擴頻通信調制器的FPGA設計與仿真

近年來，隨著經濟的高速增長，無線通信得到了飛速地發展。由于擴展頻譜信號具有抗干擾、保密、抗偵破和抗衰落等特點，擴頻通信在軍事無線通信領域（如測控通信）中被廣泛應用；隨著技術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展前景。

本文首先介紹了FPGA的設計思想及流程，然后以一種擴頻通信調制器為例，描述了如何實現自頂向下的設計：包括調制器的頂層設計、劃分的下一層基本單元的設計等，并重點分析了基本單元之一的PN碼產生器的設計實現及仿真驗證過程。

FPGA設計方法簡介

FPGA技術的飛速發展，對國內的電子設計工程師提出了嚴峻的挑戰，以往傳統的設計方法，如單純的原理圖輸入方法，已很難滿足目前的要求。設計人員必須采用高水準的設計工具，如硬件描述語言（Verilog HDL）或語言與原理圖結合來進行設計。

1 FPGA的設計思想

FPGA的設計思想一般采用自頂向下（Top-down）的設計，自頂向下的設計是從系統級開始的，把系統化分為基本單元，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為止。

2  FPGA的設計流程

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

設計輸入：設計輸入有多種方式，目前最常用的有電路圖和硬件描述語言兩種。對于簡單的設計，可采用原理圖或ABEL語言設計。對于復雜的設計，可采用原理圖或行為描述語言（如VHDL語言），或者兩者混用，采用層次化設計方法，分模塊、分層次的進行描述。軟件在設計輸入時，會檢查語法錯誤，生成網表文件，供設計實現和設計校驗用。

設計實現：設計實現是指從設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計文件進行綜合、優化，并針對所選中的器件進行映射、布局、布線，產生相應的位流數據文件。
器件編程：器件編程就是將位流數據文件配置到相應的FPGA器件中。

設計校驗：對應于設計輸入、設計實現和器件編程的功能仿真、時序仿真、器件測試組成設計驗證的三個部分。功能仿真驗證設計的功能邏輯，在設計輸入過程中，對部分功能或整個設計均可進行仿真。完成設計實現后進行時序仿真，針對器件的布局、布線方案進行時延仿真，分析定時關系。器件測試是在器件編程完成后進行，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。

擴頻調制器的FPGA設計

本文介紹的一種擴頻調制器，常應用于測控通信領域。其信號形式是I、Q兩路正交信道上分別傳送擴頻指令和測距碼，采用UQPSK調制，I、Q兩路的功率比為10:1，其信號的數學表達式如下：

      （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，即當長碼發生器經過全“1”狀態時，短碼發生器也經過它的全“1”狀態。

1 擴頻調制器的頂層設計

圖1 擴頻調制器實現框圖

擴頻調制器的實現如圖1所示。FPGA的頂層設計見圖1的虛框部分，包括信息碼產生器及寄存器、碼鐘及PN碼產生器、載波產生器、0/π調制模塊等基本單元。下面以PN碼產生器為例介紹基本單元的設計。

2 基本單元的設計

圖2  兩路PN碼的初步設計圖

PN碼產生器包括兩種：碼長分別為1023位的碼產生器及261 888位的截短碼產生器，初步的設計如圖2所示，PNMZ為碼鐘，產生RESET信號同時復位長、短碼產生器。

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

圖3  210-1位PN碼發生器的FPGA設計圖

210-1位PN碼產生器的FPGA設計如圖3所示。pnmz為碼鐘輸入端；pnm_reset為PN碼的復位端；pnm為碼輸出端；q1為碼全“1”信號輸出端。當復位脈沖信號來到后，移位寄存器在碼鐘推動下從設定的初值開始左移，左移移位寄存器的高位先出，產生小M序列。兩路小M序列異或產生PN碼。兩路比較器產生的信號相與后輸出全“1”信號。PN碼產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。

擴頻調制器的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，FPGA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）。功能仿真是未經布線和適配之前，使用原始設計綜合之后的文件進行仿真。時序仿真，即將FPGA設計綜合之后，再由FPGA適配器（完成芯片內自動布線等功能）映射于具體芯片后得到的文件進行仿真。

本文選用QuartusII3.0集成的仿真工具進行波形仿真。對設計的主要模塊在通過綜合之后，首先進行功能仿真，驗證原始設計的正確性，驗證設計結果的邏輯功能是否符合原始規定的邏輯功能。通過功能仿真之后，在設計中考慮器件延時后，再進行布局布線后的仿真，通過觀察波形和數據，可驗證是否能滿足時序要求，是否能得到預期的值。

在設計過程中，作者針對主要的電路模塊進行了仿真，包括：PN碼產生器、信息注入電路、并/串轉換電路等。下面介紹擴頻調制器兩路PN碼產生器的仿真及設計改進過程。

1 PN碼產生器的功能仿真

擴頻調制器的兩路PN碼產生器，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）。初始的設計見圖3。對設計綜合過后，進行功能仿真。仿真結果說明：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。原始設計符合要求。仿真結果如圖4所示。（PNMZ為碼鐘；RESET為復位信號；PNI、PNQ為I、Q兩路PN碼；QUANI、QIANQ為I、Q兩路PN碼全“1”信號。）

2 PN碼產生器的時序仿真

通過功能仿真之后，對設計進行布局布線編譯，然后進行時序仿真。發現可能會在PN碼序列中產生毛刺信號，并通過多次仿真發現復位信號也可能產生毛刺信號，導致I、Q兩路信號起始不同步，如圖5所示。

圖6  改進后的兩路PN碼設計圖

圖7  改進后的PN碼時序仿真圖

作者對電路進行改進，將復位信號、PN碼信號、全“1”信號上加上D觸發器，用碼鐘打一次，消除電路毛刺。改進后的電路如圖6所示。

再次進行時序仿真，發現毛刺消除，PN碼產生正常，說明兩路PN碼電路設計正確，可以作為經驗證的基本單元加入擴頻調制器的FPGA設計。

結束語

本文介紹了一種擴頻通信調制器的FPGA設計實現方法，著重說明了PN碼產生器的設計仿真過程，形象地闡述了FPGA自頂向下的設計思想及詳盡的設計流程。FPGA在無線通信工程領域的應用已非常普遍，掌握一種好的設計方法對電子設計師們很重要，希望本文對讀者有所幫助。