摘要：提出了一種基于FPGA并利用Verilog HDL實現的CMI編碼設計方法。研究了CMI碼型的編碼特點，提出了利用Altera公司CycloneⅡ系列EP2C5Q型號FPGA完成CMI編碼功能的方案。在系統程序設計中，首先產生m序列，然后程序再對m序列進行CMI碼型變換。在CMI碼型變換過程中，采用專用寄存器對1碼的狀態進行了存儲，同時利用m序列的二倍頻為CMI編碼進程提供時鐘激勵，最后輸出CMI碼型。實驗結果表明，采用FPGA完成CMI編碼的設計，編碼結果完全正確，能夠達到預期要求。利用這種方法實現CMI編碼功能，具有效率高、可擴展性強、升級方便等特點，方便嵌入到大規模設計中，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞：FPGA；VetilogHDL；傳號反轉碼(CMI)；編碼；m序列
CMI碼一般作為PCM4次群數字中繼接口和光纖傳輸系統中的線路碼型。這種碼型不具有直流分量，有較多的電平跳躍，含有豐富的定時信息，因此很容易提取位定時信號，該碼型具有良好的糾錯能力，是一種很重要的碼型。
在高次脈沖編碼調制終端設備中廣泛使用CMI碼作為接口碼型，在速率低于8 448 kb／s的光纖數字傳輸系統中也被建議作為線路傳輸碼型。
本文主要介紹CMI碼的編碼具體實現方法，系統設計中采用了Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C5Q型號FPGA作為系統的核心單元，完成CMI編碼功能，程序設計平臺為0uartusⅡ7．2軟件，采用Verilog HDL作為程序設計語言。
1 CMI編碼規則及FPGA配置電路
CMI碼的全稱是傳號反轉碼，CMI碼的編碼規則如下：當輸入0碼時，編碼輸出01；當輸入1碼時，編碼輸出則00和11交替出現，如表1所示。
根據此規則輸出CMI碼元的速率應為輸入基帶信號碼元速率的2倍，對于輸入為1的碼字，輸出不僅與當前碼字有關，還與前一個1碼的輸出有關，1碼對應的編碼結果是00或11碼型交替出現。由以上規則可以看出，在同步的情況下，輸出只對應3種有效碼型。即01、00、11碼，而10碼型則無效，因此可以根據這個特點進行檢錯。
設計中采用的是Altera公司的EP2C5Q型號FPGA，EP2C5Q是CycloneⅡ系列器件中的一種，CycloneⅡ器件采用90 nm工藝制造，在邏輯容量、PLL、乘法器和I／O數量上都較Cyclone有了很大的提高。EP2C5Q型號FPGA具有豐富的邏輯資源，共有4 608個邏輯單元(LE)，26個M4K RAM塊，2個PLL鎖相環，13個18x18的乘法器模塊。
在FPGA硬件電路設計中需要注意的問題就是JTAG下載電路、配置芯片EEPROM電路與FPGA的連接關系。FPGA每次上電后都需要進行配置，從EEPROM中將數據讀入，然后開始運行。根據FPGA在配置電路中的角色，其配置數據可以使用3種方式載入到目標器件中，分別是：FPGA主動(Active)方式；FPGA被動(Passive)方式；JTAG方式。在FPGA主動方式下，由目標FPGA來主動輸出控制和同步信號(包括配置時鐘)給Altera專用串行配置芯片(如EPCS1、EPCS4等)，在配置芯片收到命令后，就把配置數據發送到FPGA，完成配置過程。要注意的是：Altera FPGA所支持的主動方式，只能夠與Altera公司提供的主動串行配置芯片(EPCS系列)配合使用。這種配置模式只有在StratixⅡ和Cyclone系列(Cyclone和CycloneⅡ)的器件中支持。在被動方式下，是由系統中的其他設備發起并控制配置過程。比較常用的是JTAG配置方式JTAG是IEEE 1149．1邊界掃描測試的標準接口。絕大多數的Altera FPGA都支持由JTFAG口進行配置，并支持JAM STAPL標準。從JTAG接口進行配置可以使用Altera的下載電纜，通過QuartusⅡ工具下載。
圖1給出了FPGA的配置電路圖，主要包括FPGA的主動(Active)方式和JTAG方式加載電路，以及專用串行配置芯片EPCS1與FPGA的連接關系。
2 CMI編碼系統的程序設計
在系統程序設計過程中，將m序列作為基帶輸入碼，然后程序再對m序列進行CMI碼型變換，最后輸出CMI碼型。通過對CMI編碼規則的分析，1位輸入碼元對應2位輸出編碼，因此CNI碼元輸出速率是輸入m序列碼元速率的2倍。在程序設計中，要保持m序列進程時鐘為CMI編碼進程時鐘的2倍頻，這是完成CMI編碼任務的前提。
