（机械电子工程专业论文）fpga在数字调频激励器中的应用和研究.pdf

四川大学硕士学位论文f p g a 在数字调频激励器中的应用和研究机械电子工程研究生刘永清指导教师韩震宇随着科学技术的飞速发展，广播技术也随之迅速发展。广播已经从调幅、调频广播发展到了第三代的数字音频广播，而广播的数字化也正是当今广播技术的发展趋势。对数字调频激励器的研究无论是对加速广播数字化的进程还是推广调频同步广播都有着重大的意义。当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路已经从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路( v l s i c )逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。现场可编程门阵列( f p g a ) 是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在数字调频激励器基带信号处理部分的设计中，充分利用f p g a 在逻辑控制以及快速并行地进行数字信号处理的优势，在系统实现的方便性、接口设计的灵活性、开发周期、成本等方面都有着重大的意义。论文讨论的主题是f p g a 在数字调频激励器中的应用。首先介绍了f p g a基本结构以及设计方法，并从分析数字调频激励器的系统构成出发，分析了f p g a 在系统中所承担的工作，选择了f p g a 的具体型号；然后详细说明了使用f p g a 实现直接数字频率合成( d d s ) 的基本方法，并在此基础上介绍了立体声复合基带信号合成和数据广播调制的f p g a 实现。在研究数字上变频器( d u c ) 结构和功能的基础上，介绍了直接数字调频( d d 刚) 的原理，并设计出了合理的多倍内插器，基于正交调制技术和d d s 技术实现了d d f m 。对于系统中通信接口的设计，详细介绍了f p g a 与d s p 两种通信方式的实现和四川大学硕士学位论文i ，a r t 模块的设计。f p g a 设计是在q i 】a n u s i i 设计工具中使用原理图( s c h 锄a t i c ) 输入和硬件描述语言( d l ) 输入对f p g a 进行编程的方法，同时也结合m a t l a b d s pb u i l d e r 进行辅助设计，设计结果不仅在q 叮a r h j s 作了仿真，同时也利用了m a t l a b 工具进行了更直观的数据分析。论文最后给出了在设计过程中遇到的问题和积累的经验。关键词：数字调频激励器f p g ad d sf s kd d f m2四川大学硕士学位论文a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho ff p g af o rd i g i t a lf me x c i t e rs p e c i a l 哆：m e c h a t r o i l i c sp o s t g r a “a t e ：y 0 n g q i n gl i us u p e 蹦s o r ：z h e n ) mh a nw ：i t ht h er a p i da d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g 弘b r o a d c a s tt e c h n 0 1 0 9 yh a u sa l s ob e e n伊e a t l yd e 、r e l o p e d b r o a d c 硒th a s1 1 l nt ot h em i r dg e n e r a t i o nb r o a d c a s t d a bf r o m触a n df mb r o a d c a s t ，a n dt h eu s i n go fd i g i t a lt e c h n o l o g yi st h ed e v e l 叩吼e n td i r e c t i o no fb r o a d c a s t s oi ti sv e 巧s i g n i f i c a t i v et or e s e a r c hd i 西t a le x c i t e rn o to n l yf o ra c c e l e r a t i n gt h ed i g i t a lp r o c e s so fb r o a d c a s t ，b u ta l s of o rp o p u l 撕z i n gf ms y n c h r o n i z a t i o nb r o a d c 猫t n o w a d a 咿，d i g i t a ls i 弘a 1p r o c e s sa 1 1 di n t e 刚e dc i r c u i ta r e 印p l i e dw i d e l y d i 西t a li ch a sm nt oa s i cf r o mr a d i ot l l b e ，t r a n s i s t o r ，s s i c ，m s i ca n dv l s i cs t 印b ys t e p f p ( 认a p p e a r s 嬲ak i n do fs e m i c