（通信与信息系统专业论文）基于fpga的扩频通信芯片设计及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术和通信技术的突飞猛进，人们对通信的保密性能，抗干扰能 力的要求越来越高，而且对信息隐蔽、多址保密通信等特性提出了更高的要求。 这些要求的实现都离不开扩频通信技术的应用，而扩频通信芯片作为扩频通信 网络的核心器件，自然也成了研究的重点。本论文旨在借鉴国内外相关研究成 果，并以家庭电力线通信环境为背景，验证了一种c d m a 码分多址通信的实现 方案，并通过智能家庭系统展示了其应用效果。 本课题以构建家庭电力载波通信网络为目标，首先，以两块c y c l o n e 系列 f p g a 开发板为基础，分别作为发送单元和接收单元，构建了系统的硬件开发平 台；以q u a r t u s l i7 2 为开发环境，运用v e r i l o g 硬件描述语言，编写扩频模块和 解扩模块，并且进行了测试、仿真和综合，验证了通过专用芯片实现扩频通信 系统的可行性。应用方面，采用电力线载波通信芯片，提出了一种由智能插线 板和嵌入式网关构成的家电控制系统。用户通过w e b 方式登陆嵌入式网关，智 能插线板能够在嵌入式网关的控制下控制电器的电源、发送红外遥控指令，实 现对家电的远程遥控。使用两块f p g a 开发板，实现了扩频通信基本收发是本 设计得主要成果；将扩频通讯技术、嵌入式w e b 技术引入到智能家庭系统的设 计当中是本文的一个特点。 仿真和实验表明：采用电力线载波通信芯片组建家庭网络的方案可行，由 智能插线板和嵌入式网关构成的家电控制系统能灵活、便捷地实施家电控制， 并具有一定的节能效果。 关键字：f p g a ，c d m a ，嵌入式系统，w e b 服务器 a b s t r a c t a i o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n g a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l er e q u e s ts e c u r i t yp e r f o r m a n c e ，a n t ij a m m i n ga b i l i t y , i n f o r m a t i o nh i d i n g ，a n d m u l t i p l ea c c e s sp r i v a c yc o m m u n i c a t i o n s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nm e e t s a l l t h e s er e q u e s t sa n di n d i s p e n s a b l e ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nc h i p sa st h ec o r e d e v i c eo ft h es y s t e m ，b e c o m et h er e s e a r c he m p h a s i sa sw e l l t h i sp a p e rr e f e r e n c e st o t h er e s e a r c hr e s u l t sf r o md o m e s t i ca n da b o a r d ，a n dt a k et h ef a m i l yp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o na st h eb a c k g r o u n d ，p r o p o s e d ac o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s c o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m e ，a n dh a sd e m o n s t r a t e di t sa p p l i c a t i o nt h r o u g h a ni n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e m t h eg o a lo ft 1 1 i ss u b j e c ti st o c o n s t r u c tt h ef a m i l ye l e c t r i cp o w e rc a r r i e r c o r i u n u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hc d m a f i r s t l y , t a k e t w oc y c l o n es e r i e sf p g a d e v e l o p m e n tb o a r da st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a st h e t r a n s m i s s i o nu n i ta n dt h er e c e i v e u n i t u s eq u a r t u si i 7 2 a st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，u t i l