Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники

Кафедра телекоммуникационных систем  (ТКС)
Дисциплина: Сети связи и системы коммутации

Техническое задание (c вариантом решения) на курсовой проект

ПОСТРОЕНИЕ VERILOG-МОДЕЛИ  BER-ТЕСТЕРА  ДЛЯ ПРОВЕРКИ КАНАЛОВ СВЯЗИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Москва 2002

1. Цель работы

1.1. Ознакомление с методикой тестирования каналов связи телекоммуникационных систем с помощью BER-тестера (Bit-Error-Rate – интенсивность поступления ошибочных битов от объекта проверки; определение дано в международном стандарте ITU-T O.153).

 1.2. Разработка логической модели  BER-тестера и анализ ее поведения в отсутствие и при наличии моделируемых ошибок в канале связи.

2. Основные сведения о BER-тестерах




2.1. Генераторы псевдослучайных битовых последовательностей



При тестировании каналов связи обычно применяют генераторы псевдослучайных битовых последовательностей. Пример схемы такого генератора приведен на рис. 2.1 [1]. Генератор выполнен на основе кольцевого сдвигового регистра RG с логическим элементом  Исключающее ИЛИ (XOR) в цепи обратной связи. Если в  исходном состоянии в регистре присутствует любой ненулевой код, то под действием синхросигнала  CLK  этот код будет непрерывно циркулировать в регистре и одновременно видоизменяться. В качестве выхода генератора можно также использовать выход любого разряда
регистра.
Рис. 2.1. Обобщенная схема генератора псевдослучайной битовой
последовательности максимальной длины и таблица для выбора
             промежуточной точки подключения обратной связи
В общем случае в М-разрядном регистре обратная связь подключается к разрядам с номерами  М  и  N 
(М > N). Приведенная на рис. 2.1 таблица описывает структуру генераторов различной разрядности. Каждый генератор формирует последовательность битов с максимальным периодом повторения, равным  2^М – 1. В такой последовательности встречаются все М-разрядные коды, за исключением нулевого. Этот код представляет собой своеобразную “ловушку” для данной схемы: если бы нулевой код появился в регистре, дальнейшая последовательность битов была бы также нулевой. Но при нормальной работе генератора попадания в ловушку не происходит. Последовательность максимальной длины обладает следующими свойствами.

1. В полном цикле (2^М – 1 тактов) число лог. 1 на единицу больше, чем число лог. 0. Добавочная лог. 1 появляется за счет исключения состояния, при котором в регистре присутствовал бы нулевой код. Это можно интерпретировать так, что вероятности появления на выходе регистра  лог. 0  и  лог. 1 практически одинаковы.

2. В полном цикле (2^М – 1 тактов) половина серий из последовательных лог. 1 имеет длину 1, одна четвертая серий – длину 2, одна восьмая – длину 3 и т. д.

Такими же свойствами обладают и серии из лог. 0 с учетом пропущенного лог. 0. Это говорит о том, что вероятности появления “орлов” и “решек” не зависят от исходов предыдущих “подбрасываний”. Поэтому вероятность того, что серия из последовательных лог. 1 или лог. 0 закончится при следующем подбрасывании, равна  1/2  вопреки обывательскому пониманию “закона о среднем”.

3. Если последовательность полного цикла (2^М – 1 тактов) сравнивать с этой же последовательностью, но циклически сдвинутой на любое число тактов W (W не является нулем или числом, кратным  2^М – 1), то число несовпадений будет на единицу больше, чем число совпадений.

Идею тестирования канала связи с помощью прогона через него псевдослучайных битовых последовательностей удобно рассмотреть на примере использования пары устройств – скремблера и дескремблера.
2.2. Скремблер – дескремблер с неизолированными генераторами
псевдослучайных битовых последовательностей



Скремблер (шифратор) и дескремблер (дешифратор) подключаются к противоположным сторонам канала связи, как показано на рис. 2.2. Скремблер и дескремблер выполнены на основе рассмотренных генераторов псевдослучайных битовых последовательностей. Оба генератора имеют одинаковую разрядность и однотипную структуру обратных связей. Все процессы, протекающие в системе передачи данных, синхронизируются от тактового генератора (на рисунке не показан). Этот генератор размещен на передающей стороне системы и может принадлежать источнику данных либо скремблеру. В каждом такте на вход скремблера подается очередной бит передаваемых данных  SD, а в сдвиговом регистре RG1 накопленный код продвигается вправо на один разряд.