u s t o m 血e 伊a t e dc i r c i u i t si na s i cd o m a i n ，w 1 1 i c hr e s 0 1 v e sm ed i s a d v a n t a g e so fc u s t o mi n t e 伊a t e dc i r c u i ta n dq u o n d a mp l d ht h eb a s e b a n ds i 弘a 1p r o c e s s sp a r to fd i 百t a lf me x c i t e r ，t h ea d v e n t a g e so ff p ( 认i nl o 百cc o n t r o l ，p a r a l l e la n df 弧td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s sa r ev e 巧s i g n i f i c a t i v ef o rc o n v e n i e n c eo fs y s t e ma n di n t e r l 沁ed e s i 弘，d e v e l 叩m e n tp 嘶o da n dc o s t r e s e a r c h i n gt h e 印p l i c a t i o no ff p g af o rd i 百t a le x c i t e ri st h es u b j e c to ft h i st h e s i s f i r s ti ti n 仃o d u c e st h ee l e m e n t a r ys t m c t u r ea n dd e s i g nm e t h o do ff p g a ，a n a l y s e st h e如n c t i o no ff p g ai nd i g i t a ie x c i t e ra n dc h o o s e st h ei d i o g r a p h i cd e v i c et y p eb a s e do nt h ea n a l y s i s0 fs y s t e ms t m c t u r eo fd i g i t a le x c i t e r w h e r e a f e r ，i ti n t r o d u c e sm ed e s i 弘3四川大学硕士学位论文o ft h ec o m p o s i n go fs t e r e ：0b a s e b a l l ds i g n a la n dm o d u l a t i o no fd a t ab r o a d c a s tb a s e d0 nd d si nf p g a b yr e s e a r c h i n gt h es t m c t l l r ea n d 向n c t i o no fd u c ，t h et h e s i si n 仃d d u c e st h et h e o r yo fd d f m ，p r o p o s e sa ne 虢c t i v em e t h o do fm u l t i t i m e si n t e 啦o l a t i o n ，a n da c t u a l i z e sd d f mb a s e do nt h eo r t h o g o n a lm o d u l a t i o na n dd d st e c l l n o l o g yf o rt h ec o m m u n i c a t i o ni n t 刊沁ed e s i 驴o ft h es y s t 锄，也et h e s i si n t r o d u c e st h ea c t u a l i z a t i o nm e m o do fc o 衄u n i c a t i o n sb e 押e e nf p g aa n dd s p ，a sw e l l 嬲i ，a r t t h ef p g ad e s i g nu s e st h ep r o 黟锄m e m o d so fs c h e m a t i ci n p u ta n dd li n p u ti nq l l a r t t l s ，a n da l s oc o m b i n e s 也ed s pb u i l d e rf o ra u s s i s t a n td e s i 弘t h ed e s i 弘r e s u l t sa r en o to n l ys i m l a t e di nm a r c u s ，b u ta l s oa n a l y s e di nm a t l a b f i n a l l yt h et h e s i s1 i s t st h ep r o b l e m sa n de ) 【p e r i e n c ei nt h ed e s i g np r o c e s s k e yw 盯d s ：d i 西t a lf me x c i t e rf p g ad d sf s kd d f m4四川大学硕士学位论文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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他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。