一種基于FPGA的8B_10B編解碼電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、2010年 9月第 15卷 第 5期西 安 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)JO U RNAL OF XI . A N U N IV ERSIT Y OF POST S A ND T EL ECOM M U NI CAT ION S Sept. 2010Vol 115N o 15 收稿日期 :2010-05-23作者簡(jiǎn)介 :武小強(qiáng) (1983- , 男 , 陜西銅川人 , 西安郵電學(xué)院電子工程學(xué)院碩士研究生 ;田小平 (1963- , 男 , 陜西渭南人 , 西安郵電學(xué)院電子工程學(xué)院教授。一種基于 FPGA 的 8B/10B 編解碼電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)武小強(qiáng) , 田小平(西安郵電學(xué)院 電子工程學(xué) 院 , 陜

2、西 西安 710121摘要 :為提高 8B/10B 編解碼電路的速度和實(shí)現(xiàn)低資源消耗 , 根據(jù) 8B/10B 編解碼真值表的內(nèi)在相關(guān)性和編碼特點(diǎn) , 采用 降低查找表個(gè)數(shù)的方法 , 給出一種基于查找表的 8B/10B 編解碼 電路設(shè)計(jì)方案 。 實(shí)驗(yàn)仿真和數(shù)據(jù)分 析顯示 , 新 方案較現(xiàn)有方案速度更高 , 資源消耗更低 。 關(guān)鍵詞 :8B/10B; FP GA; 直流平 衡 ; 查找表 ; 不平衡度中圖分類(lèi)號(hào) :T N 76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1007-3264(2010 05-0027-030 引言由于 8B/10B 編碼技術(shù)具有很好的直流平衡特 性 , 以及其的抗干擾能力和一定的

3、檢錯(cuò)能力 , 使其廣 泛成為現(xiàn)在光纖通訊的主流技術(shù)之一。 8B/10B 編 解碼是一種基于高速串行收發(fā)器機(jī)制的編碼方式 , 所以在很大的程度上降低了誤差 , 具有誤碼率低的 特點(diǎn)。同時(shí)由于其真值表內(nèi)在的特點(diǎn) , 可以在一定 的程度上進(jìn)行檢錯(cuò) , 降低了誤差的可能性。本文根 據(jù)其真值表的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和特點(diǎn) , 與現(xiàn)有的幾種編解碼方案進(jìn)行分析 2-6, 提出了 一種新基于查 找表 的 8B/10B 編解碼電路 , 該方案具有資源占用少、 速 度快、 可靠性高和可移植性等特點(diǎn)。1 8B/10B 編解碼的基本原理8B/10B 編解 碼 是由 A. X. Widmer 和 P. A. Franasze 于

4、 1983提出的一種新的編碼思想 , 現(xiàn)廣泛 應(yīng)用于高速串行光纖傳輸系統(tǒng)。其基本原理是在發(fā) 送端將所要發(fā)送的 8比特?cái)?shù)據(jù)預(yù)先根據(jù)特定的映射 關(guān)系映射成 10比特?cái)?shù)據(jù) , 這就是所謂的編碼部分。 然后高速串行發(fā)送出去7。在接收端 , 高速串行接收到 10比特?cái)?shù)據(jù) 8, 9, 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換 , 在根據(jù)特定的映射關(guān)系映射成 8比特?cái)?shù)據(jù)。能夠看出 8B/10B是一種信道編碼。其編解碼原理如圖 1。圖 1 8B/10B 編解碼原理圖2 8B/10B 編碼2. 1 編碼原理8B/10B編碼 主要 思想 是 將 8比 特?cái)?shù) 據(jù) 分成 3B/4B 和 5B/6B 兩個(gè)編 碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中 3B/4B 編碼模塊

5、是將 8比特?cái)?shù)據(jù)中的高三位按照其編碼規(guī) 則映射成 10比特?cái)?shù)據(jù)中的低 4位 ; 5B/6B 編碼模塊 是將 8比特?cái)?shù)據(jù)中的低 5位按照其編碼規(guī)則映射成 10比特?cái)?shù)據(jù)中的高 6位 . 在得到 10位碼時(shí) , 在將并 行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)高速的發(fā)送出去。其原理如 圖 2所示。由于 8B/10B 編碼的內(nèi)在 特性 , 保 證輸出碼流 的 DC(直流 平衡 , 采用不平衡度 (RD 來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出 碼流的直流平衡。規(guī)則如下 :當(dāng)碼字中 -0. 的個(gè)數(shù)比 -1. 個(gè)數(shù)多時(shí) , 則 RD 為 -0. , 呈現(xiàn)負(fù)極性 ; 當(dāng)碼字中 -1. 的個(gè)數(shù)比 -0. 個(gè)數(shù)多時(shí) , 則 RD 為 -1. , 呈現(xiàn)正極性 ;