Рис. 2.2.
Система передачи данных, в которой скремблер и дескремблер содержат неизолированные
                                           генераторы псевдослучайных битовых последовательностей

Если предположить, что источник данных посылает в скремблер длинную последовательность лог. 0, то элемент  XOR1  можно рассматривать как повторитель сигнала  Y1 с выхода элемента  XOR2. В этой ситуации регистр  RG1  замкнут в кольцо и генерирует точно такую же псевдослучайную последовательность битов, как и в рассмотренной ранее схеме (см. рис. 2.1). Если от источника данных поступает произвольная битовая последовательность, то она взаимодействует с последовательностью битов с выхода элемента  XOR2. В результате формируется новая (скремблированная) последовательность битов  SCRD, по структуре близкая случайной. Эта последовательность, в свою очередь, продвигается по регистру  RG1, формирует поток битов на выходе элемента  XOR2 и т. д.

Скремблированная последовательность битов  SCRD  передается по линии (каналу связи) и поступает в дескремблер. С помощью генератора с фазовой автоподстройкой частоты (этот генератор на рисунке не показан) из входного сигнала выделяется тактовый сигнал. Под управлением тактового сигнала биты  SCRD  продвигаются в регистре  RG2, а в приемник данных поступают дескремблированные данные  RD.

Потоки данных  RD  и  SD совпадают с точностью до задержки передачи по линии. Действительно, в установившемся режиме в сдвиговых регистрах  RG1  и  RG2  присутствуют одинаковые коды, так как на входы этих регистров поданы одни и те же данные  SCRD, а тактовая частота, по сути, общая. Поэтому  Y2 = Y1, и, с учетом этого, 
RD = SCRD Å Y2 = SD Å Y1 Å Y2 = SD Å Y1 Å Y1 = SD Å 0 = SD.

Рассмотренная система передачи данных не требует применения какой-либо специальной процедуры начальной синхронизации. После заполнения сдвигового регистра  RG2, как было показано, генераторы псевдослучайных битовых последовательностей работают синхронно (их состояния всегда одинаковы). При появлении одиночной ошибки в линии синхронизация временно нарушается, но затем автоматически восстанавливается, как только правильные данные вновь заполнят регистр  RG2. Однако в процессе продвижения ошибочного бита по сдвиговому регистру  RG2,  а именно, в периоды его попадания сначала на первый, а затем на второй вход элемента  XOR3  сигнал  Y2  дважды принимает неправильное значение. Это приводит к размножению одиночной ошибки – она впервые появляется в сигнале  RD  в момент поступления из линии и затем возникает еще два раза при последующем двукратном искажении сигнала  Y.

При тестировании линии источник данных выдает постоянный нулевой сигнал 
SD = 0. Скремблер генерирует псевдослучайную последовательность битов. Дескремблер восстанавливает прообраз принятого псевдослучайного сигнала. При отсутствии ошибок передачи в приемник данных поступает постоянный нулевой сигнал  RD = 0. Обнаружение пачки из трех импульсов (из-за размножения ошибки в регистре RG2) расценивается приемником данных как одиночная ошибка передачи данных по линии связи.
2.3. Вариант практической реализации тестера – объект моделирования


Как показано на рис. 2.3, для тестирования цепей передачи синхросигналов RxC  и  данных  RхD  канала связи между устройствами  DTE  и  DCE  использованы генератор и анализатор псевдослучайных последовательностей битов. По существу, генератор и анализатор представляют собой рассмотренные ранее скремблер и дескремблер, причем скремблируется сигнал “Постоянный нуль”, т. е. последовательность нулевых битов
(SD = 0, см. рис. 2.2). В отсутствие ошибок передачи сигналов  RxC  и  RxD  сигнал на выходе триггера  TT  также должен быть нулевым.

Для имитации помех в канале связи использованы генераторы  G2  и  G3. Генератор  G2  в определенном такте (тактах) формирует сигнал лог. 1. Этот сигнал воздействует на логический элемент Исключающее ИЛИ, в результате элемент временно переводится в режим инвертирования передаваемого через него бита (битов) данных. Таким образом, вместо истинного нулевого бита передается ложный единичный или наоборот. Для имитации канала связи без помех в линии передачи данных на выходе генератора  G2  должен постоянно присутствовать сигнал лог. 0.

