阮崢，陳亮，王寶瑛
（公安部第三研究所，上海 201204）
摘要：通信系統(tǒng)中，數(shù)字復(fù)接是提高帶寬利用率的一項(xiàng)重要技術(shù)，將多路并行低速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦弑忍芈实拇袛?shù)字流。首先使用Cadence軟件仿真基本門級(jí)CMOS電路，通過自下而上的FPGA設(shè)計(jì)方法和Verilog硬件描述語言，設(shè)計(jì)四路串行復(fù)接器的功能組成模塊，完成Quartus II平臺(tái)上的可綜合驗(yàn)證。最后提出了復(fù)接器CMOS集成電路的設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞：門級(jí)電路；Verilog；Quartus II；復(fù)接器；CMOS集成電路
0引言
通信系統(tǒng)中，一路獨(dú)立信號(hào)的速率通常都是較低的，通信設(shè)備的帶寬卻相對(duì)較大。多路復(fù)用技術(shù)正是解決信源速率與傳輸帶寬之間不對(duì)稱問題的有效途徑之一，通常使用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和碼分復(fù)用四種復(fù)用系統(tǒng)。基于時(shí)分復(fù)用理論的復(fù)接器，按照時(shí)序依次將N路相同速率和相位的低速信號(hào)整合為一路N倍速率的高速信號(hào)，以提高傳輸物理介質(zhì)帶寬的利用率。隨著電路制作工藝的不斷進(jìn)步，復(fù)接器系統(tǒng)可以由多種基本復(fù)接電路組合，來實(shí)現(xiàn)Gb/s級(jí)別的工作速率，因而普遍用于通信系統(tǒng)的信道接口部分［1］。
集成電路設(shè)計(jì)之前一般需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)可編輯邏輯陣列（FPGA）的功能驗(yàn)證。作為一種通用半定制電路，F(xiàn)PGA的硬件驗(yàn)證可以方便在電路設(shè)計(jì)的早期發(fā)現(xiàn)問題，達(dá)到降低研發(fā)費(fèi)用、縮短開發(fā)周期的效果，因此對(duì)芯片的邏輯綜合和版圖設(shè)計(jì)具有重要意義。
本文在4∶1串行復(fù)接器的經(jīng)典設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，介紹基本門級(jí)CMOS電路的仿真，并在Quartus下設(shè)計(jì)驗(yàn)證復(fù)接器各組成電路模塊，分析電路時(shí)序邏輯功能。
1基本門級(jí)電路的CMOS設(shè)計(jì)仿真
基本非門和與非門的CMOS電路如圖1所示。
PMOS管和NMOS管的兩個(gè)柵極相連作為輸入，各自的漏極相連作為輸出，當(dāng)輸入信號(hào)IN大于NMOS的閾值電壓時(shí)，M1導(dǎo)通，PMOS管截止，輸出信號(hào)OUT接地，為低電平輸出；當(dāng)IN低于閾值電壓時(shí)，M0導(dǎo)通，M1截止，輸出信號(hào)OUT與VCC形成通路，輸出高電平，這樣就構(gòu)成了圖1所示的非門，又稱反相器。兩個(gè)PMOS管并聯(lián)后再與兩個(gè)串聯(lián)的NMOS管相連，構(gòu)成二輸入的與非門。當(dāng)輸入INA和INB其中一個(gè)或者全都為低電平，M3、M2中的一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出信號(hào)OUT與高電平VCC形成通路，輸出高電平；當(dāng)且僅當(dāng)輸入全為高電平時(shí)，M1、M2導(dǎo)通，輸出信號(hào)OUT直接接地，輸出低電平，構(gòu)成圖1所示的與非門電路［2］。借助Cadence軟件，按照表1給出的參數(shù)設(shè)置器件的寬長值，對(duì)非門、與非門進(jìn)行器件仿真。表1器件的寬長比值（μm） 器件寬（W）長（L）PMOS20.5NMOS30.5器件仿真的結(jié)果如圖2、圖3所示，可以看出符合相應(yīng)器件的邏輯特性。