i z i n gt h ev e r i l o g h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，d e s i g nt h et r a n s m i s s i o na n dr e c e i v em o d u l e t e s th a s b e e nc a r r i e do n ，t o g e t h e rw i t ht h es i m u l a t i o n b o t t o ml a y e rc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n a n dt h es y n t h e s i s ，a n dh a sr e a l i z e dt h e t ot h ea s p e c to fa p p l i c a t i o n ，a ne l e c t r i c a la p p l i a n c e s c o n t r o ls y s t e mw a s p r o p o s e d i nt h i ss y s t e m ，t h ee m b e d d e dg a t e w a ya n dt h ei n t e l l i g e n c ep a t c hb o a r d c o m m u n i c a t et h r o u g ht h ep o w e r l i n e t h e i n t e l l i g e n c ep a t c hb o a r dc a nc o n t r o lt h ep o w e r s o u r c ea n dt r a n s m i ti n f r a r e d r e m o t ec o n t r o ii n s t r u c t i o nu n d e rt h ec o m m a n d e rf r o mt h ee m b e d d e dg a t e w a y , t h e u s e r sl o gi nt h ew e bp a g eo ft h ee m b e d d e dg a t e w a y , i no r d e r t or e a l i z et h ee l e c t r i c a l a p p l i a n c e sl o n g d i s t a n c er e m o t ec o n t r 0 1 r e a l i z i n gt h ec d m a t r a n s m i ta n dr e c e i v e m o d u l eb yt w oc y c l o n es e r i e sf p g ad e v e l o p m e n tb o a r d si st h em a i na c h i e v e m e n t d e s i g na l li n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e m c o m b i n ew i t hp o w e rl i n ec o m m u n i c a t l o n ， e m b e ( 1 d e dw e bs e r v e r , i st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sa p p l i c a t i o n t h es y s t e mt e s ti n d i c a t e dt h a t ，b yu s i n gt h ee x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e s ，t h i s i n t e l l i g e n tf a m i l ys y s t e mc a l lc o n t r o l t h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e sc o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：f p g a ，c d m a ，e m b e d d e ds y s t e m ，w e bs e r v e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：貅日期：- 二盈垄幽伽瓯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 扩频通信技术概述 所谓扩展频谱通信，可简单表述如下i l j ：“扩频通信技术是一种信息传输方 式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是 通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数 据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。 这种通信方式与常规的窄道通信方式是的区别为：一是信息的频谱扩展后形成 宽带传输；二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大持点，使扩 频通信有如下的优点： 抗干扰； 抗噪音； 抗多径衰落； 具有保密性； 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率； n - i 多址复用和任意选址等。 