I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   20 20 ,   p p .   1 ~1 1   I SS N : 2 0 8 9 - 4864 ,   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es. v 9 . i1 . p p 1 - 11          1       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij r es.ia esco r e. co m   Filt eri ng   a nd acq uisitio n of seria l  d a ta fra m es using   x ilinx  sy ste m  gen erato r       Adriá n St a cul   F a c u lt a d   d e   P o sg ra d o ,   Un iv e rsid a d   T e c n ´ o lo g ica   Na c io n a (UT N) ,   A r g e n ti n a   In stit u t o   d e   In v e stig a c io n e s Cien t ´ ı f ica y   e c n ica s p a ra   la De f e n s a   (CIT EDEF ) A rg e n ti n a   E m ail:   as tacu l @ cited e f . g o b . ar       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   2 7 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Oct  6 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   No v   25 ,   2 0 1 9       T h e   m a in   p u rp o se   o f   th is  p a p e is  th e   d e sig n ,   d e v e lo p m e n a n d   im p le m e n tatio n   o f   a   P CM   b it - sy n c h ro n ize b a se d   o n   a   S y ste m   G e n e ra to a n d   S im u li n k   m o d e l.   T h e   e n ti re   sy ste m   w il b e   a p p li e d   to   a   g ro u n d   st a ti o n   w it h   a n   a d - h o c   tele m e tri c   d a ta  a c q u isit io n   sy ste m   to   b e   a p p li e d   in   UA V   m o n it o rin g   a n d   so u n d in g   ro c k e ts.  Ba se d   o n   th is  in f o rm a ti o n ,   th e   g ro u n d   sta ti o n   w il c o m p u te t h e   p latf o rm   traje c to ries ,   v e lo c it ies   a n d   a tt it u d e s.   K ey w o r d s :   B it - s y n c h r o n izer   F   Gr o u n d   s tatio n   P C f r a m   P GA     S y s te m   g e n er ato r     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A d r ián   Stacu l,   L ab o r ato r io   d T ´ ec n ica s   Dig i tales,   I n s tit u to   d I n v e s ti g ac io n e s   C i en f icas  y   T éc n icas p ar la  Def en s a,   San   J u a n   B au tis ta  d L Salle  4397  -   Villa  Ma r telli,  B u en o s   A ir e s   A r g e n ti n a .   E m ail:  as tacu l @ cited e f . g o b . ar       1.   I NT RO D UCT I O N   Ov er   t h p ast  d ec ad e,   R & i n   s o u n d i n g - t y p v ec to r s   an d   UAVs  ( U n m an n ed   A er ial  Ve h icles)  h a s   en j o y ed   e x p o n en tial  g r o w t h   in   s ev er al  d i s cip li n es:  ae r o n au t ical  s y s te m s ,   ap p lied   m ec h an ic s ,   o n - b o ar d   elec tr o n ics,  g r o u n d   s ta tio n s ,   r ea l - ti m s ig n al  p r o ce s s i n g ,   et c.   I n   th i s   w o r k ,   w w ill  f o cu s   o n   g r o u n d - b ased   s ig n al  p r o ce s s i n g   m eth o d s   t o   ac q u ir P C s i g n a ls   a n d   d is tr ib u te  tele m etr ic  in f o r m atio n   to   m u lt ip le   m o n ito r i n g   clie n ts   [ 1 ,   2 ] .   B o t h   u n m a n n ed   ae r ial  s y s te m s   a n d   s o u n d i n g   r o ck ets   r eq u ir a   g r o u n d   s ta tio n   f o r     th ac q u is i tio n   o f   tele m etr ic  s ig n a ls   an d   r ea ti m d ata  p r o c ess i n g   w h et h er   f o r   th co n tr o an d   m o n ito r in g   o f   th m is s io n   o r   f o r   th ev al u atio n   o f   th d i f f er e n s cie n tif ic  e x p er i m e n ts   i n s talled   o n   th p lat f o r m   [ 3 ] .     T h d esig n   o f   a n   ac q u i s itio n   s y s te m   in   g r o u n d   s tat io n   is   a   co m p le x   tas k   s in ce   it   in v o l v es   r ec eiv i n g   d ata  a n d   s en d i n g   it  to   t h p r o ce s s i n g   s y s te m s   s o   th at   e v er y t h i n g   o p er ates  i n   r ea t i m e.   A th e   s a m t i m e,   o n - b o ar d   elec tr o n ic  s y s te m s   ar in cr e asin g l y   f aster   a n d   ea s il y   ad ap tab le  to   th r eq u ir e m e n ts   o f   th e x p er i m e n t.     As  co n s eq u e n ce ,   th d ata  ac q u is itio n   s y s te m   ch a n g es  c o n s ta n tl y   w i th   e v er y   r ed esi g n   o f   th p lat f o r m .     