Аналогично имитируется сигнал помехи, действующей на линию передачи синхросигнала. В отсутствие помех на выходе генератора  G3  постоянно присутствует сигнал лог. 0. Появление в некотором такте на выходе генератора  G3  сигнала лог. 1 приводит к временному искажению синхросетки передаваемых данных, так как при этом  теряется один синхроимпульс.


Рис. 2.3.
Система контроля передачи данных и синхросигнала между устройствами типа  DCE  и  DTE

В отсутствие ошибок под управлением сигнала  RxC  с генератора  G1  в линию данных  RxD  из регистра  А  поступает псевдослучайная последовательность битов (см.
рис. 2.4). Положительные фронты сигнала  RxC  задают границы битовых интервалов сигнала  RxD. Положительные фронты инвертированного сигнала  RxC  задают смещенную на половину такта синхросетку приема данных в регистр  В и в  D-триггер ТТ. Такты работы генератора псевдослучайной последовательности битов обозначены символами  Т1 с соответствующими индексами в скобках (например  Т1(L + 4)).  Аналогично такты работы анализатора обозначены символами  Т2.

В тактах  T1(J) … T1(J + 3)  состояние  регистра  А  изменяется в такой последовательности:  S(J),  S(J + 1),  S(J + 2),  S(J + 3).  Соответствующие биты выходных данных:  D(J),  D(J + 1),  D(J + 2),  D(J + 3).  Как отмечалось при описании системы “скремблер – дескремблер”, в установившемся режиме при отсутствии ошибок содержимое передающего и приемного регистров (в данном случае, регистров  А  и  В)  одинаково. Поэтому, как показано на временных диаграммах, коды в регистре  В совпадают с кодами в регистре  А с учетом взаимного смещения синхросеток на половину такта.

Рис. 2.4. Временные диаграммы передачи и приема тестовых битовых последовательностей

Интересно отметить, что код в приемном регистре (В) формируется на половину такта раньше, чем тот же код в передающем регистре (А)! Такое поведение анализатора можно рассматривать как предсказание очередного правильного бита  (0 или 1)  в ожидании его поступления по линии  RxD. Как следует из временных диаграмм, в отсутствие ошибок предсказания полностью оправдываются. Это проявляется в том, что сигнал  Z  на входе данных  D-триггера принимает устойчивое нулевое значение в моменты записи, поэтому триггер остается в состоянии лог. 0.

Предположим, что в такте  Т1(J + 4)  в результате воздействия на линию RxD  импульса помехи передаваемый бит исказился: вместо истинного лог. 0  передается ложная лог. 1 или наоборот. В этой ситуации во второй половине такта  Т2(J + 4)  обнаруживается несоответствие предсказанного и фактически принятого битов (сигнал  Z  принимает стабильное значение, равное лог. 1). Поэтому в следующем такте  Т2(J + 5)  триггер переходит в состояние лог. 1. Таким образом, первое проявление ошибки зафиксировано с задержкой в половину такта после ее возникновения в линии.

Начиная с такта  Т1(J + 5)  по линии  RxD  вновь передаются правильные биты. Сравнение предсказанных и фактически принятых битов вновь дают положительные результаты, но ранее принятый в регистр  В  ошибочный бит начинает продвижение к разряду  N. Код в регистре  В  искажен (что отражено на диаграмме символами “ERR”), но искажения пока внешне не проявляются.

В такте  Т2(К + 2)  ошибочный бит попадает в разряд  N.  Вследствие этого происходит неправильное предсказание ожидаемого бита, т. е. во второй половине такта предсказанный бит  Y  противоположен правильному биту  D(K + 2),  полученному по линии  RxD.  Поэтому триггер повторно регистрирует ошибку. После этого ошибочный бит продолжает продвижение по регистру  В  в направлении разряда  М. В такте  T2(L + 1)  ошибочный бит достигает разряда  М. Неправильное предсказание повторяется, триггер в третий раз регистрирует ошибку. После этого ошибочный бит выталкивается из сдвигового регистра  В  и, следовательно, более не влияет на работу системы контроля. Таким образом, одиночная ошибка в линии приводит к формированию пачки из трех импульсов на выходе триггера.

