基于FPGA的無線通信收發(fā)模塊設計方案

1 前言

　　近年來，隨著半導體工藝技術(shù)和設計方法的迅速發(fā)展，系統(tǒng)級芯片SOC的設計得以高速發(fā)展，這已成為業(yè)界熱點。但是，由于SOC產(chǎn)品設計具有開發(fā)周期相對較長、高成本和高風險等特點，對市場的變化非常敏感，這使得SOC在消費電子、汽車電子、工業(yè)設計領(lǐng)域的發(fā)展進程仍然緩慢。與此同時，當今的制造工藝能夠提供更多更高速的邏輯、更快的1/O和更低價位的新一代可編程邏輯器件，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)己然進入嵌入式應用領(lǐng)域，高性能FPGA也不再局限于引進系統(tǒng)粘合邏輯，也可作為SOC平臺，而在過去，由于性能緣故，只有專用集成電路（ASIC）或?qū)Ｓ脴藴十a(chǎn)品(ASSP)才能達到相應的要求。不僅如此，由于FPGA的現(xiàn)場可編程特征，它己成為更具靈活性和廣泛性發(fā)展前景的工業(yè)設計平臺。

　　FPGA可輕易地被修改變更、修復缺陷，或在用戶需要升級和配合市場發(fā)展時去創(chuàng)制未來的衍生產(chǎn)品。這一趨勢在工業(yè)無線通信設計方面更加明顯。當考慮到上市時間、實施靈活性及未來過時等問題時，采用FPGA作為專用芯片設計是一個最佳的項目實施方案。

　　基于摩爾斯信號的通信是人類最早的無線通信方式，它仍應用在海事移動通信、航空移動通信、廣播、衛(wèi)星通信當中。由于摩爾斯電碼信號通信的傳統(tǒng)性、經(jīng)濟性和有效性，它在海事移動通信中仍占主導地位，特別是船與船、船與岸、岸與船之間的摩爾斯通信更是占據(jù)通信業(yè)務總量的80%以上。

　　基于PC機的MORSE電碼信號自動處理己經(jīng)實現(xiàn)，但在海事移動通信中，它還是受到一些客觀條件的約束，缺泛方便性和靈活性。本文從基于FPGA平臺的專用芯片設計技術(shù)入手，分析和設計了一種摩爾斯電碼的無線通信發(fā)射模塊設計方案，并對設計進行了仿真驗證。

　　2 可編程邏輯電路設計方法

　　基于可編程邏輯電路的設計基本方法，一種是傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件電路設計方法，它是采用自下而上(bottom-up)的設計方法。另一種就是20世紀80年代開始興起的EDA(Electronic Design Automation)硬件電路設計方法。

　　隨著大規(guī)模專用集成電路的開發(fā)和研制，為了提高開發(fā)效率和增加己有開發(fā)成果的可繼承性，以及縮短開發(fā)時間，各種新興的EDA工具開始出現(xiàn)，特別是硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的硬件電路設計方法發(fā)生了巨大的變革，新興的EDA設計方法采用了自上而下(top-down) 的設計方法。所謂自上而下的設計方法就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設計內(nèi)容細化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設計。利用語言對系統(tǒng)硬件電路的自上而下設計一般分為三個層次：第一個層次為行為描述，它是對整個系統(tǒng)的數(shù)學模型的描述；第二層次是寄存器傳輸描述RTL，又稱為數(shù)據(jù)流描述； 第三層是邏輯綜合。

　　利用邏輯綜合工具，可將RTL方式描述的程序轉(zhuǎn)換成為用基本邏輯元件表示的文件一門級網(wǎng)表，也可將綜合結(jié)果以邏輯原理圖方式輸出，也就是說邏輯綜合結(jié)果相當于在人工設計硬件電路時，根據(jù)系統(tǒng)要求畫出了系統(tǒng)的邏輯電原理圖。再對邏輯綜合結(jié)果在門電路級上進行仿真，并檢查定時關(guān)系，如果一切正常，那么系統(tǒng)的硬件設計基本結(jié)束。自上而下設計系統(tǒng)硬件的過程如圖一所示。

圖一：自上而下設計系統(tǒng)硬件的過程

　　由邏輯綜合工具產(chǎn)生門級網(wǎng)表后，在最終完成硬件設計時，還可以有兩種選擇：一種是由自動布線程序?qū)⒕W(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應的ASIC芯片的制造工藝，定制ASIC芯片；第二種是將網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應的PLD編程碼點，利用PLD器件完成硬件電路的設計。

　　3 基于FPGA的摩爾斯碼功能結(jié)構(gòu)設計

　　摩爾斯電碼被視為一種開關(guān)鍵控的數(shù)據(jù)模式，摩爾斯電碼中的‘劃’比‘點’的時間長3～4倍，不同的‘點’和‘劃’組合形成長短不一的摩爾斯電碼，不同的摩爾斯電碼表示不同的電報符號。發(fā)信者先將所要傳遞的文字翻譯成電報符號，再利用電報機發(fā)送出去，收信者將收到的電報符號翻譯成報文，以此實現(xiàn)無線文字的傳播。目前通過微機模擬的方法實現(xiàn)摩爾斯碼信號的自動處理，使無線摩爾斯碼信號數(shù)據(jù)進入計算機信息網(wǎng)的方案已得到解決，利用微機處理摩爾斯的方案是先通過軟件編程的方法將ASCLL碼進行摩爾斯編碼，然后通過微機并口發(fā)送摩爾斯電碼信號，接收時，先通過聲頻卡來識別接收摩爾斯電碼信號，最后通過軟件解碼成ASCLL碼，此方法在成本相對較高，在實際應用中缺乏方便性和靈活性。