T h ai m   o f   t h is   w o r k   is   to   o b tain   lo w - c o s d ata  ac q u i s itio n   s y s te m   t h at  allo w s   t h r ec ep tio n   o f   h ig h - s p ee d   P C f r a m e s   to   d ec o m m u te  a ll  o f   t h ch a n n els  w i th   t h p h y s ical  m a g n i tu d es  w i th in   t h P C f r a m e s   [ 4 ] .     T h m o d u le  d ev elo p ed   d r a w s   o n   th p r o g r ess   o f   d if f er en m et h o d s   f o r   th s y n c h r o n izati o n   o f   f r a m h ea d er s   an d   d ata  d ec o m m u ti n g   in   t h g r o u n d   ac q u is itio n   s y s te m ,   wh ich   w ill  p er f o r m   th in f o r m a tio n   p r o ce s s in g   ta s k   in   r ea ti m e   [ 5 ] .   I n   p ar ticu la r ,   th is   P C m o d u le  w a s   b u ilt  to   b u s ed   i n   at m o s p h er ic  s o u n d in g   v ec to r   ev alu a tio n s   b y   th I n s ti tu te  o f   Scien ti fic  an d   T ec h n ical  R ese ar ch   f o r   Def e n s o f   A r g e n ti n ( C I T E DE F).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N 2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t,  Vo l.  9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 0   :   1     11   2   So m o f   th r s b it - s y n ch r o n izer s   s y s te m s   w as  b ased   o n   th g en er atio n   o f   s p ec tr al  li n co m p o n en t s   b y   n o n lin ea r   filt er i n g   o f   t h r e ce iv ed   b it  s tr ea m ,   a n d   ex tr ac ti n g   th lin e   b y   d i g ital   p h ase - lo ck ed   lo o p   ( P L L )   an d   d ata  d etec tio n   w as  r ea l ize d   b y   d i g ital  m atc h ed   lter   ( DM F)  [ 6 ] .   T h i m p le m en tatio n   o f   t h ese   m o d u les  ev o lv ed   o v er   ti m w ith   t h n ee d   o f   s p ee d   f r o m   t h u til iza tio n   o f   T T L   g ates,  t h en   u s i n g   m icr o co n tr o ller s ,   C P L Ds   an d   c u r r en tl y   u s i n g   a   co m b in atio n   o f   An alo g - Dig i tal  co n v er ter s   ( A DC )   [ 7 ]   an d   FP GA   d e v ices  to   p er f o r m   s i g n al  p r o ce s s i n g   a n d   d ata  an al y s is   ap p lied   f o r   i.e .   to   co m p lex   n av ig at io n   alg o r it h m s   [ 8 ] .     T h m o ti v atio n   o f   t h i s   w o r k   w a s   to   ex clu d th ADC s   to   b ab le  to   u s o n l y   lo w - co s FP GAs  an d   to   p er f o r m   an   a n al y s is   o f   t h p r o cu r e m en b eh av io r   an d   as s o ciate s   b y   b u ild in g   ar r a y s   o f   d ata  to   i m a g es.  T h P C s i g n a l   in p u t   is   s t ill a n alo g   a n d   e n ter   t o   d ig ita l - i n p u t o f   FP G A .   T h i s   m o d el   co n v er ts   d ir ec tl y   th e   n o is y   a n alo g   s i g n al   to   Di g ital  P C M   ( DP C M) ,   p er f o r m   b it - s y n ch r o n izatio n   a n d   s e n d   t h d ata  to   a   P C   t h r o u g h   an   USB   co n n ec tio n   [ 9 ,   1 0 ] .   On   t h o t h er   h a n d ,   t h co s f ac to r   o f   t r ad em ar k   p r o d u cts  w a s   a n al y ze d .   A ll   th e s ar licen ce d s o f t w ar e,   an d   ar v er y   ex p e n s i v e,   a n d   v er y   d iffi c u l to   ad ap to   s cien ti fic  d esi g n s   an d   d ev elo p m e n ts   w h er ch a n g e s   ar p er m a n e n t.   T h is   m o d u le  d ev elo p ed   is   v er y   lo w   co s t.       2.   DE S I G N   I n   o r d er   to   ac h iev P C s ig n al  r eg en er at io n ,   it  is   n ec es s ar y   to   lter   an d   o b s er v th p er m a n e n r eg i m s tate  o f   th s ig n al.   T h lev el  ( ze r o   o r   o n e)   at  th m id p o in o f   ea ch   b it  is   m a i n tai n e d   d esp ite  th n o is e.   Fig u r e   1   s h o w s   th d iffer en c b etw ee n   th o r ig i n al  tr an s m itted   s i g n a an d   th r ec eiv e d   s ig n al  ( n o te  th at     th latter   is   b an d - li m ited ,   s o   th ab r u p a n k s   n o   lo n g er   ex is t) .   T h co m p le te  m o d el  ( Fi g u r e   2 )   s h o w s   t w o   in s ta n ce s   o f   t h ac q u is it io n   s y s te m r s t,  t h filt er i n g   m o d el   ( w h er y o u   e n ter   a n   id ea P C f r a m w it h   n o is ad d ed )   an d   s ec o n d ,   th ac q u is i tio n   m o d el  ( in   c h ar g o f   t h s y n ch r o n izatio n ) .         ( a)   ( b )     Fig u r 1 ( a)   Or ig in al  s i g n al  tr an s m itted   a n d   ( b )   R ec eiv ed   s i g n al  r ed u ce d   i n   b an d w id th   w / ad d itio n al  n o is           Fig u r 2 .   C o m p lete  P C m o d el  w it h   ad d ed   n o is e,   lter i n g   a n d   P C ac q u is itio n       3.   DE V E L O P M E NT   T h m o d el  w it h   S y s te m   Gen er ato r   [ 1 1 ]   p r o v id es  h ig h   l ev el  to o f o r   th d ev elo p m e n o f   h ig h   p er f o r m a n ce   s y s te m s   u s i n g   X ilin x   d ev ice s   w it h   FP G A   tec h n o lo g y ,   a n d   th u s   d e n e s   an d   ch ar ac ter izes  lo g ic   cir cu its   to   f u l fill   s p ec i f u n ctio n .   T h m ai n   d iffer e n ce   b et w ee n   a n y   HD L   a n d   th r e s o f   t h p r o g r a m m i n g   lan g u a g es  i s   t h at  t h d escr ip tio n   lan g u a g e s   ar s y n t h esized ,   n o co m p iled   o r   ex ec u ted   li k an y   o t h er   p r o g r a m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       F ilter in g   a n d   a c q u is itio n   o f se r ia l d a ta   fr a mes u s in g   xilin s ystem  g en era to r   ( A d r n   S ta cu l )   3   T h is   is   d u to   th f ac t h at   p r o g r am m i n g   lan g u ag e s   ar d efin ed   as  p r o ce d u r es.  I n s t ea d ,   th h ar d w ar e   d escr ip tio n   i s   b ased   o n   t h d efin itio n   o f   b eh a v io r s   ac co r d in g   to   t h i n p u t s   an d   t h d esire d   p r o ce s s in g   co n cu r r en tl y   [ 1 2 ] .   Du r in g   t h s y n t h esi s ,   th i n ter co n n ec tio n   o f   th a v ailab le  r eso u r ce s   in   t h FP G A   is   d e fin ed   s o   th e y   b eh a v in   th w a y   d es cr ib ed .   I is   p ar t   o f   th w o r k   o f   th d ev elo p m e n to o ls   to   ca r r y   o u t h n ec es s ar y   o p tim izatio n   to   ta k les s   r eso u r ce s   o r   f o r   th b lo ck   to   o p er ate  at  h i g h er   f r eq u e n cies.  T h e   S y s te m   Gen er ato r   au to m at icall y   tr a n s la tes  t h b lo ck   d ev elo p m e n o f   Si m u l in k   [ 1 3 ]   m o d el  in to   HD L   b y   o p tim iz in g   FP G A   ti m i n g   an d   ar ea   r eq u ir e m e n ts ,   an d   also   g e n er ates  t h fin al  b in ar y   file  [ 1 4 ] .   T h i m p le m e n tatio n   i n   h ar d w ar e   w a s   p er f o r m ed   o n   th 3 P X1   d ev elo p m e n k it  m a n u f ac t u r ed   b y   E m tec h   [ 1 5 ] ,   w i th   Sp ar tan - 6   FP G ( XC 6 SLX2 5   [ 1 6 ] ) .   T h is   b o ar d   m ee ts   t h b asic   n ee d s   to   in i tiate  th d e v elo p m e n a n d   p r o to t y p in g   o f   s p ec i c   s y s te m   ap p licatio n s   w it h   FP GA   tec h n o lo g y .   T h b o ar d   also   in cl u d es  as h   m e m o r y   w h er to   s to r   th r m w ar e,   p u s h - b u tto n s   to   u s a s   i n p u ts   a n d   L E D s   to   u s e   as  s tat u s   in d icato r s .   I t   w as   m o u n ted   o n   a n   o p e ca b in et  m ad o f   ac r y lic  to   g i v g r ea ter   r ig id it y   to   th b o ar d ,   also   to   b a b le  to   u n i f y   it  as  s in g le  m o d u le  w ith   B NC   co n n ec to r s   f o r   co n n e ctio n   an d   d is co n n ec t io n   w it h o u co m p r o m i s i n g   t h FP GA   d ev ice.   T h r ee   co n n ec to r s   w er p lace d   o n   t h e   f r o n t p an el,   t w o   w ith   th P C T r an s m itter   o u tp u ts   ( d ata  a n d   clo ck )   an d   t h ir d   co n n ec to r   w ith   t h i n p u to   th ac q u ir in g   s y s te m ,   Fi g u r e   3 .   T h h ar d w ar d esi g n   f o r   th FP GA   w a s   p er f o r m ed   u s in g   M A T L A B   [ 1 7 ]   in   co n j u n ctio n   w it h   t h S y s te m   Ge n er ato r ,   to o l p r o v id ed   b y   Xili n x   t o   w o r k   in   t h at  e n v ir o n m en t.   T h MA T L A B - C o d w as   u s ed   to   i m p le m e n t   th e   M A T L A B   lan g u a g d ir ec tl y   o n     an   FP G A ,   eli m in ati n g   th n ee d   to   p r o g r am   u n d er   VHDL   o r   Ver ilo g .           