VHDL實(shí)現(xiàn)PCM碼解調(diào)程序模塊設(shè)計(jì)

1 引言

　　脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，簡稱PCM)是一種概念簡單、理論完善的編碼系統(tǒng)，其最大特征是把連續(xù)的輸入信號(hào)變換成在時(shí)間和振幅上都是離散量，然后再變換為代碼傳輸。信息為數(shù)字信號(hào)，在遠(yuǎn)距離再生中繼傳輸中不積累噪聲，從而提高了通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和VHDL 語言實(shí)現(xiàn)了PCM碼的解調(diào)，這樣在不改變硬件電路的情況下，能夠適應(yīng)PCM碼傳輸速率和幀結(jié)構(gòu)變化，從而正確解調(diào)數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　圖1給出基于FPGA的硬件電路。其中，圖1(a)為FPGA配置模塊；圖1(b)為信號(hào)收發(fā)模塊及PCM碼接收模塊。

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中FPGA選取Xilinx公司的Spartan系列XC2S50器件。該器件有4種工作模式，分別為主串模式、從串模式、邊界掃描和從并模式。將M0，M1，M2接地，使其工作在主串模式下。FPGA由存儲(chǔ)在片內(nèi)RAM中的程序設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時(shí)需要編程設(shè)置片內(nèi)的RAM。用戶可根據(jù)不同的配置模式，采用相應(yīng)的編程方式。上電時(shí)，F(xiàn)PGA將EPROM中的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)編程RAM，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)人工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯消失，恢復(fù)成白片。因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用且無需專用的編程器，采用通用EPROM，PROM編程器即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM。同一FPGA根據(jù)不同的編程數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生不同的電路功能。該系統(tǒng)在發(fā)送方接收到請求信號(hào)后則開始發(fā)送數(shù)據(jù)。PCM碼解調(diào)模塊在移位脈沖同步下接收數(shù)據(jù)，并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)存人FIFO中。每接收到一次請求脈沖發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)以146FH為結(jié)束標(biāo)志字，EB90為子幀同步字，當(dāng)PCM碼解調(diào)模塊檢測到幀尾后停止解調(diào)，并停止向FIFO寫人數(shù)據(jù)。PCM碼解調(diào)模塊由硬件描述語言編寫并集成于FPGA中。

3 PCM碼解調(diào)程序模塊

　　圖2給出PCM碼幀格式。其中N為子幀中的字?jǐn)?shù)，最大值為1 024；Z為一幀所含子幀個(gè)數(shù)，最大值為256。子幀同步字字長為16～32 bit，字長度為4～16 bit。在遙測系統(tǒng)中，依照PCM碼幀格式，將所要測控的參數(shù)放在格柵中自定義位，同時(shí)定義子幀同步字和字長。當(dāng)發(fā)送請求信號(hào)，同步接收一幀數(shù)據(jù)，即使一幀數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤，也不影響下一幀數(shù)據(jù)解調(diào)的正確性，進(jìn)一步減小誤碼率。檢測子幀同步字時(shí)，先找到一個(gè)子幀同步字后，每隔N個(gè)字節(jié)判斷移位數(shù)據(jù)是否為子幀同步字，對每一個(gè)子幀都進(jìn)行判斷，即使第一次誤判，或當(dāng)PCM發(fā)送中斷后再重發(fā)，也不會(huì)影響后續(xù)正確解調(diào)數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)子幀同步字、幀尾標(biāo)志字和請求信號(hào)的順序由該解調(diào)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行自我糾正，從而大大降低了誤碼率。圖3為PCM碼解調(diào)程序模塊圖。

3.1 移位脈沖產(chǎn)生程序

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求移位脈沖頻率為80 kHz，對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行40分頻。移位脈沖產(chǎn)生程序仿真圖如圖4所示。其中，bitt為位同步移位脈沖。

3.2 字節(jié)同步信號(hào)產(chǎn)生程序

　　設(shè)b為一個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)b為‘1’時(shí)，表示檢測到請求信號(hào)的上升沿且尚未結(jié)束一幀傳輸，該進(jìn)程的byte為字節(jié)同步信號(hào)，用來標(biāo)志一個(gè)字節(jié)接收完畢。字節(jié)同步信號(hào)產(chǎn)生程序仿真圖如圖5所示。

3.3 并行數(shù)據(jù)輸出及幀尾檢測程序

　　并行數(shù)據(jù)在字節(jié)同步信號(hào)byte的上升沿輸出，outdata為并行數(shù)據(jù)輸出端，同時(shí)將并行數(shù)據(jù)賦值給幀尾標(biāo)志tail的低8位，將tail的低8位給其高8位，當(dāng)tail的值為146F時(shí)，即表示一幀結(jié)束。并行數(shù)據(jù)輸出及幀尾檢測程序仿真圖見圖6。

4 調(diào)試結(jié)果

　　所發(fā)送數(shù)據(jù)是以00H為起始遞增的一串?dāng)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)字長200，結(jié)尾以146F為標(biāo)記。調(diào)試過程中，南示波器觀察波形，可以看到請求信號(hào)的頻率及脈寬、移位脈沖的頻率均符合要求，解調(diào)出的并行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)相吻合。圖7和圖8分別給出移位脈沖電壓up波形和輸出最低位電壓ud波形。

5 結(jié)語

　　基于FPGA的PCM碼解調(diào)電路VHDL程序模塊設(shè)計(jì)，可使電路在發(fā)出請求脈沖后，在移位脈沖的作用下，同步接收PCM數(shù)據(jù)，并輸出8位并行數(shù)據(jù)，在幀尾處結(jié)束解調(diào)。通過仿真及最終電路調(diào)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)PCM碼解調(diào)系統(tǒng)功能。