一種擴(kuò)頻通信調(diào)制器的FPGA設(shè)計(jì)與仿真

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，無線通信得到了飛速地發(fā)展。由于擴(kuò)展頻譜信號(hào)具有抗干擾、保密、抗偵破和抗衰落等特點(diǎn)，擴(kuò)頻通信在軍事無線通信領(lǐng)域（如測(cè)控通信）中被廣泛應(yīng)用；隨著技術(shù)的成熟及成本的降低，其在民用通信市場上具有更廣大的發(fā)展前景。

本文首先介紹了FPGA的設(shè)計(jì)思想及流程，然后以一種擴(kuò)頻通信調(diào)制器為例，描述了如何實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì)：包括調(diào)制器的頂層設(shè)計(jì)、劃分的下一層基本單元的設(shè)計(jì)等，并重點(diǎn)分析了基本單元之一的PN碼產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及仿真驗(yàn)證過程。

FPGA設(shè)計(jì)方法簡介

FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)國內(nèi)的電子設(shè)計(jì)工程師提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，如單純的原理圖輸入方法，已很難滿足目前的要求。設(shè)計(jì)人員必須采用高水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工具，如硬件描述語言（Verilog HDL）或語言與原理圖結(jié)合來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 FPGA的設(shè)計(jì)思想

FPGA的設(shè)計(jì)思想一般采用自頂向下（Top-down）的設(shè)計(jì)，自頂向下的設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)級(jí)開始的，把系統(tǒng)化分為基本單元，然后再把每個(gè)單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧恢边@樣做下去，直到可以直接用EDA元件庫里的元件來實(shí)現(xiàn)為止。

2  FPGA的設(shè)計(jì)流程

FPGA器件的設(shè)計(jì)一般可分為設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和編程三個(gè)設(shè)計(jì)步驟及相應(yīng)的功能仿真、時(shí)序仿真和器件測(cè)試三個(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程。

設(shè)計(jì)輸入：設(shè)計(jì)輸入有多種方式，目前最常用的有電路圖和硬件描述語言兩種。對(duì)于簡單的設(shè)計(jì)，可采用原理圖或ABEL語言設(shè)計(jì)。對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，可采用原理圖或行為描述語言（如VHDL語言），或者兩者混用，采用層次化設(shè)計(jì)方法，分模塊、分層次的進(jìn)行描述。軟件在設(shè)計(jì)輸入時(shí)，會(huì)檢查語法錯(cuò)誤，生成網(wǎng)表文件，供設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)校驗(yàn)用。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是指從設(shè)計(jì)輸入文件到位流文件的編譯過程。在該過程中，編譯軟件自動(dòng)地對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行綜合、優(yōu)化，并針對(duì)所選中的器件進(jìn)行映射、布局、布線，產(chǎn)生相應(yīng)的位流數(shù)據(jù)文件。
器件編程：器件編程就是將位流數(shù)據(jù)文件配置到相應(yīng)的FPGA器件中。

設(shè)計(jì)校驗(yàn)：對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和器件編程的功能仿真、時(shí)序仿真、器件測(cè)試組成設(shè)計(jì)驗(yàn)證的三個(gè)部分。功能仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能邏輯，在設(shè)計(jì)輸入過程中，對(duì)部分功能或整個(gè)設(shè)計(jì)均可進(jìn)行仿真。完成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行時(shí)序仿真，針對(duì)器件的布局、布線方案進(jìn)行時(shí)延仿真，分析定時(shí)關(guān)系。器件測(cè)試是在器件編程完成后進(jìn)行，通過實(shí)驗(yàn)或借助于測(cè)試工具，測(cè)試器件最終功能和性能指標(biāo)。

擴(kuò)頻調(diào)制器的FPGA設(shè)計(jì)

本文介紹的一種擴(kuò)頻調(diào)制器，常應(yīng)用于測(cè)控通信領(lǐng)域。其信號(hào)形式是I、Q兩路正交信道上分別傳送擴(kuò)頻指令和測(cè)距碼，采用UQPSK調(diào)制，I、Q兩路的功率比為10:1，其信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

      （1）
式中：ω為載波頻率； PT為信號(hào)總功率；c(t)為指令碼；PNI為指令信道PN碼；PNQ為測(cè)距信道PN碼。PNI是碼長為210-1＝1023的Gold碼，短碼；PNQ是碼長為218-28＝261 888的18級(jí)截短碼，長碼；長短碼長之比為256。要求兩種碼起始同步，即當(dāng)長碼發(fā)生器經(jīng)過全“1”狀態(tài)時(shí)，短碼發(fā)生器也經(jīng)過它的全“1”狀態(tài)。

1 擴(kuò)頻調(diào)制器的頂層設(shè)計(jì)

圖1 擴(kuò)頻調(diào)制器實(shí)現(xiàn)框圖

擴(kuò)頻調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。FPGA的頂層設(shè)計(jì)見圖1的虛框部分，包括信息碼產(chǎn)生器及寄存器、碼鐘及PN碼產(chǎn)生器、載波產(chǎn)生器、0/π調(diào)制模塊等基本單元。下面以PN碼產(chǎn)生器為例介紹基本單元的設(shè)計(jì)。

2 基本單元的設(shè)計(jì)