常用的扩展频谱技术分为两种【l l ：直接序列扩展频谱系统( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 和跳频扩频系统( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 。亦有文献 称有另外一种扩频方式即扫频扩频通信( f r e q u e n c ys c a n n i n gs p r e a ds p e c t r u m ) ，此 种方式使用连续步进的载波频率来扩展频谱。 1 1 2 扩频通信技术的发展及应用 扩频技术是战争的产物。但它的起源可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，它是在 雷达技术的基础上发展起来的。当时由于战争的需要，同盟国和协约国都花了 相当大的力量来研究干扰和反干扰技术。大战结束后，扩频通信以其抗干扰能 力强，保密好，可靠性高等特点，受到美国等发达国家的极端重视，花了大量 的人力物力来研究和发展这种技术。1 9 5 1 年末2 1 ，美陆军通信协会要求麻省理 武汉理工大学硕士学位论文 工学院的林肯实验室为易受敌方干扰的远距离高频无线电电传通信研制一个 n o m a c ( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) 系统，经过的几年的研制，于 1 9 5 5 年由夕尔瓦尼亚电子防御实验室为美国陆军通信兵生产了名为f 9 c a 的样 机。 自5 0 年代美国军方开始对扩频通信技术研究后，其研究成果广泛应用于军 事通信、电子对抗以及导航、高精度测量等各个领域。直到8 0 年代末，美国f c c 才规划出了i s m ( i 业，科学，医疗) 频段即开放频段，并且可以由采用扩频通信机 制的商用通信使用。 随着其它学科的发展，扩频技术也有了进一步的发展。自2 0 世纪9 0 年代 至今，在国际上相继提出了各种混沌通信制式及其理论与方法。由此使混沌通 信成为现代通信领域的一个新的分支。其中混沌扩频更是其中的一个亮点。混 沌扩频研究的关键便是寻找具有良好特性的混沌扩频序列码。另外，混沌序列 可以由简单的映射得到，易于产生，而混沌随机性、遍历性使得混沌序列具有 良好的平衡性和类似高斯白噪声的自相关特性。利用混沌序列作为扩频码，对 提高扩频通信系统的性能，尤其是系统复用用户数、抑制用户间干扰等具有重 大意义。 由于扩展频谱通信技术具有很强的抗干扰性能、低功率密度隐蔽传输、信 息保密传输、任意选址等特点，在通信、测距、定位、控制等诸多领域使用时 都具有其独特优点，因而在国际上受到普遍关注而迅猛发展。 1 2 扩频芯片国内外研究现状 1 2 1 可编程逻辑技术的发展 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是诞生于7 0 年代初期的一 种新兴电子器件。7 0 年代初期利用b i p l o a r 工艺生产的p l a ( p r o g r a m m a b l el o g i c a r r a y ) 和1 9 7 8 年美国a m i 公司推出的p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 可以认为 是最早的p l d 器件。可编程逻辑器件使得用户可以自行设计、生产数字集成电 路。p l a 可以实现任何组合逻辑电路，有的p l a 中还包含寄存器，不仅可以实 现组合逻辑电路，还可以实现时序逻辑电路。但它是一次性编程器件，这是它 的一个缺点。 a l t e r a 公司p 1 于1 9 8 6 年推出f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，将p l d 2 武汉理工大学硕士学位论文 的发展推向了一个新高度。而像f p g a ，c p l d 和美国l a t t i c e 公司的p l s i i s p l s i 系列产品等，其等效门数都超过了5 0 0 门。这些p l d 称为高密度器件。 高密度p l d 器件集成度越来越高，其发展遵循半导体工业1 4 】中著名的摩尔 定律( 9 0i n t e l 公司创始人之一摩尔于1 9 6 5 提出的预测：i c 上可容纳的晶体管数 目，约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。已被事实证明) 。1 9 9 8 年的主流产品集成度约为1 3 万门，随后不久2 5 万门产品开始面世。a l t e r a ， x i l i n x 等主要的f p g a 公司现在都向市场提供超过一千万系统门的f p g a 系列产 品。 1 2 2 扩频芯片国内外研究现状 关于扩频芯片，国外不少的公司都早已推出了自己的产品。由于我国半导 体生产工艺以及设计水平的相对落后，在这方面目前起步较晚，北京的福星晓 程公司【5 1 2 0 0 0 年发布的电力载波芯片是为数不多的例子。国外主要的扩频芯片 供货公司有：h a r r i s ，a m i ，z i l o g 等。 h a r r i s 公司的h s p 3 8 2 4 ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mb a s e b a n d p r o c e s s o r ) 。