3. Формулировка задания
3.1. Изучите работу схемы, приведенной на рис. 2.3.

3.2. Изучите предложенную Вам версию системы моделирования.

3.3. Разработайте модель схемы, приведенной на рис. 2.3. Параметры схемы определяются вариантом задания в соответствии с табл. 3.1. Моделирование выполняется на уровне  gate
level.

3.4. Протестируйте модель в условиях выключенных и включенных генераторов помех. Число и положение импульсов помех определяются вариантом задания в соответствии с табл. 3.1. Глубина тестирования – 1000 тактов. Начальное состояние регистра А – произвольное, но не нулевое.

3.5. Распечатайте временные диаграммы сигналов на начальном этапе работы системы передачи данных (в течение первых 20 – 40 тактов). Убедитесь в правильности этих диаграмм.

3.6. Распечатайте временные диаграммы сигналов на этапе обработки импульсов помех (вплоть до выхода ошибочного бита за пределы регистра  В с запасом в несколько тактов). Убедитесь в правильности этих диаграмм.

3.7. Подготовьте пояснительную записку и файлы моделей в двух вариантах: электронном (помещается в архив локальной сети кафедры ТКС) и обычном – в виде распечатки.
В табл. 3.1. приняты следующие обозначения:

№ п/п – порядковый номер варианта курсового проекта;

М – разрядность регистра А(В), см. рис. 2.1;

N – номер разряда, к которому подключается цепь обратной связи, см. рис. 2.1;

T(DATA) – номера тактов, считая от нулевого, в которых генерируется помеха в линии передачи данных, см. рис. 2.3;

T(SYNC) – номера тактов, считая от нулевого, в которых генерируется помеха в линии передачи синхросигнала, см. рис. 2.3.
Таблица 3.1.

Параметры моделирования системы передачи данных


4. Рекомендации по построению модели
4.1. Подготовка схемы к моделированию

Прежде чем начать моделирование схемы, следует представить ее в терминах системы Verilog HDL. Для этого нужно выделить в схеме функционально-законченные модули
(module), обозначить регистры (reg), провода (wire), входы, выходы (input, output) и т. п.

На рис. 4.1 представлен результат подготовки рассмотренной ранее схемы (см.
рис. 2.3) к моделированию. Отметим, что для упрощения примера в явном виде моделируются не все элементы схемы, а только ее регистры. Это означает, что вместо требуемого в техническом задании gate-уровня проектирования применен более высокий RTL-уровень (Register Transfer Level). В результате, например, вместо обозначения в явном виде элементов  Исключающее ИЛИ  в модели использованы их “формульные” эквиваленты. Это несколько увеличивает дистанцию между моделью и ее реальным прототипом, так как формульный эквивалент не учитывает задержку срабатывания соответствующего логического элемента или группы элементов. В примере нет также явных моделей усилителей, инвертора, триггера. Поэтому в Вашем курсовом проекте следует разработать более подробную модель, в полной мере соответствующую  gate-уровню.

Схема (рис. 4.1) представлена четырьмя модулями. Первый модуль (module ber_tester) описывает структуру устройства в целом. Остальные модули (module DCE, module Line, module DTE) описывают структуру соответствующих составных частей устройства. Для удобства составления модели введены два “фиктивных” D-триггера  (показаны на рисунке штриховыми линиями), хотя возможны и иные решения.

Далее приведены примеры реализации четырех упомянутых модулей. Каждый из них традиционно оформлен в виде отдельного файла. При компоновке проекта эти файлы собираются в одну группу и “исполняются” после выполнения Вами цепи команд экранного меню:  Project à New à <имя нового проекта> à Add (добавить в проект четыре файла – описания четырех модулей) à OK à GO (провести моделирование)). При успешном  выполнении моделирования следует вывести на экран временные диаграммы, желательно в такой же последовательности, как на  рис. 4.2, а именно:
timing  – пронумерованная в десятичном виде последовательность тактов, т. е. перио дов сигнала от генератора  G1 (рис. 4.1);

RxCgood – синхросигнал без ошибок;

RxDgood, – данные без ошибок;

A[1:M] – шестнадцатиричный код в М-разрядном регистре А;

errRxC – импульс (импульсы) ошибок сигнала RxC;

errRxD – импульс (импульсы) ошибок сигнала RxD;

RxCbad – синхросигнал с ошибкой (ошибками);

RxDbad – данные с ошибкой (ошибками);

B[1:M] – шестнадцатиричный код в М-разрядном регистре В;

D_input_TT – сигнал на входе D-триггера модуля DTE;

ERROR – выходной сигнал (Ошибка)  BER-тестера.



