基于FPGA的可配置通信平臺設(shè)計(jì)
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【關(guān)鍵詞】：FPGA，配置，重構(gòu)，DSP，SOPC
1 引言
為了適應(yīng)通信應(yīng)用要求的多樣性, 需要一種可以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)、快速驗(yàn)證、快速移植的軟硬件驗(yàn)證與測試平臺。該平臺可以提供通信系統(tǒng)最基本的硬件架構(gòu)、軟件環(huán)境、靈活的接口以及系統(tǒng)可配置的設(shè)計(jì)功能，方便用戶根據(jù)應(yīng)用要求在該平臺上設(shè)計(jì)和配置所需的通信系統(tǒng)，并測試該系統(tǒng)的功能和性能，進(jìn)而直接在該平臺上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)到設(shè)備的轉(zhuǎn)化。
該平臺的實(shí)現(xiàn)有基于DSP和基于FPGA兩種解決方案 [1]?；贒SP的實(shí)現(xiàn)方式中，固定的數(shù)據(jù)總線寬度是當(dāng)前主流DSP處理器的一個(gè)瓶頸，且只適合于軟件可重構(gòu)設(shè)計(jì)，此外還面臨并行性等問題。相反，基于FPGA的實(shí)現(xiàn)方式既可以解決并行性和順序性的矛盾，又具有大容量、高速度、高靈活性和軟硬件重構(gòu)的優(yōu)勢，故基于FPGA的解決方案更具實(shí)用性。
2 平臺設(shè)計(jì)
本開發(fā)平臺采用基于FPGA的解決方案，利用Matlab、Modlesim以及Altera公司的綜合/配置/下載專用軟件等相關(guān)工具，在PC環(huán)境下構(gòu)建出一個(gè)軟件開發(fā)平臺，用于算法驗(yàn)證和性能仿真；利用基于FPGA的硬件平臺――如Altera的DSP 開發(fā)板――來完成設(shè)計(jì)的下載、驗(yàn)證與測試；并通過定制的內(nèi)嵌軟核CPU實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部各功能模塊和存儲器、I/O接口等資源模塊的配置和管理，從而達(dá)到按不同通信系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)迅速完成設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和移植的目的，此外，還能靈活的修改、升級甚至重新配置。
2.1平臺的構(gòu)建
設(shè)計(jì)涉及到具體的芯片信息，使得目前不同的FPGA芯片的設(shè)計(jì)流程有所不同，無法完全實(shí)現(xiàn)采用較為通用的軟件進(jìn)行前端設(shè)計(jì)（包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、功能仿真和綜合實(shí)現(xiàn)），采用芯片支持的專用軟件進(jìn)行后端設(shè)計(jì)（包括時(shí)序仿真、布局布線和下載）。因此，采用Altera的FPGA后，平臺組成分為三部分：基于PC的設(shè)計(jì)和測試軟件部分，設(shè)計(jì)和測試的硬件開發(fā)板部分，觀測和其他輔助部分。
其中，基于PC的設(shè)計(jì)和測試軟件部分包括設(shè)計(jì)和測試的各種軟件，即：Matlab/Simulink、Modlesim、DspBuilder、SOPCBuilder、Quartus等；硬件開發(fā)板則可用Altera公司的NIOS、ARM、DSP各種開發(fā)系統(tǒng)，也可以根據(jù)需要自主開發(fā)添加各種軟硬件應(yīng)用接口并對外圍器件進(jìn)行調(diào)配后的FPGA開發(fā)板；觀測和其他輔助部分包括平臺內(nèi)觀測的人機(jī)界面等軟硬件、平臺外觀測的示波器或邏輯分析儀以及噪聲發(fā)生器、信號發(fā)生器、接收機(jī)等。
2.2平臺的設(shè)計(jì)測試流程
平臺的設(shè)計(jì)測試流程實(shí)現(xiàn)框圖如下圖1所示：
圖1
平臺的設(shè)計(jì)流程側(cè)重于系統(tǒng)的算法驗(yàn)證和控制實(shí)現(xiàn)，其中算法部分主要通過DSP Builder實(shí)現(xiàn)，為圖中用實(shí)線連接部分；控制部分由Nios II IDE和SOPC Builder完成，為圖中短線連接部分。
