一種擴(kuò)頻通信調(diào)制器的FPGA設(shè)計與仿真

　　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，描述了如何實現(xiàn)自頂向下的設(shè)計：包括調(diào)制器的頂層設(shè)計、劃分的下一層基本單元的設(shè)計等，并重點(diǎn)分析了基本單元之一的PN碼產(chǎn)生器的設(shè)計實現(xiàn)及仿真驗證過程。

　　FPGA設(shè)計方法簡介

　　FPGA技術(shù)的飛速發(fā)展，對國內(nèi)的電子設(shè)計工程師提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，以往傳統(tǒng)的設(shè)計方法，如單純的原理圖輸入方法，已很難滿足目前的要求。設(shè)計人員必須采用高水準(zhǔn)的設(shè)計工具，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。

　　1 FPGA的設(shè)計思想

　　FPGA的設(shè)計思想一般采用自頂向下（Top-down）的設(shè)計，自頂向下的設(shè)計是從系統(tǒng)級開始的，把系統(tǒng)化分為基本單元，然后再把每個單元劃分為下一層次的基本單元，一直這樣做下去，直到可以直接用EDA元件庫里的元件來實現(xiàn)為止。

　　2  FPGA的設(shè)計流程

　　FPGA器件的設(shè)計一般可分為設(shè)計輸入、設(shè)計實現(xiàn)和編程三個設(shè)計步驟及相應(yīng)的功能仿真、時序仿真和器件測試三個設(shè)計驗證過程。

　　設(shè)計輸入：設(shè)計輸入有多種方式，目前最常用的有電路圖和硬件描述語言兩種。對于簡單的設(shè)計，可采用原理圖或ABEL語言設(shè)計。對于復(fù)雜的設(shè)計，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)計方法，分模塊、分層次的進(jìn)行描述。軟件在設(shè)計輸入時，會檢查語法錯誤，生成網(wǎng)表文件，供設(shè)計實現(xiàn)和設(shè)計校驗用。

　　設(shè)計實現(xiàn)：設(shè)計實現(xiàn)是指從設(shè)計輸入文件到位流文件的編譯過程。在該過程中，編譯軟件自動地對設(shè)計文件進(jìn)行綜合、優(yōu)化，并針對所選中的器件進(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)計校驗：對應(yīng)于設(shè)計輸入、設(shè)計實現(xiàn)和器件編程的功能仿真、時序仿真、器件測試組成設(shè)計驗證的三個部分。功能仿真驗證設(shè)計的功能邏輯，在設(shè)計輸入過程中，對部分功能或整個設(shè)計均可進(jìn)行仿真。完成設(shè)計實現(xiàn)后進(jìn)行時序仿真，針對器件的布局、布線方案進(jìn)行時延仿真，分析定時關(guān)系。器件測試是在器件編程完成后進(jìn)行，通過實驗或借助于測試工具，測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

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

      （1）
　　式中：ω為載波頻率； PT為信號總功率；c(t)為指令碼；PNI為指令信道PN碼；PNQ為測距信道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，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

圖1 擴(kuò)頻調(diào)制器實現(xiàn)框圖

　　擴(kuò)頻調(diào)制器的實現(xiàn)如圖1所示。FPGA的頂層設(shè)計見圖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。

　　2 基本單元的設(shè)計

圖2  兩路PN碼的初步設(shè)計圖

　　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)計如圖2所示，PNMZ為碼鐘，產(chǎn)生RESET信號同時復(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：
　　PN碼的本原多項式為：
　?。?）
           （3）

　　初相  A：0010011100
         B：1001001000

圖3  210-1位PN碼發(fā)生器的FPGA設(shè)計圖

　　210-1位PN碼產(chǎn)生器的FPGA設(shè)計如圖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”信號輸出端。當(dāng)復(fù)位脈沖信號來到后，移位寄存器在碼鐘推動下從設(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)生的信號相與后輸出全“1”信號。PN碼產(chǎn)生器劃分成的下一級基本單元，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碼的時序仿真圖

　　工程上，F(xiàn)PGA的仿真類型可分為功能仿真和時序仿真（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)計綜合之后的文件進(jìn)行仿真。時序仿真，即將FPGA設(shè)計綜合之后，再由FPGA適配器（完成芯片內(nèi)自動布線等功能）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。對設(shè)計的主要模塊在通過綜合之后，首先進(jìn)行功能仿真，驗證原始設(shè)計的正確性，驗證設(shè)計結(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)計中考慮器件延時后，再進(jìn)行布局布線后的仿真，通過觀察波形和數(shù)據(jù)，可驗證是否能滿足時序要求，是否能得到預(yù)期的值。

　　在設(shè)計過程中，作者針對主要的電路模塊進(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)計見圖3。對設(shè)計綜合過后，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；PNI、PNQ為I、Q兩路PN碼；QUANI、QIANQ為I、Q兩路PN碼全“1”信號。）

　　2 PN碼產(chǎn)生器的時序仿真

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

圖6  改進(jìn)后的兩路PN碼設(shè)計圖

圖7  改進(jìn)后的PN碼時序仿真圖

　　作者對電路進(jìn)行改進(jìn)，將復(fù)位信號、PN碼信號、全“1”信號上加上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)計正確，可以作為經(jīng)驗證的基本單元加入擴(kuò)頻調(diào)制器的FPGA設(shè)計。

　　結(jié)束語

　　本文介紹了一種擴(kuò)頻通信調(diào)制器的FPGA設(shè)計實現(xiàn)方法，著重說明了PN碼產(chǎn)生器的設(shè)計仿真過程，形象地闡述了FPGA自頂向下的設(shè)計思想及詳盡的設(shè)計流程。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)計方法對電子設(shè)計師們很重要，希望本文對讀者有所幫助。