本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。研究生签名：0 ，l 采绣导师签名：韩震寻日期：矿0 年上月四川大学硕士学位论文1前言1 1 课题的背景和意义调频( f m ) 广播起源于2 0 世纪4 0 年代，调频广播音色逼真、优美动听，容易实现立体声广播，能使人们获得更高级的音乐享受，而受到广大听众的欢迎，目前它也是城市广播覆盖的主要手段。虽然电视以及互联网等现代传媒的出现，对调频广播产生了一定的冲击，但调频广播在诸多领域，如移动工具、开阔的环境中仍然发挥着具大的作用。随着人们生活水平的提高，活动范围越来越大，所以希望在较大空间范围内( 如高速公路上) 都能无障碍的收听同一个节目，这就造成了同步广播的市场需求。调频同步广播，是采用多部发射机、具有相衔接的覆盖区域、使用相同的载波频率和广播节目以实现特定区域的覆盖的技术手段【l5 1 。它解决了调频广播抗干扰以及衔接的问题。但是调频同步广播有三点技术要求：同频、同相、同调制度。作为广播发射机的核心调频激励器而言，目前广播使用的模拟激励器在解决这些问题时捉襟见肘，由于模拟电路的性能不稳定，而且不同设备之间会出现很大的随机性，使得其很难满足同步广播的要求。而数字激励器采用数字方法对基带信号进行处理，可以实现完全的数字调制，而且能直接与数字音源接口。同时数字技术的应用，使激励器的绝大部分工作由数字电路和软件来完成，保证了控制精度和设备间的一致性，能够很好地满足调频同步广播的技术要求。因而研究数字激励器是推广同步广播的必然要求。目前，继调幅广播、调频广播之后的第三代广播数据音频广播d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 已经发展起来，数字化是广播技术发展的必然进程，因而研究数字激励器也是促进广播发展的必然要求。现场可编程门阵列，即f p g a ，是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新的可编程逻辑器件。自1 9 8 5 年x i l i n ) 【公司推出第一片现场可编程逻辑器件至今，f p g a已经历了二十年的发展。f p g a 不仅具有半定制门阵列电路的优点，而且具有可编程逻辑器件的用户可编程特性。f p g a 内部包含了大量的逻辑门电路，并四川大学硕士学位论文且速度快、功耗低，用其设计的产品具有小型化、高集成度、低功耗和高可靠性等诸多优点。而且f p g a 具有的可编程特性又大大缩短了产品的开发周期、降低了设计的费用。新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统s o p c 提供了强大的硬件支持。目前，f p g a 芯片的价格也在不断降低，这些都促使了f p g a 在电子产品设计中的应用，特别是在小批量产品、原型机等的设计中，f p g a 已经成为首选。在数字调频激励器中，用数字方法对基带信号进行处理和调制，这中间必然涉及到大量数字信号处理方面的内容与技术，同时也会涉及到比较繁杂的数字逻辑控制和时序控制。f p g a 内部有丰富的逻辑资源，而且速度快，能够完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，可以同时处理大量的工作，能充分满足实时性处理的要求。目前许多f p g a 都具有内嵌的乘法器，有些甚至直接嵌入了d s p 模块，这些都使得f p g a 非常适合在数字激励器系统中使用。而且f p g a 具有可编程的特性，这又可以缩短系统开发的周期、降低开发的费用。因此在研发数字调频激励器阶段，充分利用f p g a 的强大功能和硬件可编程特性在系统开发的方便性、时间和成本等方面都具有举足轻重的作用。1 2 国内外的现状及发展趋势欧美一些国家( 如：法国、意大利、美国等) 从8 0 年代晚期就开始了对踟同步广播技术的研究，并已建成若干实用的几百到两千公里的单频网( 覆盖高速公路和补点) 。我国1 9 9 8 年广东省率先进行调频同步广播试验，经过共同发展，到目前为止，可以说我国f m 同步广播理论是清楚的，技术是成熟的，设备也日趋完备【5 4 】。但在广播的数字化方面，我国还尚未普及。国内调频广播电台大多还使用模拟广播发射机。迄今为止，国内还没有生产数字激励器的厂家，而国外早在1 9 9 3 年便有了数字激励器的问世。主要的数字激励器生产厂家有美国h a r r i s公司、美国大陆电子公司( c e c ) 、加拿大n a u t e l 公司以及日本n e c 公司等【5 l 】。2四j l l 大学硕士学位论文在f p g a 方面，自从第一块f p g a 推出，这二十年来f p g a 取得了惊人发展。芯片的等效逻辑单元已经达到了数十万个，加引脚也达到上千个。而底层嵌入功能单元和内嵌专用硬件核也正在不断地加入到f p g a 芯片中，这些使得f p g a 在电子系统设计方面的优势越来越明显，应用越来越广泛。目前，f p g a器件广泛应用于通信、汽车、自动控制、信息处理等诸多领域。