摘要：利用FPGA實現(xiàn)時分多址的方法有很多種，但大多數(shù)方法都對FPGA芯片資源的占用非常巨大。針對這一問題，提出一種改進型方法來實現(xiàn)時分多址。通過使用FPGA芯片內(nèi)部的雙口隨機訪問存儲器(雙口RAM)，利用同一塊RAM采用兩套時鐘線，地址線和數(shù)據(jù)線，例化雙口RAM的IP核后，在占用較少FPGA芯片資源的前提下，信號實現(xiàn)了時分多址格式的傳輸。通過對程序進行仿真和驗證，證明了該算法的可用性，與傳統(tǒng)方法相比，芯片資源的占用率明顯降低。
關(guān)鍵詞：時分多址；現(xiàn)場可編程門陣列；雙口隨機訪問存儲器；IP核；芯片資源
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各種多址技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用正變得越來越廣泛。所謂多址技術(shù)，是指許多用戶同時使用同一頻譜，采用不同的處理技術(shù)，使不同用戶信號之間互不干擾地被分別接收和解調(diào)。多址技術(shù)分為頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)、時分多址(TDM-A)。頻分多址是以不同的頻率信道實現(xiàn)通信，碼分多址是以不同的代碼序列實現(xiàn)通信，而時分多址是以不同的時隙實現(xiàn)通信，它是一種實現(xiàn)共享傳輸介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò)的通行技術(shù)。
時分多址技術(shù)把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，通過介質(zhì)或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號。在滿足定時和同步的條件下，接收方可以分別在各個時隙中接收到對應(yīng)的信號而不混擾。時分多址技術(shù)具有保密性較高，傳輸容量較大等特點。
目前，利用FPGA實現(xiàn)多路信號的時分多址幀格式來進行傳輸?shù)姆椒ū姸啵蠖鄶?shù)方法都是通過使用FPGA芯片大量的門電路構(gòu)成寄存器來實現(xiàn)時分多址。該類方法將占用大量的FIGA資源，導致單片F(xiàn)PGA可實現(xiàn)的功能大大減少，提高了工程成本，甚至對于一些資源較少的FPGA芯片，該類方法無法實現(xiàn)時分多址傳輸。本文提出了一種基于IP核的方法來實現(xiàn)時分多址，利用芯片內(nèi)部的Block SelectRAMResource(BRAM)存儲數(shù)據(jù)，節(jié)約了大量的邏輯門資源，使單片F(xiàn)PGA芯片能完成更多的邏輯功能。
1 理論分析
1．1 IP核
IP核(Intellectual Property core)是一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序，該程序與集成電路的工藝無關(guān)，可以移植到不同的半導體工藝中去生產(chǎn)基礎(chǔ)電路芯片。利用IP核設(shè)計電子系統(tǒng)，引用方便，修改基本元件的功能容易。IP核模塊有行為(Behavior)、結(jié)構(gòu)(Str-ucture)和物理(Physical)3級不同程度的設(shè)計，對應(yīng)描述功能行為的不同分為3類，即軟核、完成結(jié)構(gòu)描述的固核和基于描述并經(jīng)過工藝驗證的硬核。
1．2 BRAM(Block SeleetRAM Resource)
FPGA內(nèi)部的資源種類比較復雜，主要包括了以下幾個部分：輸入／輸出模塊(Input／Output Blocks，IOB)、可配置邏輯單元(Configur-able Logic Blocks，CLB)、Block SelectRAM、乘法器、數(shù)字時鐘管理單元(DCM)、布線資源(Routing Resources)等。本文提出的算法正是利用芯片內(nèi)部集成的Block SelectRAM實現(xiàn)時分多址方式的傳輸，從而節(jié)約出大量的CLB．以便單片F(xiàn)PGA能完成更多的功能。
FPGA芯片內(nèi)部集成的每一塊BRAM都是物理上的雙口隨機訪問存儲器(雙口RAM)，它有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線，地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統(tǒng)同時對該存儲器進行隨機性的訪問，即共享式多端口存儲器。
雙口RAM最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。一個存儲器配備兩套獨立的地址，數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨立控制器同時異步的訪問存儲單元。因為數(shù)據(jù)共享，就必須存在訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配；信令交換邏輯等。
BRAM的工作類似于寄存器的工作方式，控制信號、地址信號以及輸入輸出數(shù)據(jù)信號必須要在時鐘沿的建立時間內(nèi)保持有效，BRAM會在這個時鐘周期進行讀寫操作來輸出結(jié)果或?qū)懭霐?shù)據(jù)。其讀寫方式分為3種，分別是對地址進行讀和寫、只讀、只寫。
1．3 算法實現(xiàn)
第1步，例化雙口RAM的IP核，將程序的輸入輸出與雙口RAM的輸入輸出進行映射。
第2步，通過雙口RAM的第一套端口將輸入信號存儲到RAM中，通過雙口RAM的第二套端口將存儲到RAM中的數(shù)據(jù)讀出。
