（通信与信息系统专业论文）电力载波扩频数传机的设计.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 配电网是电力系统电力发、变、送、配中最后一个环节，也是电网中最重 要和对用户最直接的一部分。配电网作为一个特殊的网络具有网络拓扑结构复 杂、高频衰减大、频响起伏严重、高噪声及负荷的多样性和时变性等特点。随 着配电网自动化程度的日 益提高，中低压电力线作为通信信道的需求变得日 益 突出。同时，i n t e r n e t 的突破进展带来了更大带宽的需求，而电信和电力市场的 开放为电力公司介入飞速增长得i n t e r n e t 业务提供了契机，若能够把配电网升级 为宽带接入网，将具有巨大得应用前景。 本文正是结合上述背景，对基于电力线网络的系统设计及其实现作了一些 研究和探索。论文分为两大部分。第一部分理论分析并系统仿真了电力载波扩 频数传机，对系统设计， 系统各级信号以及性能进行了分析，提出了适合于硬 件设计的方案。 第二部分在第一部分的基础上， 选择x i l i n x公司的系统级f p g a ( x c 2 s 1 0 0 ) 作为主要信号处理芯片，加上少量外围 器件，使用硬件描述语言， 使用流水线、自 顶向 下设计的 技术， 完成了 扩频数传机的 硬件设计。 在实现f i r 滤波器及相关器的时候，我们合理使用了串行计算和串行与并行结合的方法， 把大量数据存储在块r a m中，合理利用了芯片的资源。 本文第一章介绍配电网自 动化的发展和目 前的情况、本文研究的内容和课 题来源;第二章介绍扩频数传机的系统构成、实现原理以及各级信号分析，为 系统的实现打下良好基础。第三章介绍了电力载波扩频数传机的硬件实现，重 点介绍了f p g a的设计。 关键字:扩频，电力线通信 ( p l c ) , f p g a 电子科技大学硕十论文 abstract p o w e r l i n e i s t h e m o s t i m p o r t a n t a n d t h e l a s t p a rt o f t h e p o w e r - s y s t e m. wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o m a t i z a t i o n o f p o w e r l i n e , t h e r e q u ir e m e n t o f u s i n g t h e p o w e r l i n e a s a c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l t o t r a n s f e r t h e c o n t r o l - s i g n a l a n d d a t a b e c o m e s m o r e a n d m o r e u r g e n t . a t t h e s a m e t i m e , t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t r e q u i r e s m o r e b a n d w i d t h . u p d a t i n g t h e p o w e r l i n e t o t h e b r o a d b a n d n e t w o r k h a s a n u m b e r o f a d v a n t a g e s . a s a s p e c i a l n e t w o r k , i t s h o s t i l e c h a n n e l p r o p e r t i e s s u c h a s c o m p l e x t o p o l o g y , v e r y l o w i m p e n d e n c e , c o n s i d e r e d . s t r o n g n o i s e p o l l u t i o n , a t t e n u a t i o n a n d t i m e - v a r i a n c e m u s t b e b a s e d o n a b o v e b a c k g r o u n d , i n t h i s p a p e r , w e f o c u s i n a p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n ( p l c ) s y s t e m d e s i g n a n d i t s d e v e l o p m e n t . t h e r e a r e t o w p a rt i e s i n t h i s p a p e r . i n t h e f i r s t p a r t y , w e a n a l y s i s t h e s y s t e m i n t h e o r e t i c a