Fig u r 3 .   I m p le m e n tatio n   i n   t h FP GA   d ev elo p m e n k it       3 . 1 .     P CM   f ilte ring   T o   g en er ate  r ea lis tic  s ce n ar io ,   w ad d   A d d itiv W h it Gau s s ian   n o is ( A W GN)   t o   an   id ea l     P C s ig n a l.  T h er m al  n o i s in   an   id ea r esis to r   is   ap p r o x i m atel y   w h ite,   m ea n i n g   th at  t h p o w er   s p ec tr al   d en s it y   is   n ea r l y   co n s ta n t h r o u g h o u t h f r eq u e n c y   s p ec tr u m   ( h o w e v er   s ee   t h s ec tio n   b elo w   o n   e x tr e m el y   h ig h   f r eq u e n cies) .   W h e n   li m ited   to   fin ite  b a n d w id th ,   t h er m al  n o is h as   n ea r l y   Gau s s ia n   a m p li tu d e   d is tr ib u tio n   [ 1 8 ] .   T h is   d esig n   s u p p o r ts   cr itical  co n d itio n s   wh er SN R   co u ld   e x ce ed   - 3 d B   ( 5 0 o f   th e   s ig n al   lev el) .   T o   ac h iev th i s ,   w p er f o r m   s p ec ifi co n fig u r ati o n   o f   th No i s g e n er ato r ”  b lo ck   an d   p er f o r m     th n o i s e   m ea s u r e m e n t u s in g   t h ( 1 ) .     SN R =   S i g n al N o i s e =   | RMS   V al ue   of   PC M   d at a RMS   V al u e   of   N o i s e   g en er at ed |   ( 1 )     T h SNR   m ea s u r e m e n m o d el   ca n   b s ee n   in   Fig u r e   4   an d   t h r esu lt s   g i v v alu o f   ap p r o x i m ate l y   0 . 6   ( - 2 . 2 d B ) ,   ie  th SNR   in   th is   ca s is   s et  to   b - 2 . 2 d B   ( 6 0 o f   th s i g n al  le v el) ,   w h er e b y   t h co n d i tio n   is   co m p lete l y   s ec u r ed   ( Fig u r e   5 ) .   T h is   m e n tio n ed   m o d el  to   p er f o r m   SN R   m ea s u r e m e n h a s   th p ar ticu lar it y   o f   d o in g   it  in   r ea ti m e,   w h ic h   is   ad v an ta g eo u s   to   test   d iffer en s i m u latio n   s ce n ar io s   w it h   d iffer en t y p es  o f   f r a m e s   a n d   ti m es.  T h is   P C lter   s u b - s y s te m   i m p le m en ts   a   C I C   l ter   ( C ascad ed   I n teg r ato r - C o m b ) .   I m p le m e n tatio n s   o f   C I C   lter s   h a v s tr u ct u r es  t h at  u s o n l y   ad d er s ,   s u b tr ac ter s ,   an d   d el a y   ele m e n t s .   T h ese   s tr u ct u r es  m ak C I C   l ter s   ap p ea lin g   f o r   th eir   h ar d w ar e - effi cien i m p le m e n tat io n s   o f   m u lt ir ate  l ter in g   [ 1 9 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N 2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t,  Vo l.  9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 0   :   1     11   4   I n   S y s te m   Gen er ato r ,   t h C I C   lter   b lo ck   h a s   s i n g le   i n p u p o r an d   s i n g le  o u tp u t   p o r t,  x n   a n d   y n ,   M   is     th d iffer en tial  d ela y .   I n   th e   d ec im ato r   co n fig u r atio n ,   th s a m p lin g   r ate  is   r ed u ce d   b y   f ac to r   o f   R ,     s u b - s a m p lin g   t h o u tp u o f   t h last   s tag o f   t h in te g r ato r   [ 2 0 ] .   A s   ca n   b s ee n   in   Fi g u r e   6 ,   th i m p le m e n ted   m o d el   is   1 0   s tep   C I C   lter   t h at,   d esp ite  co n s u m i n g   m a n y   r eso u r ce s   a n d   lar g ar ea   o f   t h FP G A ,   e n s u r es     g o o d   lter i n g   th a m ee ts   t h h i g h   le v el  o f   r eq u ir e m e n i n   t h d esig n .   O n   t h o th er   h a n d ,   w m u s t   en s u r e     th at  th e   w id th   o f   ea ch   b it  i s   k ep eq u al  to   th e   o u t p u o f   t h filt er   co m p ar ed   to   it s   o r i g in al   id ea l,  s o   w ad ap t     lter   2 5 :1 ,   w h ic h   g en er ate s   6 8 - b it  d ata  at  t h e n d   o f   t h e   C I C   filt er   [ 2 1 ] .   T h ese  last   d ata  ar co m p ar ed   to     co n s tan to   g e n er ate  d ig ita p u ls at  t h o u tp u o f   t h s u b s y s te m .   I w as  d eter m i n ed ,   b y   m u lt ip le  test s   a n d   s i m u lat io n s ,   th at   th e   ap p r o p r i ate  v al u o f   t h co n s tan is   s e to   5 . 