它可以达到4 m b p s 数据速率，可以采用d b p s k 或者是d q p s k 调 制方式，而且在片上还带有i q 两路a d 转换器( 3 b i t ，4 m s p s ) 。 a m i ( a m e r i c a nm i c r o s y s t e m si n c ) 公司的扩频芯片5 x 0 4 3 在p n 码长为31 ， 3 mc h i p s s e c 时，能达1 0 0 k b p s 的数据速率，能够实现d b p s k 调制解调功能。 z i l o g 公司生产的z 8 7 2 0 0 直接序列脉冲调制解调芯片是全数字化芯片。该 芯片包括发送部分、接收部分和控制部分。z 8 7 2 0 0 将扩频通信收发主要电路的 各个部分都集成于一块芯片中。它具有智能化、可编程的功能，可在全双工和 半双工下工作。包括差分译码、调制器、p n 码发生器、数控振荡器、匹配滤波 器、数字下变换器、功率监测器、符号跟踪器、自动频率控制器及环形滤波器 等模块。 福星晓程公司的p l 3 2 0 1 芯片主要应用于电能表的检测等场合。具有如下特 点：内置电压电流有效值、相电压频率测量电路；内嵌增强型8 0 5 1 兼容微处 理器；内置扩频通信调制解调电路；内置可编程频率发生器电路；内置2 5 v + 8 电压源基准；内置串行程序存储器编程接口，支持在系统编程( i s p ) ： 弥亚微电子( 上海) 有限公司设计的m i 2 0 0 e 是一款专门针对低压电力载波 信道进行优化设计的高集成度、高性能的网络接口控制芯片。m 1 2 0 0 e 可广泛应 3 武汉理工大学硕士学位论文 用于电力、供水、供气等远程抄表( a m r ) 及能源管理领域。m 1 2 0 0 e 集成了载 波通信调制解调器物理层所需的所有部件，由低噪声放大器、可编程带通滤波 器、限幅放大器、过零点检测电路、全数字a c 同步检测锁相环路、s p i t m 接 口、d s p 运算模块、扩频调n 解调器、基带成型滤波器、前向纠错编码解码器、 c r c 一1 6 编解码、数字上变频下变频、数字功率放大器等部分组成。 m 1 2 0 0 e 是一个可工作于码分多址( c d m a ) 方式的半双工调制解调芯片。并 且提供载波侦听和有效帧指示信号，可方便地实现基于共享信道的网络接入协 议。内置高性能的l n a 以及可编程开关电容滤波器，大幅度地降低了输入滤波 器的要求，并可观地降低了b o m 成本；内置高效率、高性能的数字功率放大 器( d p a ) ，降低了系统功耗，简化了热设计，并使设计人员能够方便地设计出严格 满足谐波指标的产品；基于准确的低压载波信道模型设计，m 1 2 0 0 e 对开关电源、 日光灯镇流器、变频空调等多种对电力线通信影响最大的用电器作了优化设计， 确保在这些类型的用电器工作的时候仍然能够保持优良的通信能力；准确的市 电检测算法，避免了在电力线等效负载为极小值的时间段发送信号，有效减轻 了驱动放大器的负载并降低了整机功耗；专有技术的调制解调算法，针对低压 载波信道的时变性进行了优化设计，提供了更具鲁棒性的通讯性能；专有技术 的前项纠错编码( 编码速率1 2 ) 和调制解调方式有机融合；基于可变扩频因子 的自适应通信速率，在信道恶化时可降低通信速率以达到更高的通信可靠性， 在信道良好时，可达到更高的通信速率；8 个同步码分信道，可在不同台区之间 以码分的形式降低邻台区串扰，有效避免大范围应用p l c 时通信效率下降的问 题；内置全数字锁相环路，提供了对市电相位的高精度检测；所有对芯片进行 的设置、读写等操作均通过一个高速的s p i 接口完成；采用s o 2 4 封装，用户 大批量订货时( 大于5 0 0 k ) ，可按用户要求采用其他特殊封装形式。 这些扩频芯片的功能都很强大，m 1 2 0 0 e 是其中的代表。在使用时只需将控 制信息写入其控制寄存器中就可以对其功能实现控制，其外围电路也比较简单。 但m 1 2 0 0 e 也有很多a s i c 产品所固有的一些缺陷，比如它的大部分功能都已固 化，不利于系统以后的升级，因而缺少产品开发的灵活性。还有就是随着通信 技术和可编程器件的发展，以及越来越多的公司投入到i pc o r e 的开发来，使得 这类产品的市场在逐步减小，因此购买起来不仅有一定的困难，而且也得不到 相应足够的技术支持。另外目前国产此类芯片的应用场合还很有限，如在国防 军工项目中则基本上要选型完全由国外设计生产的芯片，从安全角度上来看有 4 武汉理工大学硕士学位论文 不妥。 1 2 3 基于e d a 技术的f p g a 应用前景 随着计算机性价比的提高及可编程逻辑器件的出现，对传统的数字电子系 统设计方法进行了解放性的革命，现代电子系统设计方法是设计师自己设计芯 片来实现电子系统的功能，将传统的固件选用及电路板设计工作放在芯片设计中 进行。从2 0 世纪9 0 年代初开始，电子产品设计系统日趋数字化、复杂化和大 规模集成化，各种电子系统的设计软件应运而生。 在这些专业化软件中，e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 具有一定的代表 性，e d a 技术是一种基于芯片的现代电子系统设计方法。它的优势主要集中在 能用h d l 语言进行输入、进行p l d ( 可编程器件) 的设计与仿真等系统设计自动 化上；2 0 世纪9 0 年末，可编程器件又出现了模拟可编程器件，由于受技术、可 操作性及性价比的影响，今后e d a 技术会向模拟可编程器件的设计与仿真方向 发展。 