n d s i m u l a t e d i t u s i n g s i m u l i n k , a n a l y s i s t h e s y s t e m d e s i g n , t h e s i g n a l a t e v e r y s t e p a n d i t s p e r f o r m a n c e , b a s e d o n i t w e p u t f o r w a r d a m e t h o d w h i c h i s s u i t a b l e t o r e a l i z e b y h a r d w a r e . b a s e d o n t h e f i r s t p a r t y , i n t h e s e c o n d p a r ty , w e s e l e c t e d s y s t e m l e v e l f p g a o f x i l i n x a s t h e m a i n s i g n a l p r o c e s s o r , u s i n g h a r d d e s c r i p t i o n l a n g u a g e , a n d u s i n g t o p d o w n m e t h o d , w e i m p l e m e n t e d t h e s p r e a d s p e c t r u m d i g i t a l t r a n s m i t m a c h i n e . i n i m p l e m e n t i n g f i r f i l t e r a n d c o r r e l a t o r , w e u s e t h e r e s o u r c e r a t i o n a l l y b y u s i n g m e t h o d o f s e r i a l a n d c o m b in e o f s e r i a l a n d p a r a l l e l , a n d s a v in g a l o t o f d a t a i n b l o c k r a m, . i n c h a p t e r o n e w e i n t r o d u c e t h e b a c k g r o u n d o f p l c . i n c h a p t e r t w o , w e d e s c r i p t t h e s y s t e m s t r u c t u r e , t h e t h e o r y o f r e a l i z a t i o n a n d a n a l y s i s o f e v e r y s t e p o f t h e s p r e a d s p e c t r u m d i g i t a l t r a n s m i t m a c h i n e . i n c h a p t e r t h r e e , w e d e s c r ip t t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s p r e a d s p e c t r u m d i g it a l t r a n s m i t m a c h i n e , e m p h a s e s o n t h e d e s i g n o f f p g a . k e y w o r d : s p r e a d s p e c t r u m , p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n , f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r y . 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知， 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己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名:日 期: 又 。 夺 年 多 月/ 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了 解电子科技大学有关保留、 使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁 盘， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权电子科技大学可以 将学位论文 的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名:导师签名: 日 期 : 又 辛 年3 月r 1 日 电子科技大学硕士论文 第一章 引言 1 . 