圖5四路串行復(fù)接器原理圖其他基本門電路邏輯如公式（1）~（3）所示：
式中a、b表示二輸入邏輯門的輸入信號(hào)。
公式表明，或門、異或門等基本電路都可以由與門、與非門構(gòu)成，稱之為基本CMOS邏輯門電路。基本門級(jí)電路繼續(xù)構(gòu)成多種形式和驅(qū)動(dòng)能力的觸發(fā)器、多路器、緩沖器等基本電路單元，并且作為集成電路制造廠家的標(biāo)準(zhǔn)單元庫，提供給設(shè)計(jì)人員使用。需求電路的邏輯設(shè)計(jì)驗(yàn)證后，再進(jìn)行電路的版圖設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、后仿真、流片、測(cè)試，最終在管級(jí)器件上實(shí)現(xiàn)［3］。
2復(fù)接原理
數(shù)字復(fù)接的作用是將低速數(shù)據(jù)碼流變換成高速數(shù)據(jù)碼流的設(shè)備［4］。圖4為M路信號(hào)的復(fù)接示意圖，M路信號(hào)在時(shí)序控制電路作用下，由時(shí)鐘信號(hào)控制時(shí)序，有條不紊地復(fù)接每一路獨(dú)立信源，依次輸出復(fù)接信號(hào)，其實(shí)質(zhì)是在抽樣時(shí)間內(nèi)傳輸一路數(shù)據(jù)，在其他時(shí)隙用于傳輸其他路信源數(shù)據(jù)。
4∶1串行復(fù)接器電路系統(tǒng)由三個(gè)D觸發(fā)器、三個(gè)2∶1的通道選擇器以及一個(gè)1:4分頻器構(gòu)成［5］，如圖5所示。D觸發(fā)器用于數(shù)據(jù)鎖存，通道選擇器作為單刀雙擲開關(guān)。時(shí)鐘信號(hào)上升沿觸發(fā)觸發(fā)器，鎖存前端選擇器的輸出比特。分頻信號(hào)觸發(fā)通道選擇，高電平選擇信號(hào)a，低電平選擇信號(hào)b。如分頻信號(hào)正向脈沖期間，數(shù)據(jù)D1的一個(gè)比特直接輸出，而時(shí)鐘信號(hào)上升沿將數(shù)據(jù)D2，D3，D4的比特鎖存在相應(yīng)的D觸發(fā)器中，直到分頻信號(hào)負(fù)向脈沖到來移出，這樣D1、D2、D3、D4的數(shù)據(jù)一位接一位地輸出，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的復(fù)接。
數(shù)據(jù)復(fù)接的條件如下：
（1）需要復(fù)接的數(shù)據(jù)在一個(gè)分頻時(shí)鐘周期內(nèi)保持穩(wěn)定。
（2）時(shí)鐘信號(hào)的上升沿觸發(fā)鎖存，通道選擇器高電平輸入選擇信號(hào)a，低電平輸入選信號(hào)b。
（3）分頻器輸出占空比必須為1∶3。
在CK/4信號(hào)的正向脈沖期間，D觸發(fā)器和選擇器組成了一個(gè)移位寄存器。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)D2、D3和D4一位接一位輸出。任何占空比的分頻器都可以通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)［6］。電路用到兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：頻率等于復(fù)接器輸出比特率的時(shí)鐘信號(hào)和只有輸出頻率1/4的分頻信號(hào)，前者用于數(shù)據(jù)寄存，后者用于數(shù)據(jù)移位，低速時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。隨著輸出速率提高以及復(fù)接信號(hào)源數(shù)目的增加，D觸發(fā)器的速率可能限制整個(gè)電路的輸出速率，同時(shí)通道選擇器在一個(gè)輸出比特的周期內(nèi)要完成信號(hào)的選擇，需要的速度也必須很高，功耗的問題也會(huì)表現(xiàn)出來，因?yàn)樗蠨觸發(fā)器都工作在最高頻率的時(shí)鐘信號(hào)上，而CMOS管的功耗與翻轉(zhuǎn)頻率成正比。
