基于FPGA的CMI编码系统设计

摘要：提出了一种基于FPGA并利用Verilog HDL实现的CMI编码设计方法。研究了CMI码型的编码特点，提出了利用Altera公司CycloneⅡ系列EP2C5Q型号FPGA完成CMI编码功能的方案。在系统程序设计中，首先产生m序列，然后程序再对m序列进行CMI码型变换。在CMI码型变换过程中，采用专用寄存器对1码的状态进行了存储，同时利用m序列的二倍频为CMI编码进程提供时钟激励，最后输出CMI码型。实验结果表明，采用FPGA完成CMI编码的设计，编码结果完全正确，能够达到预期要求。利用这种方法实现CMI编码功能，具有效率高、可扩展性强、升级方便等特点，方便嵌入到大规模设计中，具有广泛的应用前景。
关键词：FPGA；VetilogHDL；传号反转码(CMI)；编码；m序列

CMI码一般作为PCM4次群数字中继接口和光纤传输系统中的线路码型。这种码型不具有直流分量，有较多的电平跳跃，含有丰富的定时信息，因此很容易提取位定时信号，该码型具有良好的纠错能力，是一种很重要的码型。
在高次脉冲编码调制终端设备中广泛使用CMI码作为接口码型，在速率低于8 448 kb／s的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型。
本文主要介绍CMI码的编码具体实现方法，系统设计中采用了Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C5Q型号FPGA作为系统的核心单元，完成CMI编码功能，程序设计平台为0uartusⅡ7．2软件，采用Verilog HDL作为程序设计语言。

1 CMI编码规则及FPGA配置电路
CMI码的全称是传号反转码，CMI码的编码规则如下：当输入0码时，编码输出01；当输入1码时，编码输出则00和11交替出现，如表1所示。

根据此规则输出CMI码元的速率应为输入基带信号码元速率的2倍，对于输入为1的码字，输出不仅与当前码字有关，还与前一个1码的输出有关，1码对应的编码结果是00或11码型交替出现。由以上规则可以看出，在同步的情况下，输出只对应3种有效码型。即01、00、11码，而10码型则无效，因此可以根据这个特点进行检错。
设计中采用的是Altera公司的EP2C5Q型号FPGA，EP2C5Q是CycloneⅡ系列器件中的一种，CycloneⅡ器件采用90 nm工艺制造，在逻辑容量、PLL、乘法器和I／O数量上都较Cyclone有了很大的提高。EP2C5Q型号FPGA具有丰富的逻辑资源，共有4 608个逻辑单元(LE)，26个M4K RAM块，2个PLL锁相环，13个18x18的乘法器模块。
在FPGA硬件电路设计中需要注意的问题就是JTAG下载电路、配置芯片EEPROM电路与FPGA的连接关系。FPGA每次上电后都需要进行配置，从EEPROM中将数据读入，然后开始运行。根据FPGA在配置电路中的角色，其配置数据可以使用3种方式载入到目标器件中，分别是：FPGA主动(Active)方式；FPGA被动(Passive)方式；JTAG方式。在FPGA主动方式下，由目标FPGA来主动输出控制和同步信号(包括配置时钟)给Altera专用串行配置芯片(如EPCS1、EPCS4等)，在配置芯片收到命令后，就把配置数据发送到FPGA，完成配置过程。要注意的是：Altera FPGA所支持的主动方式，只能够与Altera公司提供的主动串行配置芯片(EPCS系列)配合使用。这种配置模式只有在StratixⅡ和Cyclone系列(Cyclone和CycloneⅡ)的器件中支持。在被动方式下，是由系统中的其他设备发起并控制配置过程。比较常用的是JTAG配置方式JTAG是IEEE 1149．1边界扫描测试的标准接口。绝大多数的Altera FPGA都支持由JTFAG口进行配置，并支持JAM STAPL标准。从JTAG接口进行配置可以使用Altera的下载电缆，通过QuartusⅡ工具下载。

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图1给出了FPGA的配置电路图，主要包括FPGA的主动(Active)方式和JTAG方式加载电路，以及专用串行配置芯片EPCS1与FPGA的连接关系。

2 CMI编码系统的程序设计
在系统程序设计过程中，将m序列作为基带输入码，然后程序再对m序列进行CMI码型变换，最后输出CMI码型。通过对CMI编码规则的分析，1位输入码元对应2位输出编码，因此CNI码元输出速率是输入m序列码元速率的2倍。在程序设计中，要保持m序列进程时钟为CMI编码进程时钟的2倍频，这是完成CMI编码任务的前提。
m序列是最长线性反馈移存器序列的简称，m序列具有平衡性、游程特性、线性叠加性、自相关特性和伪噪声特性，应用十分广泛。设计采用m序列产生器产生的m序列作为CMI编码的数据源，用4级移存器构成周期为P=24-1=15的m序列发生器。m序列发生器的结构图如图2所示，其中A0、A1、A2、A3分别代表一个寄存器。