e d a 技术主要包括大规模可编程逻辑器件、硬件描述语言、开发软件工具 及实验开发系统4 个方面。其中，大规模可编程逻辑器件是利用e d a 技术进行 电子系统设计的载体硬件，描述语言是利用e d a 技术进行电子系统设计的主要 表达手段，开发软件工具是利用e d a 技术进行电子系统设计的智能化与自动化 设计工具，实验开发系统则是提供芯片下载电路及e d a 实验、开发的外围资源。 现场可编程门阵列f p g a 作为集成度和复杂程度最高的可编程a s i c 。是 a s i c 的一种新型门类，它建立在创新的发明构思和先进的e d a 技术之上。运 算器、乘法器、数字滤波器、二维卷积器等具有复杂算法的逻辑单元和信号处 理单元的逻辑设计都可选用f p g a 实现。f p g a 器件可以分为3 个部分：可编程 逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ) 、可编程i o 模块i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) 和可编程内部连接p i ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) 。c l b 在器件中排列为阵列， 周围环形内部连线，i o b 分布在四周的管脚上。 现场可编程门阵列f p g a 是含有大规模数字电路的通用性器件。这些数字 电路之间的互联网络是由用户使用更高级的软件来定义的。f p g a 可以进行无限 次的重复编程，从一个电路到另一个电路的变化是通过简单的卸载互联文件来 实现的，极大地推动了复杂数字电路的设计，缩短了故障检查的时间。 传统的数字逻辑设计使用t t l 电平和小规模的数字集成电路来完成逻辑电 5 武汉理工大学硕士学位论文 路图。使用这些标准的逻辑器件已经被证实是最便宜的手段，但是要求做些 布线和复杂的电路集成板( 焊接调试) 等工作，如果出现错误，改动起来特别麻烦。 因此，采用传统电子设计方案人员的很大一部分工作主要集中在设备器件之间 物理连接、调试以及故障解决方面。正是因为f p g a 的e d a 技术使用了更高级 的计算机语言，电路的生成基本上是由计算机来完成，将使用户能较快地完成 更复杂的数字电路设计，由于没有器件之间的物理连接，因此调试及故障排除 更迅速、有效。 f p g a 能进行无限次的重复编程。因此能够在相同的器件上进行修改和卸载 已经完成好的设计。在一个f p g a 芯片上的基本部件数量增加了很多，这使得 在f p g a 上实现非常复杂的电子电路设计变成比较现实。由于采用f p g a 的e d a 技术所产生的性价比更高一些，从而使得最近有多家公司开始采用这项技术，并 且这种增长趋势仍旧在继续。 f p g a 中的逻辑块是c l b ，逻辑块是指p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 芯 片中按结构划分的功能模块，它有相对独立的组合逻辑单元，块间靠互连系统 联系。f p g a 的逻辑块粒度小，输入变量为4 - - 8 ，输出变量为1 - - - 2 ，每块芯片 中有几十到上千个这样的单元，使用时非常灵活。f p g a 内部互连结构是靠可编 程互联pi 实现逻辑块之间的联接。它的互联是分布式的，它的延时与系统布局 有关，不同的布局，互联延时不同。根据f p g a 的不同类型，可采用开关矩阵 或反熔线丝技术将金属线断的端点连接起来，从而使信号可以交换于任意两逻 辑单元之间。 采用f p g a 技术集成设计数字电路产品最大的特点就是可以使设计和实现 相统一，无须前期风险投资，而且设计实现均在实验室的e d a 开发系统上进行， 周期很短，大大有利于现代产品的市场竞争需求，所以，f p g a 的应用设计，特 别适应于电子新产品的小批量开发，科研项目的样机试制以及a s i c 产品设计的 验证，能够进行现场设计实现、现场仿真及现场修改。 f p g a 所具有的无限次可重复编程能力，灵活的体系结构，丰富的触发器及 布线资源等一系列的特点使得它可以满足电子产品设计的多种需求。f p g a 的应 用领域主要集中在替换通用逻辑和复杂逻辑、重复编程使用、板极设计集成、 高速计数器、加减法器、累加器和比较器的实现、总线接口逻辑等方面。 基于e d a 技术的现场可编程门阵列f p g a 集成度高，结构灵活，设计方法多 样，开发周期短，调试方便，修改容易，应用领域极为广泛。面对科学技术高速发展、 6 武汉理工大学硕士学位论文 市场竞争十分激烈的现实，熟练的掌握e d a 设计技术，灵活巧妙的使用f p g a 至 关重要，其前景将是十分乐观的。 1 3 系统开发实现平台 1 3 1 开发语言v e r i l o gh d l 简介 v e r i l o gh d l 是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽 象设计层次的数字系统建模【8 。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单 的门和完整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述 中显式地进行时序建模。v e r i l o gh d l 语言具有下述描述能力：设计的行为特性、 设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延 和波形产生机制。