以4路信號為例，假設(shè)每路輸入信號的采樣率是48 kHz，采樣位數(shù)是64 bit，則每路輸入信號的位時鐘是3．072 MHz，在第一個48 kHz的采樣周期內(nèi)，當采到3．072 MHz位時鐘的下降沿時，將輸入地址遞增1。則在接下來的位時鐘的上升沿，根據(jù)所例化的雙口RAM的IP核，4路輸入數(shù)據(jù)將存儲到雙口RAM當前輸入地址所對應(yīng)的存儲器地址中，等待讀取。由于共有4路信號，即輸入信號寬度為4位，則存儲到雙口RAM中的數(shù)據(jù)寬度也應(yīng)為4位，其中，每個地址中的所存儲數(shù)據(jù)的第一位對應(yīng)第一路輸入信號，第二位對應(yīng)第二路輸入信號，以此類推。此時需要的雙口RAM的大小位64x4 bit。
在下一個48 kHz的周期內(nèi)，與前面類似，將4位寬度的輸入數(shù)據(jù)繼續(xù)存儲到雙口RAM新的64個4位的存儲空間，同時，應(yīng)將上個48 kHz周期所存儲的前64個4位數(shù)據(jù)讀出，并且準備以時分多址的格式傳輸出去。
第3步，將從第二套端口讀出的數(shù)據(jù)以時分多址的幀格式傳輸出去。
要想4路輸入信號以時分多址的格式傳輸，應(yīng)該將48 kHz時間周期劃分為4個時間周期，在劃分的每一個時間周期內(nèi)，讀取一遍雙口RAM中存儲的數(shù)據(jù)。首先，應(yīng)在劃分的第一個時間周期內(nèi)把讀出的64個4位數(shù)據(jù)的第一位送給時分多址的輸出，然后回到起始地址，在劃分的第二個時間周期內(nèi)再重新讀出一次64個4位數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)的第二位送給時分多址的輸出，以此類推，直到4路數(shù)據(jù)全部輸出。由于在一個48 kHz周期內(nèi)要重復讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)4次，所以此時位時鐘的頻率要提高到原來的4倍，因此，讀取數(shù)據(jù)的位時鐘頻率應(yīng)該為12．288 MHz。
在接下來的一個48 kHz周期內(nèi)，將雙口RAM中后64個4位存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)以與上面相同的方式發(fā)送出去，同時，由于前64個4位的存儲空間的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成，不再需要保存，則新輸入的數(shù)據(jù)可被存儲到前64個4位的存儲空間，以此類推，前64個4位存儲空間與后64個存儲空間交替存儲輸入數(shù)據(jù)，并交替將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
由此可以看到，所需要雙口RAM的大小應(yīng)為2x64×4bit，在A端口對數(shù)據(jù)寫入，在B端口對數(shù)據(jù)進行讀出。
2 FPGA的實現(xiàn)
實驗所采用的FPGA是XILINX公司的SPARTAN 3E系列中的XC3SS00E芯片，該芯片的封裝是PQ208，芯片速度為-5，采用的程序開發(fā)語言是VHDL，綜合工具為XILINX公司的ISE 10．1，仿真工具采用的是ModelSim se 6．2。
與理論算法對應(yīng)，硬件實現(xiàn)的VHDL程序包括了以下幾個模塊。
使用芯片內(nèi)部的雙口RAM的IP核，通過例化IP核，利用一個雙口RAM有兩套讀寫地址，將程序的輸入輸出與雙口RAM的輸入輸出進行映射，則內(nèi)部電路將程序的輸入輸出連接到了雙口RAM的輸入輸出上。對程序的輸入輸出腳的操作相當于對雙口RAM進行操作。圖1是雙口RAM的VHDL代碼在Xilinx ISE中綜合后的寄存器傳輸級電路圖。
在端口A輸入時鐘clk3072的每個下降沿，端口A輸入地址AddrIn都遞增1，則在elk3072的上升沿，根據(jù)例化的雙口RAM的IP核，端口A的四路輸入數(shù)據(jù)將存儲進相應(yīng)的地址空間中。
在端口B輸入時鐘elk12288的每個下降沿，端口B輸入地址AddrOut都遞增1，則在elk12288的上升沿，根據(jù)例化的雙口RAM的IP核，相應(yīng)的地址空間中的數(shù)據(jù)將通過Dout被讀出來。
依次將輸出數(shù)據(jù)以時分多址的幀格式傳輸出去。
3 仿真結(jié)果
用ModelSim se 6．2b對程序進行仿真，在48 kHz的時鐘周期內(nèi)，給第1路輸入源的64位輸入信號為0x1111111111111111，第2路輸入源的64位輸入信號為0x2222222222222222，第3路輸入源的64位輸入信號為0x3333333333333333，第4路輸入源的64位輸入信號為0x4444444444 444444。仿真結(jié)果如圖2所示。
由仿真圖可以看出，在一個48 kHz的時鐘周期內(nèi)，TDMA_OUT，即時分多址幀格式的輸出為0x11111111111111112222222222222222333333 33333333334444444444444444，即每一幀被分成了4個時隙，4路輸入信號在每一幀中占用各自的時隙進行傳輸，通過該仿真結(jié)果，可以驗證該方法的可用性。
將VHDL語言程序通過ISE10．1綜合，布局布線后，通過JTAG線纜下載到XC3S500E中進行電路板上的測試，再次驗證了該方法的正確。
通過ISE綜合后，可以看到程序所占用的芯片資源如下表所示。
從表中的數(shù)據(jù)可以看出，通過使用一個BRAM從而節(jié)約了大量的資源，F(xiàn)PGA芯片資源的重要指標Slices僅僅占用了15個，LUTs僅僅用了29個，可見，該方法所占用的FPGA資源極少，達到了設(shè)計目標。
4 結(jié)論
本文研究了FPGA實現(xiàn)時分多址的一種改進型的方法，通過使用FPGA芯片內(nèi)部的雙口RAM，利用IP核，實現(xiàn)了多路信號轉(zhuǎn)換成時分多址幀格式信號進行傳輸，根據(jù)所占資源的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看到在完成相同功能的前提下，該方法相比于已有的方法，確實能大量節(jié)省FPGA芯片的邏輯資源，從而使單片F(xiàn)PGA能完成更多的邏輯功能。但是，此方法會占用一部分雙口RAM，在雙口RAM資源緊張的時候不是太適用。
用ModelSim SE 6．2b對FPGA程序進行了仿真，并且將程序下載到電路板上進行了驗證，證實了該方法的可用性。