基于Xilinx FPGA的部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的信號解調(diào)系

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，信號的調(diào)制方式向多樣化發(fā)展，解淵技術(shù)也隨之不斷向前發(fā)展。為了對高速大帶寬的信號進行實時解調(diào)，現(xiàn)在很多的解調(diào)關(guān)鍵算法都是在高速硬件上用可編程邏輯器件(FPGA)實觀，利用FPGA強大的資源和實時處理能力來快速的實現(xiàn)信號的跟蹤、鎖定和解調(diào)但是，基于硬件的實現(xiàn)方案和基于軟件的方案相比，往往存在不能迅速適應(yīng)調(diào)制樣式改變的問題。為了有效斛決這個問題，筆者通過基下FPGA部分動態(tài)町重構(gòu)技術(shù)，提出了相應(yīng)的解決方案。

1 FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)介紹

從九零年代以來，隨著FPGA芯片技術(shù)的逐步成熟和發(fā)展，F(xiàn)PGA在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸擴大，芯片內(nèi)部的資源規(guī)模也成倍增加。但是，隨著FPGA容量的擴大，F(xiàn)PGA的設(shè)計和實現(xiàn)也漸漸出現(xiàn)了下面的瓶頸問題：

1)FPGA芯片內(nèi)部布線隨著設(shè)計復(fù)雜度的增加，布線的難度成平方增加，布線的時間也成倍增加。

2)對于大容量的FPGA，為了保證設(shè)計時約定的性能，為了滿足時序約束條件，最終實現(xiàn)版本的實際資源利用率反而下降。

3)大容量的FPGA一旦設(shè)計完成后，對其進行部分模塊的調(diào)整和優(yōu)化經(jīng)常需要很長時間。

在此上述這些原因的基礎(chǔ)上，F(xiàn)PGA的重配置技術(shù)應(yīng)需而生。FPGA重配置技術(shù)分為完全重配置技術(shù)和部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)兩種。其中FPGA完全重配置技術(shù)就是通過FPGA外部的配置處理單元，通過對FPGA配置管腳的編程，來實現(xiàn)整個FPGA內(nèi)容的切換，這種方式在目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。而FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)是通過FPGA內(nèi)部或外部的配置處理單元，對FPGA內(nèi)部部分資源的時分復(fù)用，來實現(xiàn)FPGA內(nèi)部部分模塊的切換。

對這兩種配置技術(shù)進行比較，可以看到FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢在于以下這些方面：

1)提高了配置速度。完全重配置需要配置整個FPGA的比特流文件，而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)只需要配置相應(yīng)模塊的邏輯內(nèi)容，文什大小相差懸殊，在相同的配置時鐘頻率下，部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的配置速度是完全配置的幾分之一或者幾十分之一。

2)省略了完全配置后的復(fù)位、下達參數(shù)的流程。完全重配置在配置完成后，整個FPGA處于初始狀態(tài)，需要重新對接口進行初始化，并配置運行參數(shù)。而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)不用進行全局復(fù)位，下達參數(shù)也只需要針對重構(gòu)的模塊。

3)保存了FPGA運行的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)。完全重配置很難保存FPGA運行的中間結(jié)果，如果外接DDR SDRAM等存儲單元，也會因為接口的重新復(fù)位而導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂，而部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)完全不用擔(dān)心這些問題。

部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)具有上述相對與完全重配置技術(shù)的優(yōu)勢外，也和完全重配置技術(shù)一樣，具有低功耗和靈動性高的優(yōu)點，并且具備遠程加載功能，可以通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)超距環(huán)境下的FPGA功能變更。

部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)和完全重配置技術(shù)相比，對FPGA設(shè)計人員的開發(fā)能力和規(guī)劃能力要求更高，下面通過對一個簡單的數(shù)字信號解調(diào)系統(tǒng)，來給出部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的實現(xiàn)途徑。

2 FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的硬件實現(xiàn)方案

FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)的硬件實現(xiàn)如圖1所示，為了保證FPGA配置的可靠性，本文采用了FPGA外部單元控制配置流程的實現(xiàn)方式。一個基本的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)除了被配置的FPGA外，需要有配置控制模塊、配置接口模塊和配置存儲模塊這3個部分。其巾配置控制模塊一般由DSP、單片機、ARM處理器或者PowerPC選擇，主要功能是從配置存儲模塊或者外部接口中獲取配置比特流文件，并在需要部分動態(tài)重構(gòu)的時刻把配置比特流文件傳送到配置接口模塊。配置接口模塊一般由FPGA或者CPLD實現(xiàn)，功能是接收配置控制模塊傳輸?shù)呐渲帽忍亓鳎M行相應(yīng)的時序轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生滿足FPGA配置時序的信號，從而對FPGA進行配置。配置存儲模塊一般是FLASH或者SDRAM，可以長期或者臨時保存多個配置比特流文件。

在圖1的結(jié)構(gòu)中，配置接口模塊是實現(xiàn)的關(guān)鍵模塊，根據(jù)配置速度和穩(wěn)定性的要求，可以采用Slave SelectMap或者Slave Setial配置模式，從性能考慮，一般選擇Slave SelectMap這種并行配置模式，在配置時鐘最高50MHz、配置管腳32位的情況下，配置速度可以達到1.6Gb ps。在Slave SelectMap模式下，配置接口模塊和FPGA的管腳連接可以參考XilinxVinex-5 Configuration User Guide中相應(yīng)章節(jié)，本文不再贅述。并根據(jù)如圖2所示的配置時序，來實現(xiàn)FPGA完全配置比特流文件的下載和功能實現(xiàn)。

在進行配置部分動態(tài)可重構(gòu)比特流文件時，因為該比特流文件不像完整的配置比特流文件一樣具有文件頭，而是只有幀地址、配置數(shù)據(jù)及校驗和，當(dāng)所有配置內(nèi)容傳輸?shù)紽PGA后，不會有DONE信號拉高來表示配置結(jié)束。在這種情況下，必須監(jiān)視傳輸來的配置數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)部分重配置文件的結(jié)束標(biāo)志DESYNCH(0000000D)時，就可以判斷部分重構(gòu)流程結(jié)束，可以運行新的重構(gòu)模塊。

3 基于FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)的信號解調(diào)系統(tǒng)開發(fā)流程

3.1 FPGA模塊劃分

在完成了支持FPGA部分動態(tài)可重構(gòu)的硬件實現(xiàn)后，下面開始規(guī)劃信號解調(diào)系統(tǒng)的FPGA設(shè)計架構(gòu)。如圖3所示，信號解調(diào)系統(tǒng)主要由信道化模塊，可重構(gòu)解調(diào)模塊和數(shù)傳接口模塊組成。

信道化模塊主要是把AD數(shù)據(jù)進行信道化處理，進行濾波，下變頻、信道選擇和抽取。可重構(gòu)解調(diào)模塊是針對不同調(diào)制樣式的分別實現(xiàn)不同的解調(diào)模塊，并根據(jù)實際需要進行部分重構(gòu)。數(shù)傳接口模塊是把解調(diào)的結(jié)果傳輸?shù)紽PGA外，進行后續(xù)處理和在界面中顯示。