1 对中低压配电网应用技术研究的意义 有关中低压配电网 ( 即中低压电力线网络)作为通信与自 动化信息传输介 质的研究意义主要表现在以下两个方面: 首先，8 0 年代以来，我国的电力工业得到了快速发展。9 0 年代中后期，电 力工业的发展重点由增加装机容量转变为加强电网建设。电力工业发展的这种 特殊性，使得我国 适合采用更先进的技术，从高 起点进行电网改造。目 前在我 国2 2 0 k v 及以上系统中运行的微机超过一万台，由1 0 0 0 多个基于分布式网络的 综合自 动化变电站投入运行，这些技术以其良好的可靠性，灵活性和可扩展性 为电力系统广大用户所接受。在信息时代来临的今天，我国正在进行大规模的 配电网改造建设，一批城乡电网改造工程正在兴建， 现代化社会和经济的快速 发展，用电负荷增加都会对供电 质量、供电可靠性、供电自 动化程度等提出更 高的要求。可以预见，基于信息技术的配电网自 动化将会得到广泛推广并发挥 巨大作用。 配电网长期以来只能采用手工操作进行控制，自9 0 年代开始逐步发展实现 了一批功能独立的孤岛自 动化，今后的发展趋势必然走向基于先进通信技术的 网络自动化。配电网自动化主要包括馈线自动化、自动制图、设备管理、地理 信息系统及配电网分析软件，它是配电自 动化的基础部分。与传统的孤岛自 动 化相比，基于信息技术的配电网自 动化的 特点在于以下3 点:大量的智能终端、 通信技术和丰富的后台软件。 其次，i n t e r n e t 的突破进展带来了更大带宽的需求，若能够把配电网升级为 宽带 接入网， 将具有巨 大的应用前景一这就是p l c 技术。 p l c是电力线通信技 术 ( p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ) 的 简称， 也被 称为p l t ， 是指从中 低压配电网( 3 5 k v 以下) 至用户室内电源插座2 2 0 v 电力线上实现高速数据和语 音通信的技术。 存中高压电力绘网络 ( 3 5 k v以上)利用电力线作为通信介质进行数据和语 电子科技大学硕士论文 音的传输已经由几十年的历史。 近年来随着i n t e r n e t 技术的飞速发展， 用户终端 的宽带接入技术成为了i n t e r n e t 普及的瓶颈之一，这就是所谓的 “ 最后一百米” 问题。而配电网是日前覆盖范围最广的网络，因此基于配电网的接入技术成为 目 前解决i n t e me t 普及瓶颈的最具竞争的技术之一。 1 .2 国内外研究现状 从配电网自 动化方面来看，西方国家开始较早，发展也较快，其发展大致 可以分为3 个阶段。第一阶段大约在7 0 年代，该阶段主要目 标是在重要线路实 现故障自 动隔离，进行自动抄表，并结合配电网改造的过程开展配电网自动化 的试点工作。第二阶段约在8 0 年代初期，配电自 动化大量投入，营业自 动化、 负荷控制开始发展。由于当时计算机技术条件的限制，故无法形成完整的计算 机网络控制系统，大部分为单项自 动控制系统。第三阶段约在8 0 年代后期，由 于微机和各种通信技术的发展，分布式实时网络的出现，从而可以将配电网中 单项自 动化功能的装置通过微机网络连接起来，使配电网综合自 动化成为可能。 而在国内，虽然配电网自 动化的观点很早就提出来了，但是由于种种原因其进 展缓慢。目 前，仅在电网实时监控及数据采集和变电站自 动化等有限的几个方 面有了一些实质上的发展。 就p l c技术而言， 若干年前国际上提出并进行了相应的研究， 尤其在德国、 美国等一些国家， 该技术都已 近于实用。同时国际 上对p l c专用芯片的研制也 取得了突飞猛进的发展。 美国的i n t e r l l o n公司的 1 4 m b i t / s 芯片已 经达到实用水 平。同时为了推进p l c的标准化工作，国际上成立了一些p l c组织， 但是至今 没有统一的国际标准。我国研究p l c技术起步较晚，但是发展较快。中国电力 科学院、深圳国电科技有限公司、福建省电力公司、清华大学等一些企业和单 位都对该技术进行过研究。但总的说来， 这些研究离实用还有一定距离。 1 .3 本文研究的具体内容、意义和课题来源 关于电 力线网 络特性和基于该网络的 应用技术的研究是一个范围很大的领 域。本文在教研室己有的关于电力线网络的信道特性的研究的基础上，结合扩 频通信体制的良 好的抗干扰性的特点，理论仿真并硬件实现了一种适用于配电 电子科技大学硕士论文 网的电力载波扩频数传机。 本文的研究及硬件实现过程对进行系统级可编程芯 片的设计具有一定的借鉴意义。 电子科技大学硕士论文 第二章 扩频数传机理论仿真及性能分析 2 . 1 系统构成 在诸多的基于电力线信道的扩频数传方案中 技术来抵消高噪声信道的影响，本系统也一样。 ，较为普遍的设计是采用扩频 在进行理论仿真和性能分析的 时候，涉及到的主要是系统的信号处理部分，其结构框图如图2 - 1 0 图2 - 1信号处理部分结构图 从图2 - 1 可以看出， 发送部分的信号处理主要包括三个部分: 基带数据扩频、 成形滤波和b p s k调制;而接收部分主要由 相关解调和判决两部分组成。 在发送端， 基带数字信号经与速率较高的p n码进行异或运算达到扩频的目 的。