步系统中应用的基本原理如图5所示。图5中串行数据移入移位寄存器,在数据流的相应位置提取32位的数据信息,与本地同步字相异或,结果送入32位高速流水累加器;累加器送出6位汉明距,控制系统根据汉明距的值来判断系统状态,若满足帧同步条件,同步状态控制系统给出同步控制信号和同步状态信息,系统进入同步态,接收系统可以接收下一帧数据。对于系统同步状态与非同步状态之间的转换,同步系统理论有详尽说明,在此不做进一步解释。

　　为了满足实际帧同步系统中对高速汉明距发生器的设计要求,本文首先运用位扩展华莱士树算法进行了高速汉明距发生器累加器的分析、设计与仿真,对其占用资源多、速度低两个关键性问题进行了改进。运用位权值相加法取代了位扩展相加法,解决了占用资源多的问题;运用全流水的方法解决了速度不够的问题并给出了该汉明距发生器在实际数字通信帧同步系统中的应用。实践证明,位权值法设计的全流水高速汉明距发生器完全满足实际同步系统的设计要求,而且节省资源、鲁棒性强、可移植性好。

参考文献

1 曹志刚,钱亚生.现代通信原理. 北京: 清华大学出版社, 1994

2 邹 翊,王 华,匡镜明.汉明距离发生器实现方案的研究 [J]. 电讯技术,2001;41(6)：5～8

3 罗 莉,胡受仁.一个并行高速乘法器芯片的设计与实现. 计算机工程与科学, 1997；11

4 Singh S， Rose J. The Effect of Logic Block Architecture on FPGA Performance.IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1992；27(3)

5 Digital Communications, John G.Proakis. Publishing House of Electronics Industry. Beijing,2001

6 宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD技术及其应用. 西安：西安电子科技大学出版社,2000