平臺的測試流程主要結(jié)合開發(fā)板實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的驗(yàn)證，為圖中點(diǎn)線連接部分，有外部觀測和內(nèi)部觀測兩種方法。其中，外部觀測通過外加示波器或邏輯分析儀完成；內(nèi)部觀測可以通過平臺的人機(jī)操作界面完成，也可以通過配套軟件來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)復(fù)雜度和測試內(nèi)容的不同分為自動流程和手動流程。
自動流程包括如下四個(gè)步驟[1]：（1）Matlab/Simulink/DspBuilder建模。（2）平臺仿真。（3）DspBuilder完成VHDL轉(zhuǎn)換、綜合、適配、下載。（4）嵌入式邏輯分析儀――SignalTap完成實(shí)時(shí)測試。手動流程包括如下七個(gè)步驟：（1）Matlab/Simulink/DspBuilder建模。（2）平臺仿真。（3）DspBuilder完成VHDL轉(zhuǎn)換、綜合、適配。（4）Modlesim對TestBench功能仿真。（5）Quartus II完成適配、時(shí)序仿真。（6）芯片引腳鎖定、配置下載、編程。（7）嵌入式邏輯分析儀――SignalTap完成實(shí)時(shí)測試。
3可配置設(shè)計(jì)
在可重構(gòu)系統(tǒng)中，硬件的配置信息可以類似軟件程序一樣被動態(tài)調(diào)用或修改，進(jìn)而達(dá)到電路的實(shí)時(shí)重構(gòu)，這樣既保留了硬件的快速性，又兼具軟件的靈活性。因此，實(shí)時(shí)電路重構(gòu)的實(shí)質(zhì)就是利用可編程器件能多次重復(fù)配置資源和功能的特性，既可以在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要動態(tài)改變系統(tǒng)的部分參數(shù)或部分電路結(jié)構(gòu)，也可以通過重加載完成整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件升級[2]。
整個(gè)系統(tǒng)的可配置內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)流程[3]如圖2所示：
圖2
如上圖所示，平臺的可配置設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：參數(shù)的可重加載；模塊的可重選擇；系統(tǒng)的可重下載；硬件的可重定制。
參數(shù)的可重加載是針對類型相同，參數(shù)不同的信號與系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，只是系統(tǒng)中模塊的參數(shù)可以重新進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。
模塊的可重選擇是對結(jié)構(gòu)相似，類型不同的信號，只對系統(tǒng)中相應(yīng)的部分進(jìn)行重新加載或重新組合。
系統(tǒng)的可重下載是指：如果目前加載的系統(tǒng)用前面兩種調(diào)整方式依然不能滿足要求時(shí)，則可以根據(jù)需要重新設(shè)計(jì)下載，或者在需要進(jìn)行系統(tǒng)升級時(shí)通過重新下載完成。
硬件的可重定制主要針對基于本平臺進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，這也是本方案與傳統(tǒng)方案的最大區(qū)別之處。它通過采用Altera公司的SOPC Builder解決方案來實(shí)現(xiàn)。即將處理器、存儲器、I/O口、總線等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成在一個(gè)FPGA芯片上，從而構(gòu)建出一個(gè)硬件可定制的片上系統(tǒng)。
4基于平臺的設(shè)計(jì)實(shí)例
下面我們結(jié)合簡單全數(shù)字通用接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例來說明該平臺可配置的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)測試流程。
全數(shù)字通用接收機(jī)[4]的基本結(jié)構(gòu)為：解調(diào)+解碼+數(shù)據(jù)恢復(fù)+配置控制。其中輸入信號的格式可以是連續(xù)或離散方式、可以是固定或可變速率；解碼方式為RS或Turbo或Viterbi；解調(diào)方式是M-PSK系列或M-QAM系列。如下圖3所示：
圖3