通过扩频，基带数字信号的频谱得以展宽。 扩频后的 信号仍然是数字信号， 如果直接用载波调制，则调制后的频谱较宽。成形滤波的作用就是把数字信号 进行滤波，使得其频谱适合于传输的带宽要求，同时达到消除码间千扰的作用。 信号经b p s k调制后实际上是对模拟信号的采样，经d / a转换后输出的是阶梯 波，通过模拟的低通滤波器滤除其高频镜像部分，信号就可以直接发送出去了。 在接收端，如果采用与发送相逆的过程，首先进行 b p s k信号的解调，则 电子科技大学硕士论文 由于信道质量不好，载波的同步恢复面临很大困难。所以在设计中，我们并没 有使用与发送端相逆的过程来解调出数据，而是根据扩频通信的特点， 信号直接进行采样 就解调出基带数据 ，然后进行相关运算，根据相关运算结果信号的波形 对接收 ，直接 2 .2 系统各模块工作原理 2 .2 . 1 发送端 2 .2 . 1 . 1 扩频模块 扩频模块的功能是将基带数字信号与p n码进行异或运算， 生成扩频数字信 号，实现扩频的目的。 在本模块的设计中涉及到p n码的选取问题。 最大长度线性反馈移位寄存器 序列、 g o l d 序列等都是常用的伪随机序列， 它们都满足伪随机序列的一般特性: 良好的伪随机性。即伪随机序列是按照预先确定的规律形成的，通信双方 能按照此规律把信号检测出来。但与此同时它具有随机序列类似的随机性，而 对于不知道规律的无关接收者，该信号具有类似于白噪声的特点。 良 好的自 相关性、互相关性和部分相关性，其自 相关峰尖锐、互相关和部 分相关值接近于 0 . 本系统的设计目的主要是通过使用扩频的技术达到提高系统的抗干扰能 力，但本系统的设计也同样考虑了在信道质量较好的情况下使用码分多址的方 法实现多路信号的同时传输。 所以在本系统的p n码选择的时候，必须考虑p n 码的自相关和互相关性，还同时考虑可选序列的数量。 m序列的自相关函数只有两种取值。自 相关函数定义为: p i t) 二 a 一 b公式 ( 2 - 1 ) 其中， a为序列与其i 次移位序列在一个周期内逐位码元相同的数目， b为 序列与 其i 次移位序列在一个周期内 逐位码元不同的数目 文献7 。以 特征多项 式为犷十 犷+ 1 的m序列为例，其自 相关函数如图2 - 2 。从图中可以看出:1 , m 序列的相关峰非常尖锐，且成周期性，其周期等于序列长度。2 、仅在位移为 0 电子科技大学硕士论文 特调制 字信号 本地载波 0 123 5 5 7 0 9 1 0 图2 - 8 b p s k调制示意图 2 .2 . 2 接收端 2 .2 .2 . 1 相关解调模块 通常情况下，相关器有如图2 - 9 的结构模型: 图2 - 9普通相关器模型 在图2 - 9 的 相 关 器模 型 中: x 为 输 入 信 号， y 为 计 算结 果的 相 关 值， 移 位寄 存器中的数据在时间上相差一个码片周期。 根据用于相关运算的p n码对应位是 0 或是1 ，确定使用图二中的上面或下面一路加法器，上面一路的和减去下面一 路的 和， 所得结果即y 就是当 前时 刻的 输入信号与p n码相关运算结 果。 当使用数字方式实现上述相关器时，由于移位寄存器的移位时钟为一个码 片周期，则整个运算为每个码片周期运算一次，相应的信号输入的采样率等于 p n码的比 特率。对于我们要考虑的系统， 如果己 经完成了b p s k解调，并且码 片己 经同步，则可以使用上面的方法。但对于还没有进行 b p s k解调的情况， 电子科技大学硕士论文 使用图2 - 9 的方式不能正确工作。 考虑b p s k调制的特殊性:b p s k调制也可以 看成抑制载波的双边带调制， 同时载波的频率应是p n码频率的整数倍 ( 在这里等于p n码频率) ，也就是说， p n码的周期也是载波的一个周期。 根据这样的周期特性， 我们采用如图2 - 1 0 的 相关器: 图2 - 1 0改进后适用于本系统的相关器 在图2 - 1 0 中， 用于相关计算的序列与图2 - 9 一样， 其序列间延时为1 个p n 码码片周期。不同的是， 在图2 - 1 0 中， 信号的采样率为p n码比 特率的k 倍 ( k 的取值会影响系统的性能，根据实际情况可改变k 的取值) 。当k 取无穷大时， 图2 - 1 0的结果就变成了模拟相关器。 事实上，图2 - 1 0 的模型是模拟相关器的数 字化，在特定的情况下 ( 中频不高) ，我们借鉴模拟相关器的原理，使用数字方 法实现的一个相关器。通过在我们的系统中引入这样一个数字相关器，使得我 们设计的扩频数传机能比较容易地完成解调的功能。 2 .2 .2 .2 判决模块 由 于没有进行 b p s k解调，而是对接收信号直接进行相关运算，所以 本系 统的判决模块不是简单的门限判决。当不考虑信道干扰时，相关器的输出实际 上可以理解为发送端扩频信号先进行相关运算与载波进行乘法运算。图2 - 1 1 是 特征多项式为犷+ x 十 1 的本系统的扩频、调制、解扩后的波形。从图中可以 看 出，对于本应出相关峰的地方，出现了正弦波或其反相。对于这样的结果，一 种方式是使用匹配滤波器进行匹配滤波，生成相关峰，然后进行门限判决，另 一种方式是用窗口进行波形搜索。