6、 輸出結(jié)果有三種形態(tài) :第一種是 5個(gè) -0. 和 5個(gè) -1. ; 第二種是 4個(gè) -0. 和 6個(gè) -1. ; 第三種是 6個(gè) -0. 和 4個(gè) -1. ; 輸出碼流會(huì)根據(jù) RD 的狀態(tài)來(lái)做相應(yīng)調(diào) 整 , 從而實(shí)現(xiàn)直流平衡 , 提高對(duì)碼流的檢錯(cuò)能力。圖 2 8B/10B 編碼原理圖2. 2 編碼電路的設(shè)計(jì)從 8B/10B 編解碼 真值表中可以 看出 , 不 管是 3B/4B, 還是 5B/6B 編碼 , 其生成碼字有些是含有反 碼的 , 有些是不含有反碼的。即含有反碼的其編碼 有兩種情況存在 , 不含反碼的其編碼只有一種情況 存在。針對(duì) 8B/10B 編碼真值表 的特點(diǎn) , 其 5B/6B

7、 編碼共有 32中可能 (編碼數(shù)據(jù)從 00000到 11111 , 其 3B/4B 編碼共有 8種可 能 (編碼數(shù) 據(jù)從 000到 111 不含有反碼的碼字體現(xiàn)出了明顯的對(duì)稱(chēng)性 :表 現(xiàn)為 RAMi=RAM 31-iRAM31-i(即與自 身相 異或 . 如 00011數(shù)據(jù)的 編碼為 110001, 數(shù) 據(jù) 11100的 編 碼為 001110, 為 110001的 反 碼。 (以 5B/6B 為例 i=3, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ; 而對(duì)于 含有反碼碼字體現(xiàn)了明顯的碼字互移對(duì)稱(chēng)性 , 只需 要將其中的兩位數(shù)位互移 , 就能得到與其相對(duì)的碼 字。就 拿 正 極

8、 性 碼 字 來(lái) 說(shuō) , 表 現(xiàn) 為 RAM i=RAM . 31-i(其中 RAM . 31-i為 RAM 31-i其中兩位互移后的碼字 , (5B/6B 編碼 i=0, 1, 2, 4, 7, 8, 15 , 如 數(shù) 據(jù) 00000的 編 碼 為 100111和 011000, 數(shù) 據(jù) 11111的 編 碼 為 101011和 010100。 這種情況同樣也適用于 3B/4B 編碼。所以這樣采 用簡(jiǎn)單的組合電路就能大大降低查找表的存儲(chǔ)單元 數(shù)量 , 降低資源的使用 , 編碼電路如圖 3 所示。圖 3 8B/10B 編碼電路結(jié)構(gòu)RD 的控制 :在 8B/10B 編碼中 , 對(duì) RD 的 控制

9、 才是整個(gè)編碼電路的核心部分。具體思想如下 :分別定義 RD3和 RD5為 3B/4B 和 5B/6B 的不 平衡度 , RD 為輸出碼流的不平衡 度 , RDprevious為前一碼字 (10bit 的碼流的不平衡度。首先通過(guò) RD previous 來(lái)控制由編碼產(chǎn)生的 RD3和 RD5, 在 由 RD3和 RD5來(lái)產(chǎn)生 RD, 最后將 RD 反饋給 RD prev ious 。 RD 控制如圖 4 所示。圖 4 RD 控制原理圖圖中 , RD P 代表先前 RD, RD3和 RD5分別為經(jīng)過(guò) 3B/4B, 5B/6B 計(jì)算出當(dāng) 前的 4B 碼字和 6B 碼字不平衡度 , RD 為當(dāng)前生成新