所有这些都使用同一种建模语言。此外，v e r i l o gh d l 语言提 供了编程语言接口，通过该接口可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计， 包括模拟的具体控制和运行。它不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义 了清晰的模拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用v e r i l o g 仿真 器进行验证。语言从c 编程语言中继承了多种操作符和结构。v e r i l o gh d l 提供 了扩展的建模能力，其中许多扩展最初很难理解。但是，v e r i l o gh d l 语言的核 心子集非常易于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。 该语言最初是于1 9 8 3 年由g a t e w a yd e s i g n a u t o m a t i o n 公司为其仿真器产品 开发的硬件建模语言。那时它只是一种专用语言。由于他们的模拟、仿真器产 品的广泛使用，v e r i l o gh d l 作为一种便于使用且实用的语言逐渐为众多设计者 所接受。在一次努力增加语言普及性的活动中，v e r i l o gh d l 语言于1 9 9 0 年被 推向公众领域。o p e nv e r i l o gi n t e r n a t i o n a l ( o v i ) 是促进v e r i l o g 发展的国际性组 织。1 9 9 2 年，o v i 决定致力于推广v e r i l o go v i 标准成为i e e e 标准。这一努力 最后获得成功，v e r i l o g 语言于1 9 9 5 年成为i e e e 标准，称为t e e e l 3 6 4 1 9 9 5 。 完整的标准在v e r i l o g 硬件描述语言参考手册中有详细描述。 下面列出的是v e r i l o g 硬件描述语言的主要能力： 用户定义原语( u d p ) 创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组合逻辑 原语，也可以是时序逻辑原语。 开关级基本结构模型，例如p m o s 和n m o s 等也被内置在语言中。 可采用三种不同方式或混合方式对设计建模。这些方式包括：行为描述方 7 武汉理工大学硕士学位论文 式一使用过程化结构建模；数据流方式一使用连续赋值语句方式建模；结构化方 式使用门和模块实例语句描述建模。 o v e r i l o gh d l 中有两类数据类型：线网数据类型和寄存器数据类型。线网 类型表示构件间的物理连线，而寄存器类型表示抽象的数据存储组件。 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次。 设计的规模可以是任意的；语言不对设计的规模( 大小) 施加任何限制。 o v e f i l o gh d l 不再是某些公司的专有语言而是i e e e 标准。 人和机器都可阅读v e r i l o g 语言，因此它可作为e d a 的工具和设计者之间 的交互语言。 o v e f i l o gh d l 语言的描述能力能够通过使用编程语言接口( p l i ) 机制进一 步扩展。p l i 是允许外部函数访问v e r i l o g 模块内信息、允许设计者与模拟器交 互的例程集合。 设计能够在多个层次上加以描述，从开关级、门级、寄存器传送级( r 1 l ) 到算法级，包括进程和队列级。 能够使用内置开关级原语在开关级对设计完整建模。 提供强有力的文件读写能力。 1 3 2q u a r t u si i7 2 开发系统 a l t e r aq u a r t u s l i7 2 设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特 定设计需要，为可编程芯片系统( s o p c ) 提供全面的设计环境3 1 。q u a r t u s l i 软件 含有f p g a 和c p l d 设计所有阶段的解决方案( 见图1 1 ) 。 图1 1q u a r t u s i i7 2 设计流程图 1 3 3f p g a 芯片的选择 综合系统的资源需求，本设计采用了a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的e p i c 3 芯 8 武汉理工大学硕士学位论文 片。c y c l o n e 系列的现场可编程门阵列基于1 5 v 电压，0 1 3 m 全铜工艺s r a m ， 高达2 0 ，0 6 0 逻辑单元( l o g i ce l e m e n t ，简称l e ) 与2 8 8 k b i t s 的r a m 。因为带有 锁相环时钟与d d r 接口，此系列用在数据传输处理方面有很高的性价比。 c y c l o n e 系列支持多种i o 标准，包括速率高达6 4 0 m b p s 的l v d s ，与6 6 3 3 m h z ， 6 4 3 2 位的p c i 接口，并支持与a s s p a s i c 器件的接口。a l t e r a 同时提供低价的 配套串行芯片。 