1 0 1 9   ( g iv es  lar g v a lu d u to   s u cc es s i v e   m u ltip licatio n s   p er   in p u s a m p le) .   Fig u r 7   s h o w s   R e s u lts   o f   P C d ata  filt er in g .   Firs c h an n el:  P C Da ta  w / n o is e,   Seco n d   c h a n n e l:  C I C   O u tp u t,  T h ir d   ch a n n el:  Fil t er in g   o u tp u t F ig u r 8   s h o w s   h o w   t h filt er i n g   i s   d o n co r r ec tly   i n   P C d ata  s ig n al.           Fig u r 4 .   Mo d el  to   m ea s u r S NR           Fig u r 5 .   R esu lts   o f   SNR   i n   P C d ata   w ith   n o is ad d ed           Fig u r 6 .   I m p le m e n tatio n   o f   P C d ata  lter in g   w it h   C I C   lt er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       F ilter in g   a n d   a c q u is itio n   o f se r ia l d a ta   fr a mes u s in g   xilin s ystem  g en era to r   ( A d r n   S ta cu l )   5       Fig u r 7 .   R esu lts   o f   P C d ata   lter i n g ;   f ir s ch a n n el:  P C d ata  w / n o is e,   s ec o n d   ch a n n el:  C I C   o u tp u t   th ir d   ch a n n el f il ter in g   o u tp u t           Fig u r 8 .   P C ac q u is itio n   m o d el       3 . 2 .     P CM   a cquis it io n   I n   o r d er   to   p r o ce s s   th P C in co m i n g   d ata,   it  is   i m p o r tan t   to   r s d eter m i n t h s tar a n d   en d   o f   ea ch   p ac k et.   Si n ce   f r o m   t h p o in o f   v ie w   o f   th e   en tr y   t h er e   is   n o   d is ti n ctio n ,   th e   d ata  en tr y   i s   co n ti n u o u s   an d   as y n ch r o n o u s .   T h d ev elo p m en c h alle n g is   to   b ab le  to   d etec th b e g in n i n g   o f   ea c h   p ac k ag e,   p atter n   r ec o g n itio n   o r   s y n w o r d   d etec tio n ,   to   r eg en er ate  t h d ata  s y n ch r o n o u s l y   f o r   f u r t h er   p r o ce s s i n g .     3 . 2 . 1 .   Clo ck - Sy nc   T h alg o r ith m   d e v elo p ed   f o r   th r e - s y n c h r o n izatio n   b lo ck   i s   b ased   o n   th r is i n g   ed g d etec tio n   o f   P C d ata  in p u t.  T h is   s u b - s y s te m   ( Fi g u r e   9 )   p e r f o r m s   r s P C clo ck   r e - g e n er atio n   co n ti n u o u s l y   a n d   s y n ch r o n izes a u to m at icall y   wh en   r is i n g   ed g is   d etec ted   i n   th i n co m in g   s i g n al.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N 2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t,  Vo l.  9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 0   :   1     11   6       Fig u r 9 .   R esu lts   o f   P C clo c k - s y n c ;   f ir s c h a n n el : P C d ata  in p u t,    s ec o n d   ch a n n el r is i n g   ed g s y n c,   th ir d   ch a n n el:  clo ck   s y n ch r o n ized       3 . 2 . 2 .   ReSy nc   T h R eS y n s u b s y s te m   p er f o r m s   p atter n   r ec o g n it io n   o f   th s y n c - w o r d   to   lo ck   th in co m i n g   s i g n a l   an d   r e - s y n ch r o n ize  it  w it h   t h e   clo ck .   T o   ac h iev t h i s ,   t w o   t an d e m   b lo c k s   ar u s ed .   T h first  o n h as  a   fin ite   s tate  m ac h in e   an d   s h i f t r e g is ter ,   to   n d   th e   s y n c - w o r d   b it b y   b it ( p er f o r m s   a   b it - s y n c) .   T h s ec o n d   g e n er ates   ad d itio n al  s i g n al s   to   o th er   b lo ck s .   T h r esu lts   o f   th s i m u lat io n   ca n   b s ee n   i n   Fi g u r e   1 0 .   I n   th la s c h an n el,     w ca n   s ee   th i n co m in g   P C d ata  s ig n a in   t h s u b s y s t e m ,   an d   w h e n   t h r s r is i n g   ed g is   d etec ted ,     th clo ck   i s   r e - s y n ch ed ,   an d   a   v alid   f r a m a g   is   ac ti v ated ,   in d icati n g   p o s s ib le  tr u P C f r a m e.   Fro m   th a t   m o m e n t,  a n   al g o r ith m   s tar ts   t o   r ec o g n ize  t h s y n c - w o r d   co n fig u r ated   ( p er f o r m ed   b y   a   b lo ck   w h ic h   i s   ca lle d   lo ck ) .   Fi g u r e   1 0   s h o w s   h o w   a f ter   1 6   b its ,   t h o u tp u is   tr u i n d icatin g   th a t h s u b - s y s te m   f o u n d   v alid   s y n c - w o r d .   