如何利用FPGA和VHDL语言实现PCM码的解调？

　　1引言
　　脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，简称PCM）是一种概念简单、理论完善的编码系统，其最大特征是把连续的输入信号变换成在时间和振幅上都是离散量，然后再变换为代码传输。信息为数字信号，在远距离再生中继传输中不积累噪声，从而提高了通信系统的有效性、可靠性和保密性。利用现场可编程门阵列（FPGA）和VHDL 语言实现了PCM码的解调，这样在不改变硬件电路的情况下，能够适应PCM码传输速率和帧结构变化，从而正确解调数据。
　　2硬件电路设计
　　图1给出基于FPGA的硬件电路。其中，图1（a）为FPGA配置模块；图1（b）为信号收发模块及PCM码接收模块。
　　
　　该系统设计中FPGA选取Xilinx公司的Spartan系列XC2S50器件。该器件有4种工作模式，分别为主串模式、从串模式、边界扫描和从并模式。将M0，M1，M2接地，使其工作在主串模式下。FPGA由存储在片内RAM中的程序设置其工作状态，工作时需要编程设置片内的RAM。用户可根据不同的配置模式，采用相应的编程方式。上电时，FPGA将EPROM中的数据写入片内编程RAM，配置完成后，FPGA进人工作状态。掉电后，FPGA内部逻辑消失，恢复成白片。因此，FPGA能够反复使用且无需专用的编程器，采用通用EPROM，PROM编程器即可实现。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM。同一FPGA根据不同的编程数据能够产生不同的电路功能。该系统在发送方接收到请求信号后则开始发送数据。PCM码解调模块在移位脉冲同步下接收数据，并将串行数据转换为并行数据存人FIFO中。每接收到一次请求脉冲发送一帧数据，每帧数据以146FH为结束标志字，EB90为子帧同步字，当PCM码解调模块检测到帧尾后停止解调，并停止向FIFO写人数据。PCM码解调模块由硬件描述语言编写并集成于FPGA中。
　　3 PCM码解调程序模块
　　
　　图2给出PCM码帧格式。其中N为子帧中的字数，最大值为1 024；Z为一帧所含子帧个数，最大值为256。子帧同步字字长为16～32 bit，字长度为4～16 bit。在遥测系统中，依照PCM码帧格式，将所要测控的参数放在格栅中自定义位，同时定义子帧同步字和字长。当发送请求信号，同步接收一帧数据，即使一帧数据接收错误，也不影响下一帧数据解调的正确性，进一步减小误码率。检测子帧同步字时，先找到一个子帧同步字后，每隔N个字节判断移位数据是否为子帧同步字，对每一个子帧都进行判断，即使第一次误判，或当PCM发送中断后再重发，也不会影响后续正确解调数据。可根据子帧同步字、帧尾标志字和请求信号的顺序由该解调数据模块进行自我纠正，从而大大降低了误码率。图3为PCM码解调程序模块图。
　　3.1移位脉冲产生程序
　　
　　系统设计要求移位脉冲频率为80 kHz，对时钟脉冲进行40分频。移位脉冲产生程序仿真图如图4所示。其中，bitt为位同步移位脉冲。
　　　　3.2字节同步信号产生程序
　　
　　设b为一个标志位，当b为‘1’时，表示检测到请求信号的上升沿且尚未结束一帧传输，该进程的byte为字节同步信号，用来标志一个字节接收完毕。字节同步信号产生程序仿真图如图5所示。
　　
　　3.3并行数据输出及帧尾检测程序
　　
　　并行数据在字节同步信号byte的上升沿输出，outdata为并行数据输出端，同时将并行数据赋值给帧尾标志tail的低8位，将tail的低8位给其高8位，当tail的值为146F时，即表示一帧结束。并行数据输出及帧尾检测程序仿真图见图6。
　　　　4调试结果
　　所发送数据是以00H为起始递增的一串数据，该数据字长200，结尾以146F为标记。调试过程中，南示波器观察波形，可以看到请求信号的频率及脉宽、移位脉冲的频率均符合要求，解调出的并行数据与数据源的数据相吻合。图7和图8分别给出移位脉冲电压up波形和输出最低位电压ud波形。
　　
　　5结语
　　基于FPGA的PCM码解调电路VHDL程序模块设计，可使电路在发出请求脉冲后，在移位脉冲的作用下，同步接收PCM数据，并输出8位并行数据，在帧尾处结束解调。通过仿真及最终电路调试验证了该系统设计能够实现PCM码解调系统功能。