用于實時數據傳輸的滑動幀方法及其實現

摘 要：根據某雷達系統對測量信號的快速傳輸要求，提出采用滑動幀的處理方法并在FPGA中實現，克服了傳統幀處理難以滿足快速傳輸要求的不足。闡述了滑動幀結構的構造思想，詳述了滑動幀結構的特點及具體功能模塊的實現。根據實際應用需求構造了滑動幀結構處理器，試驗和應用結果表明設計可行有效，能充分滿足實時數據傳輸的要求。

關鍵詞：雷達;時分復用;滑動幀;FPGA;實時數據傳輸

中圖分類號：TN951 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1502703

Glide Frame Method and Its Realization for Real-time Data Transmission

ZHU Yan，GAO Yong

(College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu，610065，China)

Abstract：In this paper，a glide frame protocol controller is designed for actual measurement request of some radar system by Field Programmable Gate Array(FPGA)，and overcome the shortcoming that ordinary frame manipulation is difficult to meet real-time data transmission.The formation idea of glide frame structure is introduced，the character and the design of functional module are also describled detailedly.And the glide frame processor is made by actual application requirement.The results show the method is attractive for data transmission in real-time.

Keywords：radar;TDM;glide frame;FPGA;real-time data transmission

1 引 言

某雷達系統要求在發送/接收過程中，采取時分多路方式，在實現多個輔助信息復接傳輸的同時，完成某信號的實時傳輸^［1］。而基于傳統時分多路復接幀的處理技術^［2］不能很好地滿足實時傳輸的要求，特別是當信號的發送/接收實時性要求非常高時，顯得尤為突出。

針對工程應用中的實際問題，經過研究和實驗，本文提出了滑動幀處理方法?；瑒訋幚硎且环N面向比特的時分多路復接同步通信協議處理技術^［2］，該技術可根據業務需求的變化，改變待傳輸數據在幀結構中的起始位置，實時完成需快速傳輸數據的復接，從而能很好地支持不同業務的復接傳輸，滿足有關實時數據的要求?？紤]到現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)可以通過軟件反復編程使用^［3］，能夠兼顧速度和靈活性，可實時地對所構造的幀結構進行預測和仿真。因此采用FPGA設計滑動幀是一種可行的方法。下面將詳細介紹基于FPGA的滑動幀結構的設計思想及具體實現。

2 滑動幀結構的技術基礎

如圖1所示，傳統幀處理的思想在于，不同支路的數據信息是在各自定時信號的控制下交替地完成復接功能，接收下來的支路數據信息再按照支路時鐘進行分接處理。即針對特定的數據信息，在傳統幀結構中，需按照固定的時隙進行復接發送和接收分接處理。

而采用滑動幀結構技術時的幀構成與傳統的幀構成是相似的，如圖2所示，在一幀內要包含以下基本內容：幀定位信號、數據或輔助信息位、標志位。

而幀定位信號選用最佳的幀同步碼，依據其在一幀中的位置分布，可分為集中式幀定位信號（bunched frame alignment signal）和分散式幀定位信號（distributed frame alignment signal），詳細內容可參考文獻［2］?？紤]到需實時傳輸有關信號，經分析比較，滑動幀結構采用分散式幀定位信號。

幀復接過程中，需完成多個不同支路信息的打包傳輸，傳統幀結構常常對不同的支路數據信息分配了固定的傳輸時隙。而滑動幀結構突破了傳統的幀處理方法，需快速傳輸數據根據到達幀的起始位置開始傳輸，傳輸起點因數據到達的起始位置變化而變化，處于動態滑動中；同時，在快速傳輸相關數據的間隙，完成實時性要求不高的輔助信息的傳輸，這類數據在幀中傳輸的時隙也不固定。

滑動幀結構的顯著特點在于增加了標志位。由于幀通常需完成實時數據和非實時輔助信息兩類數據的發送傳輸，因此，在對標志位字段值功能進行定義時，要專門保留一個標志位字段值，根據這個標志位，對奇/偶幀的數據特性進行定義，以便在實時復接傳輸有關數據的間隙，完成輔助信息的傳輸。同時，其他標志位字段值隨實時傳輸數據在幀結構中起始位置的變化而變化，標志位字段值等同于實時傳輸數據在幀結構中的起始位置，如果實時傳輸數據的起始位置和保留的標志位字段值相同，延遲一個時鐘碼元再傳輸。

3 滑動幀結構的技術優點

相比于傳統幀處理方法，滑動幀技術具有下列優點：

實時性 傳統幀處理由于采用固定時隙傳輸對應支路信息，一旦當前幀不能完成信息的有效傳輸，就需延遲到下一幀復接傳輸。而滑動幀處理技術，克服了傳統幀處理方法的不足，實時地完成了有關信號的快速復接傳輸。

有效性 傳統幀結構由于采用固定時隙傳輸不同支路信息，對速率相對較低的支路而言，時隙利用率低。而滑動幀技術采用標志位對數據信息進行定位，高效支持不同速率信息的復接，時隙利用率高，可以充分節省頻帶資源，在衛星通信中，還可降低地面站發送功率^［4］。

智能性 用戶可根據業務的變化而動態改變支路業務的傳輸速率，同時設備可根據支路速率的變化而采取不同的工作速率，從而使用戶對信道具有很強的控制力，以有限的功能組件實現多種業務。