I n   th is   ca s e,   th s y n c - w o r d   is   1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0   ( E B 9 0 1 6 ) .   Sev er al  f r eq u e n c y   m ea s u r e m e n t s   w er e   p er f o r m ed   w i th   a n   a n al y ze r .   T h P C d ata  ( o u tp u o f   t h P C s i m u lato r )   h a v 9 9 . 9 9 9 8   k Hz   w it h   s ta n d ar d   d ev iatio n   o f   1 . 1 2 4 8   MH z ,   with   1 2 5   s a m p les   p er   s ec o n d   in   a   to tal  o f   1 0   s ec o n d s   o f   d u r atio n .   s ec o n d   f r eq u en c y   s tab ilit y   m ea s u r e m en w a s   p er f o r m ed   w it h   t h P C lter i n g   an d   ac q u is itio n   i n   f u ll  o p er atio n ,     an d   th r esu l ts   o f   th P C clo ck   r e g en er ated   ar 9 . 9 9 9 8   k Hz  w i th   s ta n d ar d   d ev iatio n   o f   1 . 5 2 1 6   MH z     ( Fig u r e   1 1 ) .   I n   co n clu s io n ,   t h e   er r o r   a d d ed   b y   th m o d el  is   p r ac ticall y   n u ll.           Fig u r 10 .   R esu lt s   o f   P C r es y n c ;   f ir s ch a n n e l: P C d ata  clo ck   r eg en er ated s ec o n d   c h an n el:  b y te s   in   P C f r a m e t h ir d   ch a n n el tr u v a li d   P C f r a m e,   f o u r t h   c h an n el:  b its   in   P C f r a m e ,   f if th   c h an n el:  lo ck   s i g n a ( s y n c - w o r d   d etec ted ) ,   s ix th   c h an n el : P C d ata   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       F ilter in g   a n d   a c q u is itio n   o f se r ia l d a ta   fr a mes u s in g   xilin s ystem  g en era to r   ( A d r n   S ta cu l )   7       Fig u r 11 .   R esu lt s   o f   r eg e n er a ted   P C clo ck   s tab ilit y       3 . 2 . 3 .   Sto re   Fra m s to r ag i n   t h s y s te m   is   ess e n tial  f o r   p r o to c o c o n v er s io n   o r   p r e - p r o ce s s in g   alg o r ith m s .     I n   th is   ca s e,   t h ac q u i s itio n   s y s te m   co n v er ts   th e   in co m i n g   P C d ata  a n d   s en d s   it  s y n ch r o n ized   u s in g     th U AR T   p r o to co l,  th r o u g h   to   US B   p h y s ical  co n n ec tio n   [ 2 2 ] .   T h is   s u b - s y s te m   co m b i n es  M - C o d b lo ck   ( MA T L A B   s cr ip t   co d e)   tak i n g   t h i n co m in g   o w   o f   b its   an d   th flag   i n d icatin g   a   v a lid   f r a m e,   a n d   g e n er ate s   o n b y te  f o r   ea ch   ch a n n el  o f   th f r a m e.   T h ese  b y tes  ar s to r ed   in   d is tr ib u ted   m e m o r y   FIFO  to   d ec r ea s   th r eso u r ce s   a n d   ar ea   o f   t h e   FP GA ,   e s p ec iall y   f o r   lo w - c o s d ev ices   w h er h ar d w ar r eso u r ce s   ar m o r e   li m ited   w it h o u co m p r o m is i n g   th o p er atio n   f r eq u e n c y .   T h o p er atio n   o f   th Sto r e   s u b - s y s te m   is   s h o w n   i n   Fig u r e   1 2   an d   i ca n   b o b s e r v ed   h o w   t h s u b - s y s te m   ta k es  t h v alid   b y te   at  t h b e g in n in g   o f   t h f r a m e,   tak i n g   i n to   ac co u n t th a t th s y n w o r d   is   E B 9 0   in   h e x ad ec im als.           Fig u r 12 .   Op er atio n   o f   th s t o r s u b - s y s te m ;   f ir s ch a n n el n u m b er   o f   b y te s   in   FI FO,    s ec o n d   ch a n n el : FI FO  e n ab le,   th ir d   ch a n n el s h if t r eg is ter ,   f o u r th   c h an n el:  v alid   b y te   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N 2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t,  Vo l.  9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 0   :   1     11   8   3 . 2 . 4 .   Send   T h Sen d   s u b s y s te m   co llects   th d ata  s to r ed   in   th Sto r e   b lo ck   an d   s er ializes  t h e m   w i t h   an   8 N1   UART   p r o t o co ( i.e .   1   w o r d   s tar b it,  8   d ata   b its   an d   o n s to p   b it).   Fig u r 1 3   s h o w s   s i m u lat io n   r esu lt  o f     th co n v er ted   P C f r a m e .           Fig u r 13 .   