這種結(jié)構(gòu)的電路運(yùn)行速度取決于n級(jí)移位寄存器和時(shí)鐘通道的第一級(jí)分頻器。D觸發(fā)器的速度有可能限制分接器的速度，因?yàn)檎麄€(gè)移位寄存器鏈路和分頻器的第一級(jí)中的D觸發(fā)器的頻率必須等于輸出的速度。另外，所有通道選擇器的速度也必須很高，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝粋€(gè)輸出數(shù)據(jù)比特周期內(nèi)必須完成選擇的功能。因此，電路設(shè)計(jì)所用的技術(shù)是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗幸莆患拇嫫鞫际侵鲝挠|發(fā)器，為達(dá)到高速，通道選擇器也需要大電流。這樣功耗就會(huì)很高。
3程序設(shè)計(jì)
3.1觸發(fā)器的設(shè)計(jì)
時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí)刻，寄存并輸出信號(hào)源。可綜合Verilog代碼片段如下：
always @(posedge clk)
begin
q<=d;
end
3.2二選一電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)輸入信號(hào)電平的高低，決定輸出選擇信號(hào)的二選一電路模塊的代碼片段如下：
always@(sl or a or b)
if(sl)
out<=a;
else
out<=b;
3.3分頻器電路的設(shè)計(jì)
分頻器電路可以借助狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器兩種基本方法，根據(jù)不同的占空比要求來選擇。這里采用計(jì)數(shù)器原理來實(shí)現(xiàn)占空比為1∶3的分頻器設(shè)計(jì)，代碼片段如下：
always @(posedge clk)
if(count==2'b00)
out<=1;
count<=count+1;
else
out<=0;
if(count==2'b11)
count<=2'b00;
else
count<=count+1;
4結(jié)論
電路模塊各自得到Quartus II仿真驗(yàn)證后，由當(dāng)前文件形成各自symbol文件，用于完成復(fù)接器工程原理圖的自下而上的設(shè)計(jì)。復(fù)接器中所有的過程信號(hào)都以管腳信號(hào)輸出，用以顯示功能驗(yàn)證的正確性。
截取的功能仿真結(jié)果如圖6所示。仿真中添加了圖5電路中以D4作為輸入信號(hào)的觸發(fā)器的輸出信號(hào)q4、以D3作為輸入信號(hào)a的二選一電路的輸出D34和分頻器的輸出信號(hào)clk/4。可以看到，時(shí)鐘信號(hào)clk的周期為10 ns，分頻后輸出信號(hào)的周期為40 ns，頻率為時(shí)鐘信號(hào)的1/4，占空比為1∶3。q4在時(shí)鐘上升沿鎖存D4信號(hào)，與其電平保持一致。D34在分頻信號(hào)為高電平時(shí)刻選擇信號(hào)D3，低電平時(shí)刻選擇信號(hào)D4。在第一個(gè)時(shí)隙（5 ns~45 ns）內(nèi)，D1~D4輸入數(shù)據(jù)依次為1，1，0，0，這一時(shí)期的輸出復(fù)接信號(hào)muxout為1100，達(dá)到信號(hào)復(fù)接要求；第二個(gè)時(shí)隙（45 ns~85 ns）內(nèi)D1~D4輸入數(shù)據(jù)依次為0，1，0，1，其間輸出復(fù)接信號(hào)muxout為0101，滿足信號(hào)復(fù)接要求；后續(xù)時(shí)隙仿真功能依然正確。經(jīng)可綜合風(fēng)格的硬件描述語言驗(yàn)證的電路，再通過集成電路設(shè)計(jì)專用工具，邏輯綜合成邏輯門電路網(wǎng)表，由CMOS標(biāo)準(zhǔn)單元庫最終完成復(fù)接器集成電路的設(shè)計(jì)制造。
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