通信系统的硬件设计

通信系统的硬件设计 层次化体系结构清华大学通信系统葛宁2005

内容简介 • 通信系统的基本模型 • 通信中的基本概念 • 底层协议的硬件设计 • 物理层 • 数据链路层 • 网络层清华大学通信系统葛宁2005

通信系统的基本模型 • 通过任何媒体将信息从一地送到另一地，从广义上讲均可称为通信 • 点到点通信模型 • 网络模型清华大学通信系统葛宁2005

层次化体系结构 清华大学通信系统葛宁2005

基本数据结构 • 比特 • 字节 • 帧 • 信元 • 包 • 数据流清华大学通信系统葛宁2005

数据结构表示 清华大学通信系统葛宁2005

数据结构含义 • 比特：0/1代表有无、正负、奇偶等等 • 字节：代表整数、字符或其他编码 • 字：代表整数、多项式、地址等 • 帧：代表复杂数据结构，包括地址、数据、校验码、长度等等 • 信元/包：代表更为复杂数据结构，包括地址、协议类型、数据等等清华大学通信系统葛宁2005

数据结构的有无 • 当数据不是永远或者全部充满信道或者资源时，需要利用某种方式表示数据的有无 • 原则：处理简单，附加信息少，可靠容错 • 方法 • 附加信号表示，如使能Enable • 特殊编码，空闲码(以太网)，不适合二值信道。 • 空闲数据块：空闲码组(HDLC)，空闲帧（GFP），空闲信元(cell)。 • 指示：如E1中的信令指示64K PCM有无。清华大学通信系统葛宁2005

数据结构的分割 • 多个数据需要复用一个信道、资源时各个数据需要利用某种形式进行分割 • 原则：处理简单，附加信息少，可靠容错 • 方法： • 附加信号表示，如开始指示Start • 特殊编码，preamble(以太网)，不适合二值信道。 • 定长帧协议：帧定位 • 变长帧协议：帧定位码组(HDLC)，长度指示（GFP）清华大学通信系统葛宁2005

数据标识的讨论 • 多种或多个地址的数据需要复用一个信道、资源时各个数据需要利用某种标识进行分辩 • 原则：处理简单，附加信息少，可靠容错 • 方法： • 附加信号表示，如编码指示Type/Addr • 随路表示 • 位置表示：电路交换 • 附加信息表示：包交换 • 面向连接 • 无连接清华大学通信系统葛宁2005

位序的定义 • 简单的比特在通信中我们按照先后顺序传送即可，不会有什么歧义。 • 当我们传送复杂的数据结构时，由于通信往往是串行的比特流，在传送中就出现了顺序问题。传递的顺序就是位序 • 从最常见的数据结构字节看，它由8比特构成。将这8比特传送，理论上有8!=40320种传送方法，例如可以按照32145678，也可以按照76432158等等顺序。可以预见如果这成为现实，那么双方通信将十分困难。幸运(不幸)的是人们的思维习惯决定了只有两种顺序是“合理”的，一个是高位序(Big Endian)，另一个则是低位序(Little Endian)。清华大学通信系统葛宁2005

通信协议位序 清华大学通信系统葛宁2005

时钟域和同步 • 同步包含对信号事件顺序的决定和处理。通信中同步是一个非常重要的概念，它包括载波同步、位同步和帧同步等不同层次。这里的同步与通信中的同步不同。 • 我们集中讨论数据与各种时钟之间的同步问题，例如，当数据与采样时钟异步时，就需要同步处理。为了确定在一个时钟节拍上的信号值，对于信号变化就需要决定时钟采样沿到底在信号变化之前还是之后。同样，当数据同步于一个时钟源，而又要传送到另一个时钟进行处理时，也需要同步处理。在这种情况下，信号跨越了时钟域，它必须同步于新的时钟域。 • 一个时钟域就是所有同步于同一个时钟信号的信号集合。同一个时钟域中的信号只能由同一个时钟的时钟沿（上升沿或下降沿）来触发，在时隙内，所有的信号不会发生变化。清华大学通信系统葛宁2005