使用f p g a 所设计的各种电子以及控制系统也层出不穷，如基于f p g a 技术的图像采集设备、基于f p g a 的数字化通用p w m 控制器、基于f p g a 的多嘴脉冲时序控制电路等。今后f p g a 将越来越多地应用到各个领域，尤其在消费类和汽车电子领域f p g a 发挥的作用将更加重大。1 3 课题的主要任务和论文框架本课题的主要任务是研究f p g a 在数字调频激励器原理样机设计中的应用。调频激励器是调频发射机系统的核心，它对输入音频及附加信道信号进行处理并合成基带复合信号，然后把基带信号调制到邗波段的载波上，并经激励器功放放大输出。在输出功率要求较小的情况下，调频激励器也可直接作为发射机。调频激励器是调频发射机的信息处理核心，直接决定发射机性能的优劣，它又部分承担发射机故障处理及报警的责任。数字调频激励器是主要采用数字信号处理( d s p ) 和直接数字频率合成( d d s ) 等技术对数字音频进行处理以及实现数字调制的激励器，具有可以实现与数字音源直接接口、检测和控制数据精度高、失真小、信噪比高等优点。功能完善的数字调频激励器其主体部分( 即信号处理部分) 可以分为数字信号处理模块和上变频及射频处理模块两部分。按照模块化思想，可将数字激励器系统硬件分为音频处理模块、调频调制器、上变频及滤波、激励器功放、监控模块、电源模块等部分。数字调频激励器的典型组成框图如图1 1 所示【1 2 1 。四川大学硕士学位论文图1 1 数字调频激励器的结构框图课题组所设计的数字调频激励器系统采用d s p + f p q 针d u c 的方式实现数字信号处理模块，即完成音频信号和附加信道( s c a ) 信号的采集、处理，以及立体声复合基带信号的合成、直接数字频率调制等。根据f p g a 的特点，在激励器系统中f p g a 主要完成的工作有系统时序的控制、立体声复合基带信号的合成、数据广播的调制、控制和辅助各芯片之间的数据通信等。同时为了进一步设计时，免除对专用d u c 器件的依赖，最后研究了利用f p ( 逾代替专用d u c 完成直接数字调频等任务。论文在总述f p g a 的基础上，分功能模块对其在数字激励器中的应用作了详细的阐述，大体结构为：第一章：前言，阐述了课题的背景和意义；第二章：f p g a 介绍及其在课题中的应用，介绍f p g a 的基本结构、基于q u a r t l l s 的f p g a 设计方法、f p g a 在数字调频激励器中的作用及f p g a 芯片的选型；第三章：用f p g a 实现d d s ，介绍了d d s 的基本原理以及基于f p g a 实现d d s 的具体细节和注意事项；第四章：立体声复合基带信号合成，介绍了用f p g a 实现立体声复合信号合成的具体方法；4四j l l 大学硕士学位论文第五章：数据广播的调制，介绍了调频数据广播的概念以及实现数据广播调制的f p g a 设计；第六章：基于f p g a 的接口设计，主要介绍了f p g a 实现r s 2 3 2 串口通信以及f p ( 认与d s p 之间的数据通信；第七章：用f p g a 实现直接数字调频，在直接数字调频原理的基础上，介绍了f p g a 实现数字调频的具体设计方法；第八章：总结，总结设计过程中出现的问题和积累的经验。四川大学硕士学位论文2f p g a 介绍及其在课题中的应用2 1f p g a 概述可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o 西cd e v i c e ) 是2 0 世纪末出现的一种新型大规模电子集成电路。广义上讲，p l d 是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计的数字集成电路。它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，风险小，因而很快得到了普遍应用，发展非常迅速。从2 0 世纪7 0 年代发展到现在，可编程逻辑器件经历了从p r o m 、p l a 、础山、q 址、e p l d 到c p l d 和f p g a 的发展过程。现在最广泛的p l d 主要是f p ( 认、c p l d 和e p l d 【l ，2 】。f p g a ( f i e l dp r o 鲫m 1 i n a b l eg a t e a r r a y ) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，同以往的p a l 、g a l等相比，f p g a 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。f p g a是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。同时，f p g a的集成度很高、体积小，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能。采用f p g a 器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性。有时人们也把f p g a 称为可编程的a s i c 。大多数f p g a 由存放在片内洲中的程序来设置其工作状态，因此，工作时需要对片内的r a m 进行编程，也就是需要从芯片外部向片内r a m 加载配置数据。