Рис. 4.1. Схема BER-тестера с обозначениями в терминах системы Verilog HDL для моделирования на уровне  RTL

4.2. Пример построения  RTL-модели  BER-тестера на языке системы Verilog HDL
4.2.1. Файл  BER-main_module.v
               //Главный модуль (верхний уровень иерархии модулей)

module ber_tester (ERROR);                                 // ber_tester - наименование модуля,

                                                                              // в скобках заключен перечень выходов

                                                                            // и входов (входов нет, имеется один выход)

output ERROR;                                      // дается определение ERROR как выхода (а не входа)

wire RxDgood, RxCgood, RxDbad, RxCbad;                     // список проводов главного модуля

DTE DTE1(ERROR, RxCbad, RxDbad);                          // Структурная модель BER-тестера   

Line Line1 (RxCbad, RxDbad, RxCgood, RxDgood);     // на основе трех модулей:

DCE DCE1(RxCgood, RxDgood);                                 // DTE, Line и DCE (DTE1, Line1 и   //DCE1)     

endmodule                                                                   // стандартное оформление конца модуля  
4.2.2. Файл  BER-DTE_module.v
module DTE(out1, in1, in2);         // Наименование модуля, список выходов и входов

input in1, in2;                               // Входы

output out1;                                 // Выход

parameter M=5, N=3;                                 // М - длина регистра, N - точка подключения

                                                                   // обратной связи. Возможные сочетания М и N:

                                                                 // 3 2, 4 3, 5 3, 6 5, 7 6, 9 5, 10 7, 11 9, 15 14, 17 14,

                                                                // 18 11, 20 17, 21 19, 22 21, 23 18, 25 22, 28 25, 29 27,

                                                              // 31 28, 33 20, 35 33, 36 25, 39 35

reg [1:M] B;                // Описание М-разрядного регистра В

reg TT;                       // Описание D-триггера как одноразрядного регистра

wire D_input_TT;     // Описание провода
assign out1 = TT,                      // Утверждается, что состояние выхода out1

                                                 // отображает состояние D-триггера
            D_input_TT = B[N] ^ B[M] ^ in2;              // Утверждается, что состояние провода

                                                                                // D_input_TT определяется суммированием

                                                                               // по модулю два трех переменных: B[N],            // B[M] и in2
always begin: analyzer                   // BER-анализатор работает "всегда" следующим образом:                      

@(negedge in1)  begin: prediction_and_check           // по отрицательному фронту сигнала in1

 TT = B[N] ^ B[M] ^ in2;                                          // обновляется состояние триггера ТТ,

 B = B >> 1;                                                             // код в регистре В сдвигается вправо на

                                                                                // один разряд,

B[1] = in2;                                                             // после этого в освободившийся разряд В[1]

                                                                             // помещается бит с входа in2

               end                // Окончание действий, вызванных отрицательным фронтом

                                  // сигнала in1

       end           // Окончание конструкции "always"

endmodule
4.2.3. Файл  BER-Line_module.v
module Line (out20, out10, in20, in10);   // Наименование модуля, список выходов и входов

input in20, in10;                                      // Входы

output out20, out10;                              // Выходы

reg errRxD, g3, errRxC;                      // Описание одноразрядных регистров

integer count, timing;                         // Описание абстрактных целочисленных переменных

initial count = 0;                               // Установка начального значения переменной

initial errRxD=0;                             // Установка начального состояния регистра

initial g3=0;                                   // Установка начального состояния регистра
assign out10 = in10 ^errRxD;     // Сигнал на выходе out10 формируется суммированием

                                                   // по модулю два сигналов in10 и errRxD
assign out20 = in20 ^errRxC;             // Сигнал на выходе out20 формируется суммированием