在本系统的 m a t l a b仿真的时候对两种方法都 电子科技大学硕士论文 进行了研究，而在硬件实现的时候考虑到本系统没有自 动增益控制，采用了第 二种方法。 : 口万 下 不 下下 万 丁 下 万 下 而下 丁 下 丁 下 下 不 n万 下 下 下 万 下 下 下 丁 下 下 下 万 下 习 6 0 0 6 0 5 6 1 0 6 1 5 6 2 0 6 2 5 图2 - i 1 特征多项式为扩+ x + l 的信号经本系统后相关器输出 波形 使用窗口 进行波形搜索的方法， 来源于对相关器输出波形的观察。 从图2 - 1 1 可以看出，如果我们从一个相关峰出发，在其前后一段时间内 ( 比如，前后半 个基带数据码元宽) ，该相关峰处出现该范围内的最大值与最小值，并且他们之 间有相对固定的相位关系。我们正是处于这样的观察，才使用了窗口 进行波形 搜索。 2 .3 系统建模 基于前面关于本系统的介绍，我们利用ma t l a b 的s i m u l i n k 模块建模，对系 统的信号处理部分进行全面模拟与性能测试。考虑系统的可实现性，在建模过 程中尽量使用和硬件实现一样的算法。 2 . 3 . 1 系统结构 在前面的章节里，我们对系统的结构及相应模块进行了详细的介绍。在 s i m u l i n k 里的系统结构和图2 - 1 基本一致， 如图2 - 1 2 。 随机产生的二进制序列经 过扩频模块扩频后，通过脉冲成形滤波器成形滤波，然后进行 b p s k调制。对 于模拟部分，我们没有进行仿真，信号在b p s k调制后直接上信道。在接收端， 信号首先进行相关解调，然后送入判决模块进行判决，判决后的数据与发送端 的数据进行比较，以实现误码分析。 电子科技大学硕士论文 第三章 扩频数传机的实现 3 . 1 系统构成及器件选型 3 . 1 . 1 系统构成 根据第二章对系统的分析，我们得到图3 - 1 的系统结构图。 图3 - 1系统结构图 从图中 可以 看出， 第二章中描述的 所有功能都在f p g a中 完成。 其中b p s k 调制后的信号首先经d / a转换，输出为阶梯波。为了滤除阶梯波中的高频谐波 成份，我们在d / a之后加了一个截止频率为5 3 0 k h z的二阶低通滤波器。然后 通过一个可调放大器输出。在接收端，输入的模拟信号经一个放大器放大后通 过a / d采样， 送入f p g a中， 在f p g a中实现相关解调、门限判决等功能。同 时， f p g a还要实现数字接口的功能，在这里我们实际实现的是比 特率为 9 6 0 0 的异步串行通信的的数字接口。 除此之外， f p g a还要实现诸如缓冲、 流控等功 育 旨 。 3 . 1 .2 器件选型 3 . 1 .2 . 1 f p g a的选型 在整个设计中， f p g a完成的功能最为复杂， 所以 我们对f p g a的要求比 较 高。 但与此同时，为了节约成本，我们应在能完成所须功能基础上，选择性价 电子科技大学硕士论文 比高的芯片。生产 f p g a的厂家很多，如 x i l i n x , a l t e r a等，我们选择了 x i l i n x公司的产品。 表3 - 1 和3 - 2 分别列出了x i l i n x公司的s p a r t a n 和s p a r ta n i i 系列f p g a的资源情况。 在我们设计实现的算法中，涉及到大量的数据存储 ( 在后面的设计分析中 有详细说明) 。要实现这些数据存储仅靠f p g a中的寄存器资源是远远不够的。 在s p a r t a n 和s p a r ta n 1 1 中 都 有r a m资 源， 但不同的 是， 在s p a r t a n 系列中， r a m 的实 现是使用逻 辑资 源来实 现的 分布r a m， 而在s p a r t a n 1 1 系列中除了 提供分 布 r a m 外，还提供了大量的块 r a m，为我们数据的存储提供了很大的方便。与 此同时，s p a rt a n 1 1 系列f p g a中还有数字延时锁相环， 通过使用它， 我们可以 实现倍频的功能，从而降 低p c b板上的时钟。 表3 - 1 s p a rt a n 系列资 源表 de v i c e l o g i c ce l l s ma x s y s t e m ga t e s t y p i c a l g a t e r a n g e ( l o g ic a n d r a m ) c l b ma t r i x no . o f f l i p - fl o p s ma x . av a i l . us e r 1 / o to t a l di s t r i b u t e d r a m b i t s xcs 0 52 3 85 , 0 0 02 , 0 0 0 - 5 , 0 0 0 1 0 x 1 03 6 07 7 3 , 2 0 0 xcs i o4 6 6 1 0 , 0 0 03 , 0 0 0 - 1 0 , 0 0 0 1 4 x 1 46 1 61 1 26 , 2 7 2 xcs 2 