P C f r a m co n v er ted   to   UA R T ;   f ir s c h a n n el tr an s m it  i n   U AR T   p r o t o co l,  s ec o n d   ch an n el:    f la g   in d icati n g   b y tes i n   U AR T ,   th ir d   ch an n e l:  f la g   in d icati n g   b its   in   U AR T       4.   I M P L E M E NT AT I O A ND  RE SU L T S   B y   co n n ec ti n g   t h P C s i m u l ato r   ( k n o w n   f r a m u s ed   as a   p atter n )   to   th ac q u ir i n g   s y s te m ,   w ca n   r ec eiv th d ata  ca p t u r ed   in   a   co m p u ter   t h r o u g h   a n   u s b - s er ial  p o r t.  T h d ata  w ill  b d u m p ed   i n to   v ec to r   ca lled   s er iald ata.   T o   p er f o r m   th p r o p o s ed   an aly s is ,   w will  co n v er s er iald ata  in to   m atr i x ,   w h er ea ch   co lu m n   r ep r esen ts   co m p lete   f r a m e   ( f r o m   th e   s y n w o r d   to   th e n d   o f   t h f r a m e)   an d   t h e   co lu m n   n u m b er   i s   th r ec eiv ed   f r a m n u m b er .   A   s ec to r   o f   t h a cq u ir ed   m at r ix   ( s er iald ata)   ca n   b s ee n   i n   T ab le  1 ,   w h er it  s h o w s   th first  2 8   b y te s   ( f r o m   f r a m e   4 1 2   to   f r a m 5 2 1 ) in   p ar ticu lar ,   in   t h b y te  7   o f   t h e   f r a m e   4 1 6   an   er r o r   o cc u r s .   Fig u r 1 4   s h o w s   th m atr i x   in   a n   HS co lo r   ch ar b y   tr ea ti n g   it  li k a n   i m ag e .   T h m atr i x   w i ll  b e   cr o p p e d   to   k ee p   o n l y   t h p a y l o ad   b y   d eletin g   t h r s t 4   b y te s   an d   t h last   b y te,   ca lled   s er ia ld ata m atr i x .   A   n e m atr i x   o f   co n s ta n ts   is   g e n er ated   r ep r esen tin g   t h id ea m atr ix   ( as  i f   t h er w er n o   er r o r s )   ca lled   d ata m atr i x .   T h t w o   m atr ice s   ar s u b tr ac te d   to   n e w   m a tr ix   ca lled   d if   ( 2 ) .   T h r esu lti n g   i m a g is   s h o wn   in   Fig u r e   15.     dif ( m , n ) = s e r ia l da ta ma tr ix ( m , n ) da ta ma tr ix ( m , n )   ( 2 )     I n   to tal,   2 1 0 2   er r o r s   w er d et ec ted   f r o m   a   to tal  o f   1 3 7 5 2 3 2   b y te s   ca p t u r ed   ( 2 1 4 8 8   P C f r a m es  a 5 m s   p er   f r a m w it h   len g t h   o f   6 4   b y tes  ea ch ) .   Su b tr ac ti n g   th r s 4   b y tes  an d   th las ( 5   b y te s   in   to tal) ,     w e   h a v a   to tal  o f   2 1 4 8 8   f r a m es  o f   5 9   b y tes   i n   p a y lo ad ,   r es u lti n g   i n   to tal  o f   1 2 6 7 7 9 2   b y tes.  I f   w ca lc u late   th p er ce n ta g o f   b y tes  w it h   e r r o r   v s .   th to ta p a y lo ad   b y tes ,   it  g i v es  a n   e cie n c y   o f   9 9 . 8 3 %.  T h m ax i m u m   er r o r   in tr o d u ce d   b y   th ac q u i r in g   s y s te m   i s   0 . 1 6 5 %,   ass u m i n g   t h at  th er r o r   o cc u r s   in   th co m p lete  b y te,     i.e .   th 8   b its   ar er r o n eo u s .   T h is   v alu i s   d u to   th f ac th at  t h ac q u ir in g   s y s te m   is   re - en g a g ed   b y   ea c h   r ec eiv ed   f r a m e.   Oth er   s y s te m s   s y n ch r o n ize  o n l y   o n ce   w it h   th r s v alid   s y n c - w o r d .   T h er ef o r e,   if   an   er r o r   o cc u r s   in   th e   m ed i u m   o f   th ac q u is itio n   o f   a   f r a m e,   w h en   it  d etec ts   t h s y n c - w o r d   o f   th n ex f r a m e,   it  i s     re - ac co m m o d ated .   T h is   s h o ws  t h at  w h ile   th e   s y s te m   in tr o d u ce s   s m all  er r o r   in   th e   tel e m etr y   ch a in ,   i i s   m i n i m al  a n d   s elf - co r r ec tin g ,   th u s   p r o v i n g   tr u s t w o r t h y   f o r   m i s s io n - cr itical  ap p licatio n s .   Fi g u r e   1 6   Sh o w s     th e   e r r o r s   in   P C ac q u is i tio n   First:   N u m b er   o f   er r o r s   ac cu m u lated   i n   ti m e,   s ec o n d : Res id u als .   Fo r   th i m p le m e n tatio n   o f   t h P C ac q u is itio n   m o d el,   t h e   b ase  s o f t w ar a n d   th FP GA  d ev ice  o f   T ab le  2   w er u s ed .   T h r esu lts   o f   th fin al  i m p le m e n tatio n ,   i.e .   