同步分类 清华大学通信系统葛宁2005

思考题1 • 电路交换如何能保证100％，没有任何信息丢失？清华大学通信系统葛宁2005

物理层 • 同步恢复 • 调制解调 • 编码清华大学通信系统葛宁2005

调制解调 • 数字调制解调基本形式s=a(t)*sin(ωt) • 调制的几种方式 • 基带调制 • IF调制 • RF调制清华大学通信系统葛宁2005

DDFS • 如何实现sin(ωt)：利用Direct Digital Frequency Synthesizer实现 • 难点：计算sin(ωt) • 直接法：利用Taylor公式或其他级数计算。运算过于复杂。 • 利用查表法。运算简单，存储量大。 • 利用eiθ旋转得到(Cordic)方法。运算复杂,但结构简单，适合FPGA和ASIC实现。清华大学通信系统葛宁2005

DDFS的查表法基本结构 • 由累加器、ROM查表构成。清华大学通信系统葛宁2005

性能 • 最小频率分辨率： • 输出频率： • 相位截断噪声： • 幅值截断噪声：清华大学通信系统葛宁2005

DDFS结构1 • 相位累加器位数L,查表地址位数P, 查表数值位数D • 只考虑频率分辨率：达到1ppm，需要：累加器位数L=20,假设查表位数P=L,D=10 bits, Fclk = 40 MHz, CNR = 138dBc/HzROM需要2^L*D=10Mbits • 有些DDFS的L达到32，ROM就需要Gbits • 即使相位查表时可以截断，即P<L.在一般情况下，可以满足要求。例如P=14, 噪声在-72dBc以下。ROM=2^P*D=160Kbits • 主要矛盾：ROM大小清华大学通信系统葛宁2005

压缩ROM方法1：对称压缩 • 利用sin(x)的对称性：sin(π-x)=sin(x); sin(π+x)=-sin(x) 清华大学通信系统葛宁2005

压缩ROM方法2：幅值压缩 • 利用sin(x)的幅度特性：sin(x)=>sin(πx/2)sin(πx/2)=(sin(πx/2)-x)+x • sin(πx/2)幅值为1； (sin(πx/2)-x)幅值约为0.21 清华大学通信系统葛宁2005

压缩ROM方法3：函数压缩 • 利用sin(x)函数特性 • 概念：利用sin(x)导数平稳，分段查表清华大学通信系统葛宁2005

性能 • Matlab • 结果 • 分析 • sinx’=cosx • cosx’=sinx 清华大学通信系统葛宁2005

sin(x)查表法总结 清华大学通信系统葛宁2005

sin(x)查表法结构 清华大学通信系统葛宁2005

HDB3编码规则 • 将“0”码保持不变，把“1”码变为+1、-1交替的脉冲。 • 出现四个连零用取代节取代 • 当相邻破坏点V中间有奇数个原始传号（不包括B码）时，用“000V”取代用，V码与它前面的传号极性相同 • 当相邻破坏点V中间有偶数个原始传号（不包括B码）时，用“B00V”取代，B码和V码与它前面一个原始传号（或V码）极性相反 • 对于全零码，HDB3编码为+00+00+00+…，即B00VB00VB00V • 经典代码清华大学通信系统葛宁2005

编码设计思路 • 设计模型是Mealy有限状态机。有限状态机设计中状态的选取和描述是设计的核心。 • 从HDB3编码规则中提取合理的状态。 • 码组变量codes (43) ，它包括了0,1,V,B码。 • 奇偶变量parity(2)，反映了破坏点V之间原始传号个数的奇偶性。 • 极性变量polarity(2)。 • 状态转移的描述了。 • 正常移位 • 取代节取代 • 极性翻转 • 奇偶统计 • HDB3编码器的VHDL设计hdb3enc1。利用VHDL中的枚举类型（s0,s1,sV,sB）分别表示码位状态“0，1，V，B”。清华大学通信系统葛宁2005