09 5 0 2 0 ,0 0 07 , 0 0 0 - 2 0 , 0 0 0 2 0 x2 0 1 , 1 2 0 1 6 01 2 , 8 0 0 xcs 3 01 3 6 8 3 0 , 0 0 01 0 , 0 0 0 - 3 0 , 0 0 0 2 4 x 2 4 1 , 5 3 6 1 9 2 1 8 , 4 3 2 xc s 4 01 8 6 2 4 0 , 0 0 01 3 , 0 0 0 - 4 0 , 0 0 0 2 8 x 2 82 , 0 1 6 2 2 4 2 5 , 0 8 8 表3 - 2 s p a rt a n i l 系列资源表 de v i c e l o g i c ce l l s 匀s t e m g a t e s ( l o g ic a n d r a m) cl b a r r a y ( r x c ) ma x i mu m av a i l a b l e us e r 1 / 0 t o t a l di s t r i b u t e d r am bi t s t o t a l bl o c k r am bi t s xc 2 s 1 54 3 21 5 , 0 0 0 8x1 28 6 6 , 1 4 4 1 6 k xc 2 s 3 0 9 7 2 3 0 , 0 0 0 1 2 x 1 81 3 2 1 3 , 8 2 4 2 4 k xc2 s 5 01 , 7 2 8 5 0 , 0 0 0 1 6x2 41 7 6 2 4 , 5 7 6 3 2 k xc2 s 1 0 0 2 , 7 0 01 0 0 , 0 0 0 2 0 x3 01 9 6 3 8 , 4 0 0 4 0 k xc2 s 1 5 0 3 , 8 8 81 5 0 , 0 0 0 2 4x3 62 6 0 5 5 , 2 9 6 4 8 k xc2 s 2 0 0 5 , 2 9 22 0 0 ,0 0 0 2 8 x 4 22 8 4 7 5 .2 6 4 5 6 k 为了达到合理利用系统资源的目的，在进行硬件设计时，我们并不是盲目 地选择资源多的芯片， 而是先进行f p g a的编程及仿真，在完成功能的前提下， 在 p c b制作前首先对所须资源进行估计。当然， 对于不同的f p g a ，在进行编 程时是有所不同的。比 如， 如果在编程时用到了 块r a m， 就不能 用 s p a r t a n系 电子科技大学硕士论文 列的 芯片。 根据我 们前 面的 分 析， 我 们把选择范围 初步选择 在s p a rt a n 1 1 系列 上。 表 3 - 3列出了我们在完成编程、综合、仿真、实现后的能实现预期功能的各种 型号 f p g a的部分资源使用情况。从表中可以看出，我们需要的资源最少的芯 片是x c 2 s 3 0 v q 1 0 0 - 5 ， 其对于资 源的利用率最高。但同时 我们也看到， 如果使 用这款芯片，则我们的系统几乎没有可扩展性，任何小的改动都可能引起资源 不够用。所以，为了实现系统的可扩展性，在这里不宜使用这款芯片。比较合 理的 选择是x c 2 s 5 0 t q 1 4 4 - 5 ， 但由 于市场上该款芯片卖的比 较少， 最终我们选 择了表中的第三款。可以看出，使用这款芯片我们的系统的余量比较大，便于 系统的升级。 表3 - 3各种型号f p g a部分资源使用情况 bl ockrams s l i ces 总数使用数总数 使用数 x c 2 s 3 0 v q 1 0 0 - 5 654 3 24 3 0 x c 2 s 5 0 t 叼1 4 4 - 5 85 7 6 84 7 3 x c 2 s l 0 0 p q 2 0 8 - 5 1 051 2 0 04 7 3 3 . 1 .2 .2 系统其他器件的选型 根据系统设计的要求， 本系统中d / a . a / d的 采样率为2 , 3 8 0 , 8 0 0 h z ，普通 的d / a. a / d器件无法满足采样要求， 所以必须选用高速器件。 在这里， 我们选 用的ma x i m 公司的ma x 5 1 8 4作为本系统的d / a转换芯片，选择 ma x 1 4 2 6 作为a / d采样芯片。 其中m a x 1 4 2 6 的采样率最高可达 l o mh z ，而m a x 5 1 8 4 的采样率可达4 0 mh z ，其采样率完全能满足我们系统的要求。同时，这两款芯 片都有内部参考电压，使用内 部参考电 压使得我们的硬件电路可以 进一步简化， 提高设计成功的可能性。 由于系统模拟信号的频谱范围大约为1 0 0 - 5 0 0 k h z ， 所以在模拟信号处理时 选择的运算放大器中必然不能选用普通的音频运算放大器。为了器件的一致性， 我们在制作滤波器和放大器的时候都使用的l m3 1 8 视频运算放大器。 为了实现与计算机串口 的 接口， 我们使用了m a x 2 0 2 作为t t l与r s 2 3 2 电平的转换接口芯片。 在上 面的器件中， f p g a须使用2 . 5 v和3 . 3 v两种电 源， m a x 5 1 8 4 使用3 . 