o n ce   th n a h ar d w ar r o u t in g   w as  g e n er ated   af ter   th s y n t h esi s ,   ca n   b an al y ze d   in   Fi g u r e   17.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       F ilter in g   a n d   a c q u is itio n   o f se r ia l d a ta   fr a mes u s in g   xilin s ystem  g en era to r   ( A d r n   S ta cu l )   9   T ab le  1 .   A   s ec to r   o f   s er iald ata     F r a me   4 1 3   F r a me   4 1 4   F r a me   4 1 5   F r a me   4 1 6   F r a me   4 1 7   F r a me   4 1 8   B y t e   1   2 3 5   2 3 5   2 3 5   2 3 5   2 3 5   2 3 5   B y t e   2   1 4 4   1 4 4   1 4 4   1 4 4   1 4 4   1 4 4   B y t e   3   2 1 7   2 1 7   2 1 7   2 1 7   9   9   B y t e   4   94   95   96   97   2 1 5   2 1 6   B y t e   5   5   5   5   5   5   5   B y t e   6   6   6   6   6   6   6   B y t e   7   7   7   7   30   7   7   B y t e   8   8   8   8   31   8   8   B y t e   9   9   9   9   32   9   9   B y t e   1 0   10   10   10   33   10   10   B y t e   1 1   11   11   11   34   11   11   B y t e   1 2   12   12   12   35   12   12   B y t e   1 3   13   13   13   36   13   13   B y t e   1 4   14   14   14   37   14   14   B y t e   1 5   15   15   15   38   15   15   B y t e   16   16   16   16   39   16   16           Fig u r 14 .   P C f r a m es i n   th m atr i x   w it h   HSV  co d i ca tio n   r o w s c h an n el  o f   P C d ata  ( b y tes),     co lu m n s n u m b er   o f   P C f r am r ec eiv ed           Fig u r 15 .   E r r o r s   in   P C ac q u is i tio n   r o w s : c h an n el  o f   P C M   d ata  ( b y tes),     co lu m n s n u m b er   o f   P C f r am r ec eiv ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N 2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t,  Vo l.  9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 0   :   1     11   10       Fig u r 16 .   E r r o r s   in   P C ac q u is i tio n   f ir s t:  n u m b er   o f   er r o r s   ac cu m u lated   i n   ti m e,   s ec o n d r esid u als       T ab le  2 .   So f t w ar v er s io n   an d   tar g et  d ev ice  f o r   th s y s te m   i m p le m e n tat io n   P r o d u c t   V e r si o n :   I S E : 1 4 . 2   -   P . 2 8 x d   T a r g e t   F a mi l y :   S p a r t a n 6   O S   P l a t f o r m:   N T 6 4   T a r g e t   D e v i c e   X c 6 sl x 2 5   P r o j e c t   I D     T a r g e t   P a c k a g e :   F t g 2 4 6   R e g i st r a t i o n   I D   _ _ 0 _ 0 _ 0   T a r g e t   S p e e d :   - 3   D a t e   G e n e r a t e d     T o o l   F l o w   C . L i n e           Fig u r 17 .   P lace   an d   r o u te  i m p le m en ta tio n   r ep o r t       5.   CO NCLU SI O N   I n   to tal,   2 3 0   f r a m es  w er f o u n d   w ith   er r o r s ,   an d   m a x i m u m   o f   5   er r o r s   p er   f r am e.   I f   a n   en tire   f r a m e   d is ca r d   p o licy   is   ap p lied   in   ca s w f o u n d   o n l y   o n er r o r ,   in   to tal  it  w o u ld   b 1 . 0 7 o f   d is ca r d ed   f r a m es.   An o th er   i m p o r tan a n al y s is   i s   to   co r r o b o r ate  th a m o u n t   o f   er r o n eo u s   d ata  as  f u n ctio n   o f   ti m b y   p er f o r m in g   a   tt in g   o f   n u m b e r   o f   f r a m e s   r ec ei v ed   v s .   n u m b er   o f   er r o r s   ac c u m u lated   in   ti m e.   T h er r o r s   t   i n   lin ea r   eq u a tio n .   I n   o t h er   w o r d s ,   th s y s te m   is   co n s ta n t - ti m e   efficien t.   Fo r   th i m p le m e n tatio n   o f   th P C ac q u is itio n   m o d el,   th b ase  s o f t w ar a n d   th FP G A   d ev ice  w er e   u s ed .   T h r esu lts   o f   th fin a i m p le m en ta tio n ,   i.e .   o n ce   t h n a h ar d w ar r o u tin g   was  g e n er ated   af ter     th s y n t h esi s .   A ls o ,   w ca n   h i g h l ig h t h at  it  o cc u p ies   v er y   litt le  ar ea   o f   th h ar d w ar e.   T h er ef o r e,   th is   s y s te m   is   co m p atib le  w it h   lo w - co s t F P GA   d ev ices,  w h er th ar ea   a n d   r eso u r ce s   ar v er y   li m i ted .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.