接收機軟件無線電FPGA設(shè)計交流

接收機軟件無線電FPGA設(shè)計交流目錄一、概述二、主流器件介紹三、設(shè)計流程四、常用功能設(shè)計五、總結(jié)概述FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域FPGA的優(yōu)勢在于高速的并行處理能力以及高度靈活的IO配置。所以FPGA主要應(yīng)用于對速度要求嚴苛、邏輯處理復(fù)雜或是需要控制眾多自定外設(shè)的場合。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：通信、航空領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域測量設(shè)備汽車電子以前的FPGA由于功耗相對較大，很難應(yīng)用于便攜和手持設(shè)備中，但隨著科技進步，低功耗高性能的FPGA型號也越來越多，所以現(xiàn)在FPGA也可應(yīng)用于消費類電子或便攜設(shè)備中。主流器件介紹主要廠商主要器件介紹XILINX主流低功耗器件支持PCIE,光纖接口低功耗高性能ZYNQ包含相對強大的嵌入式硬核：ARMA9，雙核1G可通過AXI接口或DDR3共享RAM直接與FPGA邏輯進行數(shù)據(jù)傳輸主要器件介紹XILINX主流超大規(guī)模器件資源多速度快功耗大價格高主流器件介紹XILINX器件資源對比5VSX95T：GC25#,HG131#，售價為￥2500~3000。7A200T：HG182#，售價￥1000~1500設(shè)計流程設(shè)計流程工作流程和內(nèi)容分解該過程用于確定系統(tǒng)輸入輸出、所用資源、評價標準，以及工作包的分解和安排。常用的工具和方法：烏龜圖（IATF推薦）WBSChartMindMapper設(shè)計流程工作過程（烏龜圖）過程架構(gòu)設(shè)計編碼仿真硬件調(diào)試輸出源代碼設(shè)計文檔仿真圖測試報告輸入設(shè)計任務(wù)書過往經(jīng)驗資源WINDOWS環(huán)境的PC開發(fā)工具辦公場所人員FPGA工程師XXX方法及準則FPGA編碼規(guī)范軟件三庫評估/指標進度安排性能指標要求設(shè)計流程工作分解推薦用WBSChart做工作分解。設(shè)計流程架構(gòu)設(shè)計設(shè)計流程文件結(jié)構(gòu)可以使用MindMapper軟件繪制結(jié)構(gòu)圖。MindMapper思維導圖軟件用于記錄自己的思維和想法，相似的軟件還有MindManager、Xmind等。設(shè)計流程設(shè)計工具ISE：編譯、仿真和實現(xiàn)環(huán)境SYSTEMGENERATER：基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境的信號處理開發(fā)工具COREGENERATOR：IP核生成工具PLANAHEAD：引腳鎖定、布局布線工具IMPACT：燒寫工具CHIPSCOPE：片上調(diào)試工具，類似于邏輯分析儀VIVADO：新的開發(fā)環(huán)境，相當于ISE+PLANAHEAD+IMPACT+CHIPSCOPE，僅支持7系列及以上的芯片。設(shè)計流程程序設(shè)計代碼編寫：邏輯/時序控制、外設(shè)控制、頂層模塊搭建SYSTEMGENERATOR模塊搭建：實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能約束文件編寫：時序約束（輸入、輸出、時鐘）引腳約束代碼編寫SYSTEMGENERATOR時序約束設(shè)計流程仿真仿真一般使用MODELSIM或者FPGA廠商提供的仿真軟件。仿真某個模塊時，需要先編寫一個testbench（相當于測試用例）來生成模塊的輸入，然后通過時序圖窗口和仿真信息輸出窗口觀察確定模塊的功能是否正確。仿真圖#agc_mode=1,mgc_value=100,anolog_agc_mode=1,anolog_mgc_value=0,digital_agc_mode=1,digital_mgc_value=64.#agc_mode=0,mgc_value=100,anolog_agc_mode=0,anolog_mgc_value=0,digital_agc_mode=0,digital_mgc_value=64.