3 v 电 源， ma x 1 4 2 6 和 ma x 2 0 2 使用 5 v电源， 而l m3 1 8 使用正负5 - 2 0 v 。 我们考 电 子科技大学硕士论文 虑使用外部供正负7 v直流电源，该电 源可直接作为运算放大器的电源。同时， 在p c b上使用一块l 7 8 0 5 ， 把7 v降到5 v， 使用两块l m3 1 7 分别把7 v降到3 .3 v 和 2 . 5 v。这样，就只需要外部输入一路正负7 伏电源。 3 . 2 f p g a设计实现 从第二章的分析可以看出，我们本次设计的主要工作，是 f p g a的设计。 为了使得最终的设计能满足系统对频率的要求，我们在设计时使用了流水线的 技术。同时为了便于在编程时有一个明确的思路， 我们采用了自 顶向下的设计 方法。 3 .2 . 1 f p g a的顶层结构 参照第二章对信号处理部分的分析，结合实际系统设计要求，我们得到图 3 - 2 所示的f p g a的顶层结构图。 图3 - 2系统顶层结构图 从图中可以看出，系统顶层由 7大模块组成。 其中时钟模块对输入的时钟 信号进行倍频、分频等处理，产生系统所须的各种时钟信号;串口模块完成异 步串口 通信的功能;数字输入模拟输出 模块完成从串口 模块取得数据、转换成 串行格式，送往模拟输出模块的功能;模拟输入数字输出模块完成把模拟输入 解调后的基带数据转换成字节然后送往串口发送的功能;模拟输出模块完成基 带数据的扩频、脉冲成形滤波、调制、输出到d / a的功能;模拟输入模块完成 模拟信号采样、 相关解调以 及判决，恢复出 基带数据的功能;同步模块完成在 系统启动时的同步工作。 电子科技大学硕士论文 块r a m来实现双口r a m， 以 便于实现f i f o 。 整个串口 模块使用这四 个模块作 为元器件模块，仅加入少量的逻辑控制，就完成了串口 模块的设计。 3 .2 .4 数字输入模拟输出模块 本模块完成并行字节数据向基带数据的转化。由于在通信中，发送和接收 都是以b i t为单位，而字节数据是以b y t e为单位，这里就有一个数据成帧的 问题，也就是如何区分哪些 b i t构成一个 b y t e的问题。由于数字接口是用的 异步串行通信协议，我们在这里也考虑借用异步串行通信协议，即:当没有数 据发送时，发送 1 ，当有数据须发送时，首先发送一个 o b i t作为起始位，然后 从低到高依次发送一个字节的各b i t ，最后发送一个 i b i t作为字节结束标志。 在这里，转换过程与串口发送过程一样，不同的是:串口发送模块是被动 接收数据，而本模块主动检测串口接收缓冲区是否有数据，如果有，则进行一 次转换，转换完成后再进行下一次检测。由于系统初始化，同步等问题，本模 块转换后的数据并不是直接送入扩频模块，而是送入同步模块，由同步模块决 定是发送初始化握手数据还是这个模块输出的数据。 3 2 . 5 模拟输入数字输出模块 本模块首先对输入模拟信号相关解调、判决后的 b i t数据根据协议还原成 字节数据，然后存入缓存，同时，对串口 发送模块的状态和缓存进行检测，如 果串口发送器空闲并且缓存中有数据，就从缓存中取一个字节送入串口，以实 现数字口的输出。 本模块由三个子模块组成，如图3 - 1 0 所示。 图3 - 1 0模拟输入数字输出模块结构图 电子科技大学硕士论文 图3 - 2 9比 特产生模块流程图 对流程图的一些说明是: 状态主要用来启动一次新的搜索，当状态为0 时， 输出判断的数据，并设置状态为1 ，启动下一次搜索， 最大值前、后采样点数能 准确表示在本次搜索中，目 前窗口 中的最大值的位置， 最小值前后采样点数有 相同的功能。 通过这样的一个时序电路，我们就从相关器输出的数据中判断出了基带数 据的0 和 t o 3 .2 .8 同步模块 对于我们设计的 系统， 对使用者而言， 提供的 是9 6 0 0 b p s 的 异步串 行接口 ， 电子科技大学硕士论文 但是作为扩频数传机之间，应该有一定的握手协议。我们不可能要求通信双方 完全同时开机，总会有一个比另一个先开。在信道干扰严重的情况下，先开的 机器并不是不接收信号，而是接收大量干扰信号，如何排除这些干扰信号，以 及如何判断对方是否己经开机，这就需要有一定的规则。 在这里，我们要解决的问题是:确定对方已经开机并正常工作。在这里， 共有两类信号:1 、告诉对方自己在工作;2 、告诉对方己经知道它在工作。当 完成这两类信号的通信后，握手也就算完成了，这时候我们的扩频数传机就可 以承载业务了。 首先，告诉对方自己在工作，我们设计的是在系统复位后，其基带数据发 送全 0 。当然，任何一方在开机发送该信号的同时，也在检测自己的接收，看对 方是否在工作。我们用于判断对方是否在工作的方法并不是检测基带数据是否 全0 ，而是采用这样的原理: 如果对方没有发送， 则我方收到的信号主要是干扰 信号，其相关解调后的波形与有信号时相差很大，经过我们的判决模块后的比 特产生模块产生的比特时钟将很不稳定。所以我们采用了一个计数比较的方法: 对发送和接收比特时钟进行计数，当发送时钟计数到 1 0 0时把接收比 特时钟计 数器进行比较，如果其值在9 6 - 1 0 4之间，我们认为该次比较成功，输出 1 ，否 则输出0 。