系統(tǒng)配置舉例：實(shí)現(xiàn)連續(xù)模式下，數(shù)據(jù)速率1Mbit/s，DQPSK調(diào)制，RS編碼，2Mhz載波，8dB信噪比，1%頻偏，1%相偏，16倍采樣輸出信號的同步、解調(diào)和解碼。模塊的選擇和參數(shù)的配置方法流程如前，配置后的系統(tǒng)[5][6]如下圖4所示：
圖4
具體算法實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)源采用連續(xù)或間斷的M序列模擬連續(xù)和突發(fā)信號，速率通過平臺時(shí)鐘控制；調(diào)制解調(diào)部分的數(shù)控振蕩器NCO、Fir濾波器和RS編解碼由IP core實(shí)現(xiàn)；軟件仿真階段，頻偏相偏通過調(diào)制端NCO的頻率和相位控制字實(shí)現(xiàn)，噪聲通過程序內(nèi)加實(shí)現(xiàn)；硬件測試階段，頻差、相差、時(shí)鐘誤差、噪聲則在直接通過外接實(shí)際信號發(fā)生設(shè)備或噪聲源實(shí)現(xiàn)。
測試流程：仿真階段采用程序內(nèi)加噪聲模擬并通過程序自行實(shí)時(shí)比較的方法，下載后測試則采用外加噪聲源后通過實(shí)時(shí)回讀數(shù)據(jù)并自動比較的方法。其中回讀數(shù)據(jù)采用自動流程，其原理是通過將設(shè)置為測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到一定容量的片內(nèi)RAM中，并利用下載線再讀回到軟件環(huán)境中進(jìn)行顯示、比較或存儲。
測試結(jié)果：圖5是在輸入信號的X、Y分路信號和合路后加噪前后的信號，圖6是收端恢復(fù)出X、Y路濾波前后的信號，圖7是收發(fā)兩端X、Y分路和合路后在硬件平臺上的回讀信號，其中第1、3、5行是輸入的X、Y和分路前的數(shù)據(jù)，第2、4、6行是恢復(fù)后的X、Y和合路后的數(shù)據(jù)，包含了硬件實(shí)際的延時(shí)。系統(tǒng)采用16倍采樣，圖5圖6觀測1024個(gè)采樣點(diǎn)，圖7觀測1024個(gè)回讀采樣點(diǎn)。
圖5 圖6 圖7
5總結(jié)
本文采用實(shí)時(shí)軟硬件重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的、通用可配置的通信開發(fā)與測試平臺，其中，內(nèi)嵌軟核CPU協(xié)調(diào)各模塊的工作和提供用戶接口，F(xiàn)PGA完成DSP運(yùn)算等主要工作。并通過軟硬件的可配置能實(shí)現(xiàn)該平臺多用途和可升級的設(shè)計(jì)。
作為一種SOPC的解決方案，該平臺已經(jīng)完成了實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，并為各種通信系統(tǒng)從軟件仿真到硬件實(shí)現(xiàn)、從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到設(shè)備測試提供了一種實(shí)用、快速而又具高性價(jià)比的實(shí)現(xiàn)方法。
參考文獻(xiàn)
[1] SOPC技術(shù)實(shí)用教程，潘松 黃繼業(yè) 曾毓，清華大學(xué)出版社，2005。
[2] 一種可重構(gòu)處理器的設(shè)計(jì)，董培良 俞承芳，復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004年2月第43 卷 第1期。
[3] 挑戰(zhàn)SOC―基于NIOS的SOPC設(shè)計(jì)與實(shí)踐，周博 邱衛(wèi)東 陳燕 周學(xué)功 方茁等，清華大學(xué)出版社，2004。
[4] Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions, Marco Luke, Ruggero Reggiannini, IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL. 43, NO. 2/3/4, 1995。
[5] 基于FPGA的QPSK解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，趙海潮 周榮花 沈業(yè)兵，微計(jì)算機(jī)信息，2004年第20卷第7期。
[6] Advanced Electronic Communications Systems Sixth Edition(Sixth Edition)，Wayne Tomasi，Publishing House of Electronics Industry，2004。
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