10、的不平 衡度。 00代表字符 -0. 和 -1. 的個(gè)數(shù)相等 , 01代表字符 -0. 比 -1. 的個(gè)數(shù)少 2個(gè) , 10代表字符 -0. 比 -1. 的個(gè)數(shù)多 2個(gè) (在功能仿真和時(shí)序仿真中 , 不平衡度的定義 。 2. 3 普通數(shù)據(jù)編碼仿真結(jié)果普通數(shù)據(jù)編碼仿真結(jié)果如圖 5所示。其中 clk 為總的時(shí)鐘 , reset 為復(fù)位信號(hào) , start 為編碼電路差 分時(shí)鐘 , data in 為待編碼數(shù)據(jù) , code 為生成碼字?jǐn)?shù) 據(jù)。其生成碼字與 8B/10B 編解碼真值表 一致 , 并 滿(mǎn)足輸出碼流的直流平衡 , 即字符 -0. 和字符 -1. 的 個(gè)數(shù)差別不會(huì)超過(guò) 2 個(gè)。圖 5 普通

11、數(shù)據(jù)編碼仿真結(jié)果3 8B/10B 解碼3. 1 8B/10B 解碼原理解碼同樣是根據(jù)編解碼真值表將接收到的數(shù)據(jù) 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換之后的 10比特?cái)?shù)據(jù)映射成相應(yīng)的 8比特?cái)?shù)據(jù) , 即信息的提取過(guò)程。與編碼不同的是 , 解 碼是一一對(duì)應(yīng)的、 唯一的 , 而編碼可能是一對(duì)一 , 也可能是多對(duì)一 , 所以解碼 較編碼就顯得比 較簡(jiǎn)單。 但在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中 , 可能由于某種原因的影響 , 會(huì) 使數(shù)據(jù)發(fā)生變化 , 所以要在解碼電路中增加檢錯(cuò)。#28#西 安 郵 電 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) 2010年 9月3. 2 解碼電路的設(shè)計(jì)解碼同 樣采用 5B/6B 和 3B/4B 分開(kāi) 解碼的。 由真值表看出 , 其解碼真值表

12、具有嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)性。RAMi=RAM 31-iRAM31-i, (i=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1, 12, 13, 14, 15, 以 5B/6B 為例 。所以同樣可以大大節(jié)省查找表個(gè)數(shù)的使用 , 利用簡(jiǎn)單的邏輯電路 , 降低資源的使用。具體思想 就是在接收端將接收到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換之后 的 10比特?cái)?shù)據(jù)的高 6位根據(jù)編解碼真值表映射成 8比特?cái)?shù)據(jù)的低 5位 ; 低 4位數(shù)據(jù)根據(jù)編解碼真值 表映射成 8比特?cái)?shù)據(jù)的高 3位。由于信號(hào)在光纖通 道中進(jìn)行傳輸會(huì)受到不同因素的影響 , 使得接受到 的數(shù)據(jù)有可能會(huì)發(fā)生變化 , 影響碼流的一些特性 , 比 如說(shuō)

13、打破了直流平衡特性 , 出現(xiàn) 5位連 0的或者連 1的情況 以及 非正常 碼的情 況等。所要 根據(jù) 8B/10B 編解碼的特性 , 判斷出不屬于編解碼范疇之內(nèi) 的碼字 , 即出現(xiàn)了誤碼的情況。所以 , 在解碼電路中 必須添加校驗(yàn)違規(guī)電路。 3. 3 解碼電路的仿真結(jié)果圖 6為普通數(shù)據(jù)解碼仿真圖。圖中 , clk 為解碼 電路總時(shí)鐘 ; start 為解碼電路差分時(shí)鐘 , 是 clk 的 8分頻 ; data in 為 10比特接 收數(shù)據(jù) ; data out 為 8比特解碼數(shù)據(jù) ; err 為檢 錯(cuò)信號(hào) , 其中高 電平有效 ; reset 為復(fù)位信號(hào)。編碼結(jié)果和編解碼真值表一致。圖 6 普通

14、數(shù)據(jù)解碼仿真圖4 仿真和綜合數(shù)據(jù)分析通過(guò)對(duì) 8B/10B 編 解碼數(shù)據(jù)的分 析 , 其編 解碼 完全符合 8B/10B 編解碼規(guī)則 , 并且滿(mǎn)足輸出碼流 的直流平衡 , 具有一定的檢錯(cuò)能力。利用 Modesim 和 Quartustw o 仿真軟件對(duì)該編解碼方案 進(jìn)行了時(shí)序 仿 真 和 功 能 仿 真 , 并 將 其 并 在 FPGA 器 件 Stratix I I 系列上 EP2S15F484C3上實(shí) 現(xiàn)了編解 碼 器的功能驗(yàn)證 , 結(jié)果正確。其綜合結(jié)果如表 1。由表 1可以看出 , 其編解碼資源使用情況均不 到總資源的 1%, 占有資源少 ; 同時(shí)編解碼的最大時(shí) ; 次其時(shí)延也是非常小的。