其中e p l c 3 是此系列中规模最小的一个型号，据设计前估算，e p l c 3 能够 满足需求，该芯片资源如下表( 表l 1 ) 所示： 表1 1e p l c 3 的资源列表 项目 数值 逻辑单元 2 ，9 1 0 m 4 kr a m 块( 1 2 8 x 3 6 位) 1 3 总r a m 位数 5 9 9 0 4 锁相环 1 可能的最大用户i o 脚数目 1 0 4 此外此芯片有两种封装，1 0 0 与1 4 4 脚，在设计中我采用的是1 4 4 的种类， 这两种封装的不同之处在于能够提供的用户引脚数目的不同与物理尺寸的不 同。在设计之后评估计算了资源利用率之后，发现1 0 0 脚的完全够用。 1 4 论文主要研究内容与思路 本论文所要完成的主要设计工作是验证通过专用芯片实现扩频通信系统的 可行性，并通过智能家庭的设计展示了其实用价值。本论文的主要工作内容如 下： 在广泛收集相关资料的基础上，熟悉和研究扩频通信理论及可编程逻辑设 计技术，特别是目前发展迅速的f p g a 开发技术。 完成整个系统的总体设计分析和各个模块的功能划分。 在q u a r t u s l i72 上完成各个模块的具体实现。 对设计进行时序和功能仿真，验证扩频通信的可行性。 使用成熟电力线载波通信专用芯片，设计智能家庭电力线通信网络。 9 武汉理工大学硕士学位论文 设计“嵌入式控制网关”和“智能插线板”硬件设备，构建智能家庭系统。 本论文研究的思路：对扩频通信系统的调制解调远离进行学习和研究，以 a l t e r a 公司的e p i c 3 系列f p g a 开发板为硬件平台，设计了c d m a 扩频通信芯 片的简易发送和接收模块，验证了采用专用芯片实现扩频通信的可行性。最终 使用成熟扩频通信芯片搭建家庭电力线通信网络，并设计“嵌入式控制网关”和 “智能插线板”遥控家电设备。 1 5 章节安排 本论文主要研究扩频通信芯片设计以及应用技术，分为5 个章节，全文安 排如下： 第1 章介绍了扩频通信芯片的研究背景、意义；提出应用f p g a 设计扩频 通信专用芯片的方案。 第2 章对扩频通信芯片技术方案的总体设计展开讨论，划分了设计的总体 模块结构，确定了系统达到的基本性能参数。 第3 章扩频通信的具体设计，发射、接收两个模块的设计，验证专用芯片 实现扩频通信系统的可行性。 第4 章提出了电力线载波通信芯片在以“家电电源控制”为代表的智能家庭 系统当中的应用。详细阐述智能插线板，嵌入式控制网关的软件硬件设计方法。 第5 章对全文所做的工作进行了全面的总结，并指出了存在的不足，提出 下一步需要研究和改进的问题。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章扩频通信芯片总体设计方案 2 1 系统基本原理 扩展频谱通信系统是指待传输信息的频潜用某个特定的扩频函数扩展后成 为宽频带信号，然后送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传 输信息的通信系统【1 6 1 。即在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们熟悉的 各种调制方式要求的带宽要宽的多。也就是扩频前的信息码元带宽远小于扩频 后的扩频码序n ( c h i p ) 的带宽。信息己不再是决定调制信号带宽的一个重要因素， 其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。一般常用的扩频函数是伪随机编码 序列。 扩频系统比常规的通信系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径 的能力。此外还具有信息隐蔽、低的空间无线电波“通量密度”及多址保密通信等 优点。下面是它的一些定性的分析。 首先，扩展频谱技术的理论基础可以用香农( c e s h a n n o n ) 信道容量公式来描 述： p c = w l 0 9 2 ( 1 + 习 ( 2 1 ) 式中：c 为信道容量( 用传输速率度量) ，w 为信号频带宽度，p 为信号功率， n 为白噪声功率 公式( 2 1 ) 说明，在给定的传输速率c 不变的条件下，频带宽度w 和信噪比 二是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下传输 n 信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为 扩频通信的应用奠定了基础。 其次，香农又指出：在高斯噪声的干扰下，在平均功率受限的信道上，实 现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白 噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱为： 厂 s ( c o ) = 寻，邶 缈 - b o o ( 2 2 ) z 其自相关函数为： 武汉理工大学硕士学位论文 肌) = 去) e j d 0 3 = 0 ( ，) 等 ( 2 - 3 ) 其中，缈：2 , r f ，f 为时延。 白噪声的自相关函数具有万( r ) 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。 但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今存在着许多技术上的困难。然而， 有许多易于产生又便于加工和控制的伪随机噪声序列，它们的统计特性逼近于 高斯白噪声信号的统计特性。 扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率 的公式： p o w ，= ( 寺) ( 2 4 ) ， ， 、一。7 其中：p o w j 为误码率，e 为信号能量，n 为噪声功率谱密度。 因为，信号功率p ：一e ( 1 - 为信息持续时间) ，噪声功率n = w n o ( w 为信号 丁 频带宽度) ，信息带宽 1 则( 公式2 - 4 ) 可化为： a f = 丁 p o r v j f ( z w 毒争叫专予( 2 - 5 ) 公式( 2 - 5 ) 说明，对于一定带宽f 的信息而言，用g p 值较大的宽带信号来传 输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠。亦即公 式( 2 - 5 ) 与公式( 2 一1 ) 一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。 总之，用带宽换取抗干扰性能就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 1 ) 处理增益g 也称扩频增益 它定义为频谱扩展前的信息带宽o f 与频带扩展后的信号带宽w 之比： g_古(2-6)断 在扩频通信系统中接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后 的带宽为 3 f 的信息，而排除掉宽频带w 中的外部干扰、噪音和其地用户的通 信影响。因此，处理增益g 反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 2 ) 抗干扰容限 是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： 鸠= g 一( ( 寺) 俐+ 厶) ( 2 7 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中：m j 为抗干扰容限，g 为处理增益，( 导) 州为信息数据被正确解调而 v 要求的最小输出信噪比，l s 为接收系统的工作损耗。 例如，一个扩频系统的处理增益为3 6 d b 要求误码率小于l o 5 的信息数 c 据解调的最小的输出信噪比( 书删 1 0d b ，系统损耗l s 5 3 d b ，则干扰容限m j 2 3 6 v ( 1 0 + 3 ) - - 2 3 d b 。这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高 2 3 d b 的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于2 3 d b 的环境下正常工作。 设某种伪随机序列周期为p ，且码元都是二元域 i ，- 1 ) 上的元，假设一个周 期为p ，码元为x 的伪随机序列x 的归一化自相关函数为： 足= 式中：j = o ，1 ，2 ，3 ，p 1 当伪随机序列码长p 取足够长或p 趋于无穷时， 上式可简化为： f1 ，当= o 时，( 模p ) 驴倍翔o 时( 模p ) ( 2 。9 ) 可以看到公式( 2 9 ) 中当p 足够长或趋于无穷时，该伪随机序列和白噪声信 号有类似的统计特性，也就是逼近于高斯信道要求的最佳信号形式。所以用伪 随机码扩展待传基带信号的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。 2 1 1 直接序列扩频系统 扩频通信系统一般分为两类，直接序列扩展频谱技术和跳频( f r e q u e n c y h o p p i n g ) 扩展频谱技术。本系统的实现中采用直扩系统。 直接序列扩展频谱系统的系统原理图见图2 1 ，数据源经过基带的编码器处 理后，系统使用由m 序列发生器产生的伪随机码( p nc o d e ) 对信息比特进行模2 加得到扩频序列，然后用这个扩频序列对载波进行调制，最后发射。p n 码的码 速比原始信息码速度高很多，每一p n 码的长度( 即c h i p 宽度) 很小。 1 3 p + ? 栅 咐 又 亡 咖 势 o 爿i 一 刈 当 ，j 翔 一i p + + 瓠 k p闽p闰 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 直扩系统原理图 直扩系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。在接收 端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由m 序列 发生器产生的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号， 然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。由于干扰和噪声与 伪随机码不相关，因此接收机的相关解扩相当于对其进行又一次扩频，将干扰 和噪声进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时使得解调器的输入 信噪比提高，从而提高系统的抗干扰能力。另外，由于不同构造的p n 码之间相 关性很低，使得不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息。码分多址 ( c d m a ) 就是采用这种机理区别不同用户的。 2 1 2 扩频信号解扩 对于常规数字通信，接收端有了相干载波，即可解调出基带