                                                           // по модулю два сигналов in20 и errRxC
    // "Всегда" по положительному фронту сигнала на входе in20:

always @(posedge in20)  begin: ticking    // Прибавляется единица к счетчикам тактов (такт - 

                  count = count + 1;                   // период сигнала в проводе RxCgood);

                 timing = count - 1;                  // timing отстает от count на единицу

                  errRxC = g3;                        // перепись бита из регистра g3 в регистр errRxC

                        end
    //  "Всегда" с задержкой на 20 элементарных единиц времени, т. е. на один такт,

    // проверяется, нужно ли формировать ошибку в линии RxD

always #20  if

((count == 39)                    // Положения ошибок в линии RxD (задаются согласно

|(count == 60)                    // выбранному варианту задания на курсовой проект)

|(count == 70)

|(count == 40)

|(count == 40)

|(count == 40)

|(count == 310)

|(count == 120)

|(count == 160)

|(count == 130))    

             begin

                                        errRxD = 1;   // ошибку формировать нужно

                       end

        else

                       begin

                                        errRxD = 0;   // ошибку формировать не нужно

                       end
      //  "Всегда" с задержкой на 20 элементарных единиц времени, т. е. на один такт,

      // проверяется, нужно ли формировать ошибку в линии RxC

 always #20 if

((count == 9)                    // Положения ошибок в линии RxC (задаются согласно

|(count == 40)                   // выбранному варианту задания на курсовой проект)

|(count == 700)

|(count == 940)

|(count == 400)

|(count == 126)

|(count == 127)

|(count == 128)

|(count == 129)

|(count == 130))              

             begin

                                        g3 = 1;      // ошибку формировать нужно

                       end

         else

                       begin

                                        g3 = 0;      // ошибку формировать не нужно

                       end     

endmodule
4.2.4. Файл  BER-DCE_module.v
module DCE (out40, out30);   // Наименование модуля, список выходов и входов (входов                      // нет)

output out40, out30;              // Выходы

reg g1;                                  // Описание одноразрядного регистра g1
parameter M=5, N=3;                               // М - длина регистра, N - точка подключения

                                                                 // обратной связи. Возможные сочетания М и N:

                                                               // 3 2, 4 3, 5 3, 6 5, 7 6, 9 5, 10 7, 11 9, 15 14, 17 14,

                                                               // 18 11, 20 17, 21 19, 22 21, 23 18, 25 22, 28 25, 29 27,

                                                               // 31 28, 33 20, 35 33, 36 25, 39 35
reg [1:M] A;                                // Описание М-разрядного регистра A

reg temp;                                     // Описание одноразрядного регистра temp

initial A = 1;                                // Начальная установка регистра А

assign out30 = A[N] ^ A[M], out40 = g1;     // Описание поведения выходов модуля
initial begin: stopper                      // Остановить процесс моделирования

#20040; $stop;                               // по истечении 2040 элементарных единиц

         end                                        // времени (один такт = 20 единицам времени)
always begin: RxC_generator            // тактовый генератор:

#10 g1 = 0;                            // длительность паузы = 10 единицам времени

#10 g1 = 1;                            // длительность импульса = 10 единицам времени

            end
always begin: pseudorandom_RxD  // Генератор псевдослучайной последовательности битов

 @(posedge g1)                                // По положительному фронту сигнала с регистра g1:

temp = A[N] ^ A[M];     // сохранение старого значения суммы по модулю два A[N] и A[M],

A = A >> 1;                    // сдвиг кода в регистре А на один разряд вправо,

A[1] = temp;                   // запись в первый разряд регистра А содержимого регистра temp

        end        

endmodule

Рис. 4.2. Пример временных диаграмм сигналов BER-тестера, полученных в результате моделирования. Из них следует, что ошибка при передаче синхросигнала по линии обнаруживается
Литература
1. Сухман С.М., Бернов А.В., Шевкопляс Б.В. Компоненты телекоммуникационных систем. Анализ инженерных решений. – М.: МИЭТ, 2002.– 220 с.

2. Hyde Daniel C. CSCI 320 Computer Architecture. Handbook on Verilog HDL.
Bucknell University, 1997.
Составитель – Б. В. Шевкопляс

31. 03. 2002