#agc_mode=0,mgc_value=30,anolog_agc_mode=0,anolog_mgc_value=6,digital_agc_mode=0,digital_mgc_value=0.#agc_mode=0,mgc_value=60,anolog_agc_mode=0,anolog_mgc_value=0,digital_agc_mode=0,digital_mgc_value=24.#agc_mode=0,mgc_value=90,anolog_agc_mode=0,anolog_mgc_value=0,digital_agc_mode=0,digital_mgc_value=54.#agc_mode=0,mgc_value=127,anolog_agc_mode=0,anolog_mgc_value=0,digital_agc_mode=0,digital_mgc_value=91.仿真調(diào)試信息設(shè)計流程硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是將程序下載到芯片中，并監(jiān)測特定信號的過程。主要用的工具是chipscope或者VIVADO自帶的ILA觀察窗。由于內(nèi)部的監(jiān)測點需要占用FPGA的內(nèi)部資源，所以一般加入的觀察點不會太多。VIVADOILACHIPSCOPE設(shè)計流程具體案例示例項目：寬帶監(jiān)測接收機要求：1.具備中頻測量功能，中頻帶寬20MHz，中頻頻率76.8M，采樣率102.4M；2.具備數(shù)字掃描功能，掃描范圍20~3600MHz，最小步進≤4kHz。3.具備頻段掃描功能，掃描范圍20~3600MHz，最小步進≤25kHz。設(shè)計流程中頻測量功能中頻測量就是對選定的中頻帶寬的信號進行分析的功能。一般分析方式為頻譜分析、ITU測量、信道占用度測量等方式。中頻測量-MR502常用功能設(shè)計中頻測量處理流程：下變頻降采樣輸出選擇輸入輸出常用功能設(shè)計下變頻使用102.4M頻率采20M帶寬信號，符合帶通采樣定理。關(guān)于混頻頻率：76.8M–102.4M=-25.6M使用25.6M混頻，得到的頻率范圍為-10M~10M，中心頻率為0。I路和Q路的頻率范圍0~10M。即I/Q的帶寬為中頻帶寬IF_BW的1/2。輸入86.8M，根據(jù)帶通采樣折合到-15.6M，使用25.6M混頻混為10M，則I/Q輸出為10M，I路比Q路相位超前90°。輸入66.8M，根據(jù)帶通采樣折合到-35.6M，使用25.6M混頻混為-10M，則I/Q輸出為10M，I路比Q路相位超前90°。常用功能設(shè)計降采樣降采樣是個通過抽取降低采樣率的過程，也可以看作是個重新采樣的過程。例如輸入采樣率102.4M的信號，輸出51.2M的信號，即可看做是用51.2M的頻率對102.4M的信號進行采樣。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，102.4M的信號的數(shù)字帶寬為51.2M，如果要降為51.2M采樣率，則需要濾除一半的信號。這時一般使用半帶濾波器實現(xiàn)。半帶濾波器25.6M51.2M抽取不一定要做2倍抽取，像是對采樣率有要求的情況下有時還需要做非整數(shù)倍的抽取，相應(yīng)的濾波器形式也要變化，例如3倍抽取則需要濾除掉2/3的信號。常用功能設(shè)計降采樣如果我們需要得到中頻帶寬為20M的信號，對應(yīng)IQ的帶寬為10M，可接受的最低采樣率為20M，但是20M和102.4M的比值不是2的整數(shù)倍，實現(xiàn)較為復(fù)雜，所以選擇25.6M作為輸出的采樣率，對應(yīng)IQ帶寬為12.8M。這里其實可以直接用一個濾除掉3/4帶外信號的濾波器直接實現(xiàn)4倍的抽取，但是使用分級的方式可以降低資源的占用，因為采樣率高的時候資源占用也較多，所以希望能夠在高采樣率下做的處理越少越好。且半帶濾波器由于其系數(shù)的形式較為特殊，也比一般的濾波器更省資源，但只能做2倍抽取用。常用功能設(shè)計FFTFPGA中可以直接用模塊實現(xiàn)FFT運算，實現(xiàn)方式大體分為兩種，一種為連續(xù)，一種為單次。相對于單次，連續(xù)FFT運算同時進行數(shù)據(jù)的采集和運算，所以不會漏掉數(shù)據(jù)，但是耗費的資源至少是單次的4倍以上。