直接综合结果 清华大学通信系统葛宁2005

状态机优化 • 状态记做(Parity,Polarity,Codes[2:0])。 • Parity的两个状态分别位E(Even偶数)、O(Odd奇数)； • Polarity的两个状态分别为N(Negative负极性)、P(Positive正极性)； • 而Code的状态由一个三位的数组表示，每一位有“0,1,V,B”四个状态 • 例如状态EN0V1就表示Parity是偶数，Polarity是负极性，而Codes的三位分别是空号零、破坏点和传号1。清华大学通信系统葛宁2005

状态说明 清华大学通信系统葛宁2005

自动优化结果(binary encoding) 清华大学通信系统葛宁2005

人工优化 • 优化的过程实际上就是选择合适的状态编码。这一问题是一个非常复杂问题，依靠简单的遍历搜索是不可能的。原则上能够反映系统工作实质的状态编码一般是比较简单的。 • 简化的途径。V和1可以合并，所有出现V的状态都有对应的1状态。例如EP00V和EN001对应，EP0V0和EN010对应。得到下面的编码方式。清华大学通信系统葛宁2005

人工优化结果 清华大学通信系统葛宁2005

代码优化设计 • 从上述状态合并中，可以观察到对应的V状态和1状态的Polarity状态正好相反。 • 只要将Polarity在出现V时翻转，就可以合并V和1状态。Polarity状态的含义从上一个编码的极性变换成为下一个编码的极性。 • 直接VHDL代码描述hdb3enc。清华大学通信系统葛宁2005

优化综合结果 清华大学通信系统葛宁2005

低功耗优化 • HDB3编码电路在进行了状态编码优化后，电路结构已经非常简单了。还存在可以改进的地方吗？实际上任何优化都是相对的，结合不同的具体情况，如电路布局布线、可扩展性等等，总存在可以改进的地方。 • 例如，如果我们考虑功耗的影响，就会发现parity这个状态，在每个“1”到来时都会翻转，消耗动态功耗。根据HDB3码型特点，任何两个相邻V码的极性都是相反的。因此，我们可以将parity这个状态用Vpolarity，即破坏点V的极性，进行替代。这样由于破坏点V的出现从统计上比“1”出现的要少，所以可以节省功耗。 • VHDL代码如hdb3enc2 清华大学通信系统葛宁2005

纠错编码 • Hamming码是最基本的线性分组码 • 基本概念 • 以(7,4)码为例，7指码组长度，4指信息码元长度 • 校正子与误码位置清华大学通信系统葛宁2005

监督方程式 清华大学通信系统葛宁2005

监督矩阵H 清华大学通信系统葛宁2005

生成矩阵G 清华大学通信系统葛宁2005

接口协议 • 协议：数据传递的方式与步骤 • 输入输出均为串行码流 • 采用起始定位法清华大学通信系统葛宁2005

Hamming编解码设计 • 设计原则 • 高内聚、低耦合 • 数据与程序分离 • 模块化设计 • 输入 • 处理 • 输出 • 控制 • 编码器 • 解码器清华大学通信系统葛宁2005

Testbench 清华大学通信系统葛宁2005

Hamming编解码仿真结果 • 总体与信道 • 发送 • 接收清华大学通信系统葛宁2005

思考题2 • 如果hamming解码时没有了码组同步指示怎么办？清华大学通信系统葛宁2005

数据链路层 • 帧同步 • 扰码 • 差错检测 • 复接分接清华大学通信系统葛宁2005

一个例子：帧同步 • 通信系统收发端采用 • 帧是数据传输时需要时分复用所采用的某种排列方式。一般由负荷与帧标志信号构成。 • 帧同步过程就是接收端与发送端同步的过程，从而可以正确地从数据流中识别各路序号。 • 在串行码流中周期性的加入固定码型 • 固定码型称为帧同步码 • 假设：每个256个时钟周期，发出“10011011”帧同步码。清华大学通信系统葛宁2005

码流清华大学通信系统葛宁2005

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