如果有 1 0 0 次这样的 1 输出，我们就认为对方己 经开机。 其次，在确认对方己开机的情况下，需要告诉对方，自己己经知道对方已 经开机。由于我们的基带数据在正常情况下借用了异步串行通信的协议，所以 其值不可能为全 0( 这也是为什么我们开始发送全 0 ) 。这样，我们在确认对方 己开机后就把实际应该发送的数据发送给对方。当然，这个时候，对方一定是 开机的，如果它还没有确认我方是否开机，这样的信号改变对其工作没有影响， 过一定时间后对方就应该确认我方已经开机，它也随之发送实际应该发送的数 据过来。这时，我方接收到的数据将有非0 。所以，我们在这里的处理方式是: 在已 经确认对方已开机的情况下，如果接收到1 0 个以上的非0 数据，则认为对 方已经知道我方己开机。这样，就完成了开机时的握手。 本模块由一个a s s i g n 块和5 个a l w a y s 块并行执 行完成， 分别叙述如下: a s s i g n 块是组合逻辑电 路， 相当于一个数据选择器， 当 接收状态信号为1 时 ( 表示接收已同步，对方己经开机) ，把输出的数据选择为实际需要发送的数据 电子科技大学硕士论文 送到扩频模块，否则送全0 到扩频模块。 第一 个a lw a y s 块实际 是一个分频 器， 它 对发 送数 据时 钟进行1 0 0 分频， 对 发送时钟而言，输出9 9 个时钟的低电平，、 一 个时钟的高电平。 第二个a l w a y s 块是一个计数器， 它把第一个模块输出的高电平信号作为复 位信号，对接收数据时钟进行计数。 第三 个a l w a y s 块在第 一个 模块输出 高电 平的时 候把第二 个模块的 计数值进 行比较， 如果第二个模块的计数器输出 在9 6 - 1 0 4 之间， 我们认为该次比较成功， 否则失败。 第四 个 a lw a y s 块在第一个模块输出高电 平时 对第三个模块的 输出 进行比 较，如果有 1 0 0 次以上成功的话，认为对方己经开机，把接收状态信号 设为l a 否则接收状态信号设为0 . 第五个 a lw a y s 块完成确认对方已 知道我方己 开机的功能。在每个接收数据 时钟到来时，我们对接收到的数据和接收状态信号进行判断，如果接收状态信 号为 1 并且接收数据为 1 ，其计数值加 1 。当计数值不小于 1 0时，不再改变计 数值， 发送状态信号设置为1 ， 认为对方已经知道我方已 开机。 至此， 整个开机 握手完成。 3 .3电路设计 f p g a主要完成信号处理的工作， 为了系统最终实现， 我们必须设计电路板。 把f p g a和其外围芯片安装在p c b板上，通过最终的电路调试，我们的设计才 算完成。 电 路板的设计通常需要两大步:1 、原理图设计; 2 , p c b板设计。 3 .3 . 1 原理图设计 根据我们的设计要求，我们在设计原理图时采用了自 顶向下的设计方法。 我们把整个电路分成4 个子模块电路， 顶层电 路完成各模块电路间信号的连接， 4 个子模块电路分别为:电 源电路、串口 接口电路、模拟部分电路、配置电路。 顶层电路及各模块电路原理图见附图一一 附图五。 电子科技大学硕士论文 3 . 3 2 p c b板设计 在完成原理图的设计后，可以根据原理图直接生成网络表。然后就可以进 行 p c b板的设计。 原理图表示的只是各器件的连接关系，生成的网络表也一样。由于我们设 计的p c b板是混合电 路的， 上面既有数字信号也有模拟信号， 所以 在进行p c b 板设计的时候，要特别注意信号间的相互干扰。 对于数字信号而言，我们板上最高的频率为2 5 mh z ，此频率为时钟信号 数字电 路中所有频率较高的信号都在f p g a内部， 在p c b板上，除时钟信号外 就是采样时钟频率最高，频率约为 2 .3 8 mh z ，对于这样的数字电路，我们不需 要考虑信号完整性问题。 但是，由于有模拟电 路的存在，为了减少数字电路中 高频信号对模拟电路的影响，我们的所有频率较高的数字信号在布线时都使用 尽量短的线，同时尽量远离模拟电路。 混合电路设计的另一个问题就是模拟电路和数字电路的共地问题。通常情 况下，混合电路的共地措施有多种处理方式， 在我们的板上，采用的是把 p c b 板分成模拟电路区和数字电路区，两区交接处为a / d和d / a芯片。同时，采用 大面积铺地的方法，尤其在模拟区和数字区交接处我们保证了地的连续性，使 得信号的回路尽量短，以 减小信号间 干扰。 最终的p c b 板图 见附图 六。 3 . 4系统功能测试 在完成 f p g a的设计以及硬件调试后，我们对系统功能进行了测试。在测 试中，由于通信信道中没有加入定量的干扰，所以我们没有进行误码率的测量， 而是主要看我们的系统是否能正常地完成通信功能。 我们进行了三种方式的测试:单数传机自 环测试、双数传机远端环路测试 以及双数传机多址干扰自 环测试，如图3 - 3 0 . 电子科技大学硕士论文 单数传机自环测试 双数传机远端环路测试 双数传机多址干扰自 环测试 图3 - 3 0系统功能测试示意图 在p c机上， 我们使用串口 测试程序，比较发送和接收的数据。 在单数传机 自 环测试和双