在对m序列进行CMI编码的程序设计时，要注意的问题是，1码对应的输出是与前一个1码的状态有关，因此要对1码的状态进行记录，从而实现1码对应的00和11码型交替输出。
CMI编码系统设计软件环境采用的是QuartusⅡ软件平台，QuartusⅡ是一种综合开发工具，它集成了Altera的FPGA／CPLD开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口。通过使用此综合开发工具，设计者可以创建、组织和管理自己的设计，主要包括设计输入、综合、布局布线、时序分析、仿真、编程与配置过程。QuartusⅡ支持多时钟定时分析，内嵌SignalTapⅡ逻辑分析器、功率估计器等高级工具，易于管脚分配和时序约束，具有强大的HDL综合能力。
SignalTapⅡ逻辑分析器是很重要的测试工具，它是对FPGA的硬件信号进行读取，可以捕获和显示FPGA内部的实时信号行为，从而能够让设计者直观的判断出逻辑是否准确。SignalTapⅡ的功能类似于逻辑分析仪，但与传统的逻辑分析仪相比，具有如下优点：使用SignalTapⅡ逻辑分析器不占用额外的I／O管脚，若使用传统的逻辑分析仪观察信号波形，则必须将待观察信号引到空闲管脚；SignalTapⅡ逻辑分析器不占用PCB上的空间，若使用传统逻辑分析仪，需要从FPGA器件上引出测试管脚到PCB上，这样增加了PCB走线难度；SignalTapⅡ逻辑分析器还不会破坏信号的完整性；SignalTapⅡ逻辑分析器集成在QuartusⅡ软件中，无需另外付费，而传统的逻辑分析仪则价格昂贵。
程序采用Verilog HDL语言进行设计，下面给出了CMI编码的部分源程序：

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程序中主要有两个进程，其中前一个进程主要功能是在clk_m时钟作用下，产生m序列，完成CMI编码功能，由m_out输出产生的m序列，cmi_reg用于存储CMI编码值；后一个进程主要功能是在clk_cmi(是clk_m时钟速度的2倍)时钟作用下，输出CMI编码信号。

3 系统仿真结果
利用QuartusⅡ7．2软件平台对CMI编码程序进行了编译和仿真，通过仿真得到了编码仿真结果，图3给出了CMI码编码仿真波形。

从仿真结果可以看出，系统在时钟clk_m的触发下，由m_out寄存器输出m序列，输出15位的m序列值，依次为000111101011001；系统在时钟clk_cmi的触发下，完成CMI编码功能，而CMI编码后的输出值则由cmi_out寄存器输出，从仿真波形图上可以看出，CMI编码的码元输出速率是m序列码元速率的2倍。对应的输出值依次为010101110011000111010011010100，对应的CMI编码信号与m序列相比，有一定时间的延时，但编码结果完全正确。

4 结论
本文详细介绍了采用Altera公司的FPGA，利用Verilog HDL语言进行设计的CMI编码系统的具体实现方法，Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q型号FPGA具有丰富的逻辑单元，通过QuartusⅡ软件的综合仿真，可以看到程序的设计仅仅占用了11个LE，占用FPGA的LE资源还不到1％。通过以上仿真结果可以看出，编码的结果完全正确，本文阐述的设计方法是合理的。
本系统的创新点是将FPGA应用于CMI编码逻辑的开发中，使系统设计简单，配置更灵活，易于扩展，摆脱了基于专用芯片设计的限制，系统采用FPGA作为CMI编码的核心单元，应用Verilog HDL对CMI编码逻辑进行描述，利用SignalTapⅡ工具对系统逻辑进行分析，具有开发周期短、成本低、效率高、升级方便等特点，系统还研究了4级移存器周期为15的m序列发生器的设计方法，这为CMI编码器的测试提供了信源基础。存在的问题是系统在设计时未能合理的选择FPGA型号，导致FPGA资源使用不尽合理，因此，在基于FPGA的系统设计过程中，为了避免产生资源浪费，一定要在设计前通过仿真手段大致的估算出设计需要的资源数量，然后选择相应的FPGA型号；但同时也要注意FPGA的容量选择要留有一定的余量，因为在大规模设计中，还可以将本文设计的CMI编码电路与其他功能模块都集成在一块FPGA中，这一点在CMI编码作为系统设计的一部分时便显得尤为重要。