PAD在接收機(jī)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　PSoC器件集成了通過(guò)一個(gè)片上微控制器進(jìn)行控制的可配置模擬和數(shù)字電路，提供更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)修改功能，并進(jìn)一步減少元件數(shù)量。PSoC器件包括最大32Kb的閃存、2Kb的SRAM、一個(gè)帶有32位累加器的8x8乘法器、電源和睡眠監(jiān)控電路，以及硬件I2C通信[2]。

　　所有的PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重配置的，使得設(shè)計(jì)人員能夠隨意在運(yùn)行過(guò)程中改變內(nèi)部資源形式，使用較少的元件完成既定任務(wù)。易用的開(kāi)發(fā)工具讓設(shè)計(jì)人員能夠選擇可配制程序庫(kù)元素來(lái)提供模擬功能(如放大器、ADC、DAC、濾波器和比較器)，以及數(shù)字功能(如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART)。PSoC系列器件的模擬性能包括軌至軌輸入、可編程增益放大器和分辨率高達(dá)14位的ADC，以及超低的噪聲、輸入漏電流和電壓偏移。

　　單個(gè)PSoC器件可集成多達(dá)100個(gè)外圍部件，在提高系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省客戶的設(shè)計(jì)時(shí)間，縮減板級(jí)空間和功耗，并使系統(tǒng)成本降低。

　　接收機(jī)設(shè)計(jì)

　　基于以上分析的結(jié)果，結(jié)合前端硬件電路，為實(shí)現(xiàn)一定的認(rèn)知無(wú)線電功能，特設(shè)計(jì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。

圖5　接收機(jī)結(jié)構(gòu)

　　前端低噪聲放大器選用的是ADA4857-1，這是一個(gè)超低損耗、低功率、高速運(yùn)算放大器，在SOIC結(jié)構(gòu)下的3dB帶寬可以達(dá)到750MHz，其開(kāi)環(huán)增益為57dB，基本滿足此接收機(jī)對(duì)前端低噪聲放大器的要求。在搭建電路時(shí)尤其要注意電源旁路、寄生電容和外圍器件的選擇對(duì)充分發(fā)揮放大器性能的影響[3]。

　　DDS(直接頻率合成器)選用的是1GSPS的AD9858，其使用先進(jìn)的DDS技術(shù)和一個(gè)內(nèi)置的高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器組成數(shù)字可編程、完全高頻率的合成器，可以產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)400MHz的模擬輸出正弦波，完全滿足接收機(jī)對(duì)本振的要求。

　　混頻器、帶通濾波器、放大器和抗混疊濾波器都可以由Cypress的PSOC器件cy8c23x33來(lái)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。PSOC模擬系統(tǒng)包括一個(gè)8位SAR ADC和4個(gè)可配置模塊，每個(gè)模擬模塊由一個(gè)運(yùn)算放大器電路組成，允許模擬復(fù)信號(hào)流的建立。同時(shí)，模擬外圍部件非常容易被定制從而滿足特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需求。PSOC可以分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)可編程帶通濾波器和一個(gè)低通濾波器以替代接收機(jī)前端需要的帶通濾波器和抗混疊濾波器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可選增益高達(dá)93dB的儀表放大器以替代中頻放大器，一個(gè)乘加累積器提供了一個(gè)快速8位乘法器以替代混頻器，以上可編程模擬器件均能基本滿足接收機(jī)前端性能要求。我們使用PSOC設(shè)計(jì)器進(jìn)行PSOC的工作配置，寫入使用PSOC的應(yīng)用程序并調(diào)試應(yīng)用。拿放大器來(lái)舉例，首先在設(shè)計(jì)器中找到這個(gè)模塊并新建一個(gè)電路，搭好外圍電路元件，按照建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬等幾個(gè)參數(shù)設(shè)定好初始值，產(chǎn)生應(yīng)用程序代碼，然后寫入主程序和子系統(tǒng)的任何子程序，如果所有程序正確，接著將產(chǎn)生一個(gè)HEX文件，最后由PSOC設(shè)計(jì)器中的調(diào)試器執(zhí)行，它下載HEX文件到在電路模擬器(ICE)中，至此一個(gè)可編程放大器設(shè)置完畢，可以投入使用。

　　可編程ADC本來(lái)可以由Cypress PSOC來(lái)實(shí)現(xiàn)，但PSOC實(shí)現(xiàn)的ADC采樣速率最多只有375 Ksps，無(wú)法滿足認(rèn)知無(wú)線電接收機(jī)前端的帶寬要求，因此可以考慮使用SIDSA公司的FIPSOC器件，同時(shí)后端基帶數(shù)字處理任務(wù)也可交由FIPSOC中的8051核和FPGA兼而實(shí)現(xiàn)。利用運(yùn)行于WINDOW環(huán)境下的集成化開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行ADC的設(shè)計(jì)和編程，結(jié)合上面介紹的一部分內(nèi)容，具體到ADC設(shè)計(jì)時(shí)還需要首先設(shè)置外部輸入/輸出引腳、內(nèi)部輸入/輸出引腳和內(nèi)部信號(hào)的初始化數(shù)值，然后再對(duì)mP控制寄存器和靜態(tài)RAM進(jìn)行配置，以達(dá)到所需要的性能要求。數(shù)字宏單元(DMC)是FPGA的可編程數(shù)字單元，它是基于查找表結(jié)構(gòu)的可編程單元，具有組合邏輯和時(shí)序邏輯資源，而組合部分和時(shí)序部分之間則由布線資源加以連接。利用動(dòng)態(tài)重配置模式可對(duì)多個(gè)DMC單元進(jìn)行設(shè)置，可以改變硬件電路，進(jìn)而在一定程度上可對(duì)前端的可編程模擬器件進(jìn)行實(shí)時(shí)更新配置，這一技術(shù)目前正在探索研究中[4]。

　　以上只是各個(gè)模塊的分開(kāi)設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)好整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)，還需要對(duì)各個(gè)模塊之間的連線以及參考時(shí)鐘等許多方面給以足夠的重視。各個(gè)模塊都有屬于自己的輸入/輸出端口，為達(dá)到預(yù)定的系統(tǒng)性能要求，必須嚴(yán)格對(duì)照技術(shù)手冊(cè)和自己的預(yù)先布線安排接好各輸入/輸出端口。至于時(shí)鐘，避免采用時(shí)鐘抖動(dòng)大的門電路是電路設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格遵守的準(zhǔn)則之一，在此基礎(chǔ)上才能最大限度地發(fā)揮器件的性能；除此，拿FIPSOC來(lái)說(shuō)，除某些條件下，8051時(shí)鐘和其送至DMC的副本時(shí)鐘的相對(duì)相位會(huì)交換外，時(shí)鐘停止不影響時(shí)鐘同步；每次不同時(shí)鐘重新配置后，必須重新同步。

　　結(jié)語(yǔ)

　　目前，已經(jīng)在理論上證明了以上接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，下一步將逐步搭建出具體的硬件平臺(tái)并測(cè)試驗(yàn)證。除了可編程模擬器件外，新興的可進(jìn)化硬件(Evolvable HardWare，EHW)研究領(lǐng)域以硬件在線自適應(yīng)為目標(biāo)，也將可編程模擬器件作為實(shí)現(xiàn)模擬電路自動(dòng)設(shè)計(jì)和在線自適應(yīng)的重要評(píng)估手段和實(shí)現(xiàn)載體。可以預(yù)期，隨著模擬可編程技術(shù)的不斷進(jìn)步和器件品種的逐步豐富，可編程模擬器件將會(huì)成為實(shí)現(xiàn)模擬電路的首選器件和最佳選擇。