m序列是最長線性反饋移存器序列的簡稱，m序列具有平衡性、游程特性、線性疊加性、自相關特性和偽噪聲特性，應用十分廣泛。設計采用m序列產生器產生的m序列作為CMI編碼的數據源，用4級移存器構成周期為P=24-1=15的m序列發生器。m序列發生器的結構圖如圖2所示，其中A0、A1、A2、A3分別代表一個寄存器。
在對m序列進行CMI編碼的程序設計時，要注意的問題是，1碼對應的輸出是與前一個1碼的狀態有關，因此要對1碼的狀態進行記錄，從而實現1碼對應的00和11碼型交替輸出。
CMI編碼系統設計軟件環境采用的是QuartusⅡ軟件平臺，QuartusⅡ是一種綜合開發工具，它集成了Altera的FPGA／CPLD開發流程中所涉及的所有工具和第三方軟件接口。通過使用此綜合開發工具，設計者可以創建、組織和管理自己的設計，主要包括設計輸入、綜合、布局布線、時序分析、仿真、編程與配置過程。QuartusⅡ支持多時鐘定時分析，內嵌SignalTapⅡ邏輯分析器、功率估計器等高級工具，易于管腳分配和時序約束，具有強大的HDL綜合能力。
SignalTapⅡ邏輯分析器是很重要的測試工具，它是對FPGA的硬件信號進行讀取，可以捕獲和顯示FPGA內部的實時信號行為，從而能夠讓設計者直觀的判斷出邏輯是否準確。SignalTapⅡ的功能類似于邏輯分析儀，但與傳統的邏輯分析儀相比，具有如下優點：使用SignalTapⅡ邏輯分析器不占用額外的I／O管腳，若使用傳統的邏輯分析儀觀察信號波形，則必須將待觀察信號引到空閑管腳；SignalTapⅡ邏輯分析器不占用PCB上的空間，若使用傳統邏輯分析儀，需要從FPGA器件上引出測試管腳到PCB上，這樣增加了PCB走線難度；SignalTapⅡ邏輯分析器還不會破壞信號的完整性；SignalTapⅡ邏輯分析器集成在QuartusⅡ軟件中，無需另外付費，而傳統的邏輯分析儀則價格昂貴。
程序采用Verilog HDL語言進行設計，下面給出了CMI編碼的部分源程序：
程序中主要有兩個進程，其中前一個進程主要功能是在clk_m時鐘作用下，產生m序列，完成CMI編碼功能，由m_out輸出產生的m序列，cmi_reg用于存儲CMI編碼值；后一個進程主要功能是在clk_cmi(是clk_m時鐘速度的2倍)時鐘作用下，輸出CMI編碼信號。
3 系統仿真結果
利用QuartusⅡ7．2軟件平臺對CMI編碼程序進行了編譯和仿真，通過仿真得到了編碼仿真結果，圖3給出了CMI碼編碼仿真波形。
從仿真結果可以看出，系統在時鐘clk_m的觸發下，由m_out寄存器輸出m序列，輸出15位的m序列值，依次為000111101011001；系統在時鐘clk_cmi的觸發下，完成CMI編碼功能，而CMI編碼后的輸出值則由cmi_out寄存器輸出，從仿真波形圖上可以看出，CMI編碼的碼元輸出速率是m序列碼元速率的2倍。對應的輸出值依次為010101110011000111010011010100，對應的CMI編碼信號與m序列相比，有一定時間的延時，但編碼結果完全正確。
4 結論
本文詳細介紹了采用Altera公司的FPGA，利用Verilog HDL語言進行設計的CMI編碼系統的具體實現方法，Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q型號FPGA具有豐富的邏輯單元，通過QuartusⅡ軟件的綜合仿真，可以看到程序的設計僅僅占用了11個LE，占用FPGA的LE資源還不到1％。通過以上仿真結果可以看出，編碼的結果完全正確，本文闡述的設計方法是合理的。
本系統的創新點是將FPGA應用于CMI編碼邏輯的開發中，使系統設計簡單，配置更靈活，易于擴展，擺脫了基于專用芯片設計的限制，系統采用FPGA作為CMI編碼的核心單元，應用Verilog HDL對CMI編碼邏輯進行描述，利用SignalTapⅡ工具對系統邏輯進行分析，具有開發周期短、成本低、效率高、升級方便等特點，系統還研究了4級移存器周期為15的m序列發生器的設計方法，這為CMI編碼器的測試提供了信源基礎。存在的問題是系統在設計時未能合理的選擇FPGA型號，導致FPGA資源使用不盡合理，因此，在基于FPGA的系統設計過程中，為了避免產生資源浪費，一定要在設計前通過仿真手段大致的估算出設計需要的資源數量，然后選擇相應的FPGA型號；但同時也要注意FPGA的容量選擇要留有一定的余量，因為在大規模設計中，還可以將本文設計的CMI編碼電路與其他功能模塊都集成在一塊FPGA中，這一點在CMI編碼作為系統設計的一部分時便顯得尤為重要。