經濟性 由于采用滑動幀結構技術，簡化了復分接功能的實現，降低了設備成本，使設備具有非常好的性價比。

4 基于FPGA的滑動幀結構實現方法

考慮到實際需求，在可編程器件FPGA(XC2S300E)^［5］內設計滑動幀處理器，在該器件內可融合雷達系統的多種控制功能，可以在線編程、方便調試。

在FPGA內實現滑動幀功能采用的是“自頂向下”的設計方法，即根據要求的功能先設計出頂層的原理圖，該圖由若干個功能模塊組成。再把各個模塊細化為子模塊，各層的功能采用電路圖實現，也可用硬件描述語言實現。設計中主要采用電路圖實現各種功能，經過綜合和優化等過程，最終將程序下載到芯片中。

滑動幀處理器的工作原理：滑動幀處理器要復接需快速傳輸的數據和多種不同的輔助數據流。因此，為完成多種類數據的復接，需要對不同的數據進行緩沖存儲。對需實時傳輸的數據，以并入串出的方式進行鎖存，通過并/串轉換，將數據按照滑動幀結構及時地復接傳輸出去。對其他輔助信息，由于無快速傳輸要求，因此，可將輔助信息存入緩存區內，在實時傳輸需快速傳輸信號的間隙傳輸輔助信息。

4.1 緩存區及端口控制

由于對實時傳輸信號的實時性要求非常高，因此，信號是由并入串出的鎖存器進行緩存；而對其他輔助信息，為了平滑滑動幀結構與外圍邏輯單元之間的數據傳輸速率，采用異步FIFO作為兩者之間的接口。FIFO接收數據并由滑動幀時鐘讀出數據進行組幀輸出。考慮到實際需求及FPGA的自身特性，需采用和輔助信息種類個數相同的多個FIFO完成速率轉換和數據緩存功能。

FPGA內的功能模塊如圖3所示。

4.2 滑動幀結構處理器

要將信號傳送出去，構造周期循環的滑動幀是必不可少的，滑動幀結構如圖4所示。

圖4 滑動幀在FPGA中的實現圖4中，當緩存器空，即無信號需復接時，滑動幀按周期自循環。在此過程中，需實時傳輸信號的有無一直處于檢測過程中，一旦檢測到有效的實時傳輸信號，按照圖2所示幀結構，實時地將信號復接到滑動幀結構中。在復接時，按照實時傳輸信號在幀結構中的起始傳送地址，在標志位字段插入標志位，以便接收端進行檢測。如果在正傳輸輔助信息的過程中，有快速傳輸有關信號的要求，那么，需停止當前輔助信息的傳輸，傳輸需快速傳輸的信號。當前未傳輸完的輔助信息在不傳輸需快速傳輸信號的間隙重新傳輸。由滑動幀結構可以看出，在接收方，一旦檢測到有效標志位，即可將移位寄存器的輸出端數據進行鎖存，確保最快鎖存有效信號。

5 滑動幀設計實例和綜合驗證

根據某雷達測頻系統的實際需求，構造滑動分幀結構如圖5所示。在該系統中，所有需復接傳輸數據的寬度為8 b，滑動幀結構構造如下：采用12 b為周期的循環分幀結構，采用分散式同步碼，標志位為3 b。多個分幀組成一復幀結構。

該系統除需快速傳輸某測量信號外，還需傳輸多種控制字等輔助信息。由滑動幀結構，當標志位1～3字段值為111時，當前幀發送的信息為輔助信息標志或輔助信息，標志位字段值為其他值時傳輸某測量信號。

針對圖5所示滑動幀，完成FPGA程序設計后，在加載之前先用ISE開發工具進行邏輯綜合和時序仿真。由于各功能模塊之間多數信號相關，在各功能融合之前要對相關模塊之間設計嚴格的時序約束條件，同時對時序邏輯進行優化設計，保證滑動幀處理器正確輸出穩定的數據流。

為驗證滑動幀處理器的設計正確性，按照要求，以最頻繁的速率模擬復接發送某測量信號，程序加載到FPGA后，由示波器觀測到的滑動幀處理后的發送/接收波形如圖6所示，從上往下依次為發送信號使能，發送信號碼字；接收信號使能，接收信號碼字。由圖可以看出，采用滑動幀處理器，能保證在下一組信號發送之前，及時地完成上一組信號的發送/接收處理，充分滿足了實時傳輸的需求。

6 結 語

本文提出的滑動幀處理器，彌補了傳統幀處理方法的缺陷，能很好地承載某信號的實時傳輸要求，同時能準確承載其他輔助信息的傳送，充分滿足了系統快速獲取有關信號的要求。

在FPGA中設計實現滑動幀處理器，設計簡潔靈活、性能可靠，而且可根據實際要求與FPGA內的多種設計功能進行融合，提高了設備的集成度，系統有效性得到了極大提高。通過實際工程的應用證明了設計可靠有效，取得了良好的社會效益。

參 考 文 獻

［1］弋穩.雷達接收機技術［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［2］孫玉.數字復接技術［M］.北京：人民郵電出版社，1991.

［3］求是科技.CPLD/FPGA應用開發技術與工程實踐［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［4］倪養華，王重瑋.數字信號處理：原理與實現［M］.上海：上海交通大學出版社，1998.

［5］趙曙光，郭萬有，楊頌華.可編程邏輯器件原理、開發與應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2001.

［6］張鳳蕊，郭俊杰.基于DSP電子參數測試系統的研究［J］.現代電子技術，2006，29（20）：156-159.

作者簡介 朱 彥 男，1974年出生，碩士研究生。研究方向為移動通信。

高 勇 男，1969年出生，博士，副教授，中國電子學會高級會員，中國通信學會高級會員，四川省電子學會電子戰專業委員會副主任委員，已在國內重要核心學術刊物、重要國際和國內學術會議上發表學術論文16篇(第一作者)。申請中國發明專利4項，已獲發明專利授權1項、實用新型授權2項。研究興趣為陣列信號處理、軟件無線電、通信抗干擾技術、實時信號處理、嵌入式系統開發等。