15、同其它編解碼方案比較 , 如基于查找表法、 基于組合邏輯電路、 其在速度和資 源消耗均有所提高和下降。在鎖相環(huán)技術(shù)成熟、 時(shí) 鐘恢復(fù)比較好的情況下 , 又由于是高速串行的 , 所以 數(shù)據(jù)一般都能得到穩(wěn)定的接收。綜上所述 , 本編碼 解碼方案占用資源少、 可靠性高、 速度快、 誤碼率低 , 可以很好的適用于現(xiàn)在高速串行光纖通信系統(tǒng)中。表 1 Quartus -tw o St rat ixI I 系列上 EP2S15F 484C3芯片資源使用情況和時(shí)鐘頻率列表模塊 編碼 解碼 資源使用 46/12, 48010/12, 480最大時(shí)鐘403. 39M500. 00M5 結(jié)論基于 8B/10B 編解

16、碼真值 表內(nèi)在的關(guān)系 , 本文 設(shè)計(jì)了一種適 用于高速串行數(shù)據(jù)收發(fā) 器編解碼電 路。此電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 , 資源消耗低 , 能夠節(jié)省更 多的資源 , 運(yùn)算量小 , 誤碼率低 , 滿(mǎn)足輸出碼流的直 流平衡 , 能夠很好的適用于高速串行通信系統(tǒng) , 所以 對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)展有著一定的意義。參 考 文 獻(xiàn)1 A. X. Widmer P. A. Fr anasze. A DC -Balanced, Part-itioned -Block, 8B/10B T ransmi ssion Code IBM Research and Development Journal, 1983, 23(5 :441-4

17、43. 2 趙文 虎 , 王 志 功 , 費(fèi) 瑞霞 . 基于 邏 輯 設(shè) 計(jì)的 光 纖 通 信8B/10B 編解碼方法研究 J.電路與系統(tǒng)學(xué) 報(bào) , 2003, 8(2 :48-53.3 賀傳峰 , 戴 居豐 , 毛 陸鴻 . 一種 新的 8B/10B 編 解碼 硬件設(shè)計(jì)方法 J.高技術(shù)通訊 , 2005, 15(3 :48-52. 4 Fukuda S, Ko Jim a Y, Shim puku Y, etal8/10M odula -tion Co des for Digital M agnetic Recording. IEEE T r ans. M agn, 1986, M AG -

18、22(5 :1194-1196.5 許軍 , 許西榮 . P CI -Ex press 中 8B/10B 編碼解碼器的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī) , 2006, 23(3 :37-39. 6 ChanGoo L ee, Hyeong Ho Lee, Dae Young Kim, et al.A new line code for 10-Gigabit Et hernet:M B810C.U SA :N ew Orleans. 2000, 1774-1777.7 袁冰 , 來(lái)新泉 , 葉強(qiáng) . 一種 高速串 行數(shù)據(jù) 發(fā)送芯 片的 設(shè)計(jì) J.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào) , 2003, 8(2 :48-

19、53.8 唐穎 , 阮文海 . 高速 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電 路的設(shè)計(jì) J.現(xiàn)代電子技術(shù) , 2004, 27(19 :21-23.(下轉(zhuǎn)第 52頁(yè) #29# 第 5期 武小強(qiáng) , 等 :一種基于 FPGA 的 8B/10B 編解碼電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)On the properties of quantum state transfer via spin chainsSHANG Bo -x ing, CHEN Wen -xue(School of Science, Xi . an U niversity of Posts and T elecommunications, Xi . an 710121,

20、 ChinaAbstract:Based on the concept of average fidelity, properties of quantum state transfer through the three -spin chain w ith impurity spin are studied. T he computing results reveal that, the maximum average fidelity can be attained by implementing proper local quantum unitary operation to the spin held by the receiver, or by applying proper external magnetic field.Key words:average fidelity ; quantum state transfer; spin chain(上接第 29頁(yè) 9 唱娟 , 王松林 , 來(lái)新泉 . 一種高速串 行數(shù)據(jù)接收 芯片的設(shè)計(jì) J.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī) , 2006, 23(1 :184-187.10溫龍 , 樊曉 椏 . 8B/10B 解 碼器設(shè)計(jì) J. 科學(xué)技 術(shù)與 工程 , 2007, 7(18 :4611-4616.A new me