　　根據(jù)海洋通信業(yè)務的要求，MORSE碼處理系統(tǒng)功能定義為:其一、根據(jù)指令自動編碼、串行發(fā)送MORSE碼。即根據(jù)指令可自動提取ASCLL碼，再將ASCLL碼自動編碼成摩爾斯編碼，將編好的MORSE碼自動串行發(fā)送輸出。其二、根據(jù)指令自動接收、解碼摩爾斯碼，并將ASCLL碼送入系統(tǒng)。即根據(jù)指令自動接收摩爾斯碼輸入，將接收的摩爾斯碼自動解碼成ASCLL碼。將ASCLL碼存儲至目標地址或送入系統(tǒng)處理。

　　通過對摩爾斯碼特點的研究可知，在設計摩爾斯碼收發(fā)模塊中必須要有能接收和發(fā)送摩爾斯碼信息幀的串行異步通信模塊。首先，該串行通信模塊在指令的控制下，要具有摩爾斯碼的自動發(fā)送能力，同時具有MORSE碼的識別接收能力，因為摩爾斯碼串行異步幀的起始位和停止位都不同于ASCLL碼串行異步幀，并且不同的摩爾斯碼串行幀長度也不一樣。二是摩爾斯碼的解碼和編碼問題，因為計算機內(nèi)核是以ASCLL碼為信息交換碼的。

由此而來，只要設計出具有接收和發(fā)送MORSE碼串行信息幀功能，并且具有解碼和編碼摩爾斯碼功能的串行通信子模塊，并將其嵌入在系統(tǒng)總線上，則用計算機直接處理MORSE碼就成為可能。據(jù)此分析，可以得出摩爾斯碼收發(fā)模塊的設計要求，一方面能從串行接收端將摩爾斯碼解碼成并行的ASCLL碼，另一方面能將并行的ASCLL碼編碼成串行摩爾斯碼。由此，本文設計的基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖如圖二所示。

圖 二：基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖

　　該處理系統(tǒng)的主要功能模塊有：

　　核心控制模塊
　　總線控制模塊
　　可編程中斷處理模塊
　　可編程并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）
　　可編程串行接口單元（SIU）
　　可編程定時計數(shù)器0～3（Timer0~Timer3）
　　可編程摩爾斯碼異步收發(fā)模塊
　　中斷處理模塊有4個外中斷源（int0~int3）和6個內(nèi)中斷源（TF0~TF3、T1/R1、mT1/mR1），SIU是系統(tǒng)的通用串行接口，它有4種工作模式，工作模式1～3是通用串行異步接收發(fā)送USART（Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmitter）工作方式。當SIU工作于工作模式1或3時，Timer1是其波特率發(fā)生器。

　　4 仿真與驗證

　　設計的驗證包括功能仿真、時序仿真和電路驗證。仿真驗證往往是借助第3方提供的EDA開發(fā)工具軟件包或?qū)Ｓ梅抡婀ぞ哕浖韺崿F(xiàn)的。電路驗證還需要開發(fā)驗證平臺，對于系統(tǒng)級芯片驗證平臺的設計也是一項艱巨而不能回避的任務。

　　本文選用的是Altera公司的MaxPlusII作EDA開發(fā)工具，MaxPlusII編譯器支持功能仿真（前仿真）和時序仿真（后仿真）。完成源代碼（VHDL）設計輸入之后，若要進行功能仿真，則在MaxplusII/Compile下，通過選擇Processing菜單下的Functional SNF Extractor命令，打開功能仿真器網(wǎng)表文件（SNF）提取器，再進行編譯仿真；若要進行定時模擬（時序）仿真，則須在MaxPlusII/Compile下，選擇Processing菜單中的Timing SNF Extractor命令，打開定時模擬器網(wǎng)表文件提取器來進行編譯仿真。

　　電路驗證就是器件編程測試過程。對于常規(guī)的芯片設計，時序仿真結(jié)束后，仿真軟件就可以產(chǎn)生供器件編程使用的數(shù)據(jù)文件。對EPLD/CPLD來說，是產(chǎn)生熔絲圖文件，即JED文件，對于FPGA來說，是產(chǎn)生位流數(shù)據(jù)文件（Bitstream Generation），然后將編程數(shù)據(jù)下載到對應的具體可編程器件中去，然后對其進行實際環(huán)境的電路測試。

　　本文選擇CLK頻率為25MHZ，波特率為25M/16＝1562500bps。當發(fā)送字符‘7’，執(zhí)行發(fā)送命令后，將啟動數(shù)據(jù)發(fā)送的進程，將字符‘7’的ASCLL碼值送入ASCLL碼發(fā)送緩存器，通過MaxPlusII的Simulator仿真器，進行時序仿真驗證，研究結(jié)果如圖三所示。從圖中可看出，串行信號端子輸出的“2長劃”，“3點”，經(jīng)查表對應的就是摩爾斯數(shù)字‘7’，證明數(shù)據(jù)發(fā)送是正確的。另外當數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后，立刻置高電平，即產(chǎn)生中斷信號mTI,字符‘7’的發(fā)送用時大約10us。

圖 三：仿真驗證數(shù)據(jù)

　　5  創(chuàng)新點總結(jié)

　　本文的創(chuàng)新點在于提出了一種基于FPGA的無線通信收發(fā)模塊，并以當今海事通信中占重要地位的摩爾斯電碼為例，研究了摩爾斯電碼的數(shù)字化編碼方法，并通過大量的分析設計和實驗仿真，實現(xiàn)了基于FPGA處理摩爾斯電碼的收發(fā)模塊，仿真結(jié)果也驗證了本文所設計的摩爾斯電碼數(shù)字化編碼方法正確可行，工作運行可靠。