FFT輸出經(jīng)過求幅度可得到功率譜，通過取對數(shù)可得到dB(m)為單位的功率譜。單次或是連續(xù)的FFT要根據(jù)實際速度要求來確定，一般來講優(yōu)先選擇單次的形式以節(jié)省資源（編譯時間、功耗等）。單次FFT連續(xù)FFT常用功能設(shè)計FFT反轉(zhuǎn)：FFT模塊輸出數(shù)據(jù)順序與實際情況有一定區(qū)別截?。狠斎霝?10~10M信號，F(xiàn)FT模塊輸出為-12.8~12.8M信號，需要截取掉一部分。翻轉(zhuǎn)：根據(jù)混頻情況決定，如果是高中頻則需要翻轉(zhuǎn)，否則不需要。8192點FFT分辨率3.125K正交形式求幅度差分轉(zhuǎn)單端取對數(shù)反轉(zhuǎn)、截取、翻轉(zhuǎn)常用功能設(shè)計數(shù)字掃描功能數(shù)字掃描就是將待掃描頻段按照中頻帶寬（一般情況下，如需要分辨率較高或資源限制可將帶寬適當降低）進行分段，對每段分別進行FFT計算（相當于中頻測量），并按照頻率將計算結(jié)果進行排列并顯示的功能。數(shù)字掃描-單頻點常用功能設(shè)計數(shù)字掃描數(shù)字掃描相當于多個中頻測量的疊加，每個頻段輸出一組FFT數(shù)據(jù)。采用單次FFT形式。2級降采樣到25.6M8192點常用功能設(shè)計數(shù)字掃描-時延分析由于換頻需要3ms，所以即使不做運算，僅做切換，極限速度為6.6GHz/S，所以掃描速度的瓶頸在換頻速度上。每個頻段總時延為3.7ms，則掃描速度=1/3.7*1000*20M=5.4GHz/S換頻3ms降采樣=25*10+25*2*10=0.75us采集時間=40*8192=328us計算時間=300us輸出時間=10*8192=82us常用功能設(shè)計數(shù)字掃描-掃描速度優(yōu)化每個頻段總時延為3.3ms，則掃描速度=1/3.3*1000*20M=6GHz/S常用功能設(shè)計頻段掃描功能頻段掃描就是按照步進對待掃描頻率范圍進行分段，對每一段單獨求取電平值，并按照頻率將各段的電平值排列顯示出來的功能。頻段掃描-單頻點常用功能設(shè)計頻段掃描與數(shù)字掃描的區(qū)別從實現(xiàn)上來看，數(shù)字掃描是按照中頻帶寬（20M）來進行分段，通過FFT來實現(xiàn)步進（RBW），頻段掃描則是按照步進進行分段，所以頻段掃描速度會相對較慢。原因有兩個：例如對于3K步進，數(shù)字掃描時只需要濾波20M然后進行FFT即可，頻段掃描則需要濾波到3K后才能進行計算，所以濾波時延要好幾個數(shù)量級；段數(shù)問題，同樣的100M掃描范圍，數(shù)字掃描按照20M只要分5段，而頻段掃描要分3萬多段，所以自然慢很多。常用功能設(shè)計頻段掃描的優(yōu)點頻段掃描雖然掃描速度較慢，但是由于分段分的比較細，所以對信號占用度的分析會更加精確，如果從頻譜圖上面來看的話就是有信號的地方和沒信號的地方差別會更明顯。數(shù)字掃描頻段掃描常用功能設(shè)計頻段掃描實現(xiàn)原理可以按照數(shù)字掃描一樣的做法來做，只不過數(shù)字掃描是2級降采樣到25.6M，這里需要15級降采樣。12級2次抽取到25K采樣率信道換頻/數(shù)字混頻僅在信道換頻調(diào)整8~32點取平均常用功能設(shè)計頻段掃描流程如果能量計算選用8個點，則對應(yīng)到AD輸入則為8×212個點，對應(yīng)時間則大約為0.3ms。則每0.3ms即可換一次頻率。15.6M15.625M…35.6M信道換頻15.6M信道換頻025K20M…無效0無效常用功能設(shè)計頻段掃描時延分析信道換頻3msAGC0.5ms一個20M中頻帶寬內(nèi)的800個25K信道由于濾波延遲，能量計算比AD輸入延遲較長時間對于每個20M中頻帶寬，信道換頻3ms，AGC為0.5ms，每個25K需要數(shù)據(jù)時間為0.3ms，800個25K信道則為240ms，則掃描速度實際為20MHz/243ms，即82M/S。常用功能設(shè)計頻段掃描速度優(yōu)化優(yōu)化后可省下?lián)Q頻和AGC的時間實際上，通過將AD數(shù)據(jù)先存起來，每個25K信道使用相同的AD數(shù)據(jù)進行混頻，則在進行計算的同時即可進行中頻信道的換頻，即可省下信道換頻和AGC的時間。不過對于25K的步進，由于換頻時間占總時間比重較小，所以速度改進不明顯。若步進較大，