圖2  兩路PN碼的初步設(shè)計(jì)圖

PN碼產(chǎn)生器包括兩種：碼長分別為1023位的碼產(chǎn)生器及261 888位的截短碼產(chǎn)生器，初步的設(shè)計(jì)如圖2所示，PNMZ為碼鐘，產(chǎn)生RESET信號(hào)同時(shí)復(fù)位長、短碼產(chǎn)生器。

Gold碼由兩路小M序列異或組成，下面介紹210-1位碼產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)：
PN碼的本原多項(xiàng)式為：
（2）
           （3）
初相  A：0010011100
         B：1001001000

圖3  210-1位PN碼發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì)圖

210-1位PN碼產(chǎn)生器的FPGA設(shè)計(jì)如圖3所示。pnmz為碼鐘輸入端；pnm_reset為PN碼的復(fù)位端；pnm為碼輸出端；q1為碼全“1”信號(hào)輸出端。當(dāng)復(fù)位脈沖信號(hào)來到后，移位寄存器在碼鐘推動(dòng)下從設(shè)定的初值開始左移，左移移位寄存器的高位先出，產(chǎn)生小M序列。兩路小M序列異或產(chǎn)生PN碼。兩路比較器產(chǎn)生的信號(hào)相與后輸出全“1”信號(hào)。PN碼產(chǎn)生器劃分成的下一級(jí)基本單元，包括移位寄存器、比較器、與門、異或門，都可以直接用EDA元件庫里的元件。

擴(kuò)頻調(diào)制器的FPGA仿真

圖4 兩路PN碼的功能仿真圖

圖5 兩路PN碼的時(shí)序仿真圖

工程上，F(xiàn)PGA的仿真類型可分為功能仿真和時(shí)序仿真（或稱前仿真和后仿真）。功能仿真是未經(jīng)布線和適配之前，使用原始設(shè)計(jì)綜合之后的文件進(jìn)行仿真。時(shí)序仿真，即將FPGA設(shè)計(jì)綜合之后，再由FPGA適配器（完成芯片內(nèi)自動(dòng)布線等功能）映射于具體芯片后得到的文件進(jìn)行仿真。

本文選用QuartusII3.0集成的仿真工具進(jìn)行波形仿真。對(duì)設(shè)計(jì)的主要模塊在通過綜合之后，首先進(jìn)行功能仿真，驗(yàn)證原始設(shè)計(jì)的正確性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的邏輯功能是否符合原始規(guī)定的邏輯功能。通過功能仿真之后，在設(shè)計(jì)中考慮器件延時(shí)后，再進(jìn)行布局布線后的仿真，通過觀察波形和數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證是否能滿足時(shí)序要求，是否能得到預(yù)期的值。

在設(shè)計(jì)過程中，作者針對(duì)主要的電路模塊進(jìn)行了仿真，包括：PN碼產(chǎn)生器、信息注入電路、并/串轉(zhuǎn)換電路等。下面介紹擴(kuò)頻調(diào)制器兩路PN碼產(chǎn)生器的仿真及設(shè)計(jì)改進(jìn)過程。

1 PN碼產(chǎn)生器的功能仿真

擴(kuò)頻調(diào)制器的兩路PN碼產(chǎn)生器，I路短碼的初相是“10,1101,0100”，Q路長碼的初相“00,0010,0000,1010,0100”（碼初相指兩路小M序列初相異或后的初值）。初始的設(shè)計(jì)見圖3。對(duì)設(shè)計(jì)綜合過后，進(jìn)行功能仿真。仿真結(jié)果說明：兩路PN碼起始同步，PNI起始相位：10,1101,0100；PNQ起始相位：00,0010,0000,1010,0100。原始設(shè)計(jì)符合要求。仿真結(jié)果如圖4所示。（PNMZ為碼鐘；RESET為復(fù)位信號(hào)；PNI、PNQ為I、Q兩路PN碼；QUANI、QIANQ為I、Q兩路PN碼全“1”信號(hào)。）

2 PN碼產(chǎn)生器的時(shí)序仿真

通過功能仿真之后，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行布局布線編譯，然后進(jìn)行時(shí)序仿真。發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在PN碼序列中產(chǎn)生毛刺信號(hào)，并通過多次仿真發(fā)現(xiàn)復(fù)位信號(hào)也可能產(chǎn)生毛刺信號(hào)，導(dǎo)致I、Q兩路信號(hào)起始不同步，如圖5所示。

圖6  改進(jìn)后的兩路PN碼設(shè)計(jì)圖

圖7  改進(jìn)后的PN碼時(shí)序仿真圖

作者對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，將復(fù)位信號(hào)、PN碼信號(hào)、全“1”信號(hào)上加上D觸發(fā)器，用碼鐘打一次，消除電路毛刺。改進(jìn)后的電路如圖6所示。

再次進(jìn)行時(shí)序仿真，發(fā)現(xiàn)毛刺消除，PN碼產(chǎn)生正常，說明兩路PN碼電路設(shè)計(jì)正確，可以作為經(jīng)驗(yàn)證的基本單元加入擴(kuò)頻調(diào)制器的FPGA設(shè)計(jì)。

結(jié)束語

本文介紹了一種擴(kuò)頻通信調(diào)制器的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，著重說明了PN碼產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)仿真過程，形象地闡述了FPGA自頂向下的設(shè)計(jì)思想及詳盡的設(shè)計(jì)流程。FPGA在無線通信工程領(lǐng)域的應(yīng)用已非常普遍，掌握一種好的設(shè)計(jì)方法對(duì)電子設(shè)計(jì)師們很重要，希望本文對(duì)讀者有所幫助。