配置数据可以存储在片外的e p r o m 或者计算机上，而且设计人员可以控制加载的过程，这就是在现场修改器件的逻辑功能，也即所谓的现场可编程。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，十几个毫秒后f p g a 即可正常工作。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此f p g a 可以反复地编程、擦除、使用，也可以在不动外围电路的情况下用不同的软件实现不同的功能。f p g a 是进行原型设计最理想的载体，原型机的6四川大学硕士学位论文最初框架和实现通过f p g a 来验证，可以降低成本、缩短开发周期 3 】o 利用f p g a的可重配置功能，可以在使用过程中，在不以改变所设计的设备的硬件电路情况下，改变设备的功能。目前世界上有十几家生产f p g a 的公司，最大的3 家是砧t e r a 、x i l i n ) 【、l a t t i c e 。其中触t e r a 和) ( i i i n ) 【占有了6 0 以上的市场份额。a l t e r a 九十年代以后发展很快，逐步取得f p g a 设计制造的领先优势。主要产品有：f l e x l o k ，s t r a t i x ，c y c l o n e 等。) 【i l i n x 是f p g a 的发明者，老牌f p g a 公司，产品种类较全，主要有：s p a n a n ，r t e x 等。通常来说，在欧洲和美国用) 【i l i n ) 【的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多。l a 竹i c e 是i s p 技术的发明者，主要产品有e c e c p ，x 0 ，x p 以及可编程模拟器件等。其它公司的f p g a 如，a c t e l 公司的p r o a s i c 系列以及t i 公司的t p c 系列等。根据f p g a 基本结构的不同，可以将其分为基于乘积项( p r o d u c t t e r n l ) 技术的f p g a 、基于查找表( u j t ，l o o k - u p 1 a b l e ) 技术的f p g a 和基于反熔丝( a n t i 龟s e ) 技术的f p g a 。基于查找表技术的f p g a 是目前的一种主流产品。在完成f p g a 开发以后，软件会生成一个最终的编程文件，不同类型的f p g a使用不同的方法将编程文件加载到f p g a 中【4 】。如今，f p g a 芯片已经在数字通信、医疗设备、汽车、工业控制、航空航天等多个领域广泛使用，f p g a 芯片的等效逻辑单元的规模由数百个发展到了现在的数十万个【5 】。i o 引脚由原来的几十个发展到1 5 0 0 多个。而许多辅助功能也不断加入，也使得f p g a 的功能越来越强大，应用越来越广泛。目前，f p g a的主要发展方向主要有以下几点【6 9 1 ：1 向大规模、高集成度的方向发展。2 向低电压、低功耗的方向发展。3 向多功能、嵌入式模块方向发展目前，f p g a 内已经广泛嵌入ra 舰，r o m 、f i f o 等存储器模块，这些嵌入式模块可以实现更快的无延时的运算与操作，随着f p g a 的发展这些模块将越来越多地嵌入到f p g a 的内部。f p g a 内部嵌入c p u 或d s p 等处理器，使f p g a 在一定程度上具备了实现软硬件联合系统的能力，f p ( 认正逐步成为s o p c ( s y s t e m7四川大学硕士学位论文o np r o 铲a m m a b l ec 脚，可编程片上系统) 的高效设计平台。4 f p g a 动态可重构技术的开拓动态可重构f p g a 是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性，而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。对于数字时序逻辑系统，动态可重构f p g a 的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成，而是通过对f p 6 泼进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。2 2f p g a 基本结构从1 9 8 5 年由x i l i m 【公司推出第一片f p g a 以来，f p g a 经历了二十年的飞速发展，形成了各种不同的结构。每一个f p g a 生产厂商都有各自的f p g a 体系结构，但所有的f p g a 器件都包含以下三部分：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、丰富的布线资源，其结构示意图如图2 1 所示【2 1 0 1 。底层嵌入功能单元丰富的布线资源_ - - i - _ - _ _ _ - 1 7 _ -一圈圈一= _ _ - 同i _ _ 囫一_ l= - - _ 目- - - 匿l _ - i! h _ - 鬯il - 卑- _ -三；礴i 窗! - _ _ 卤l - l 卤- _ -i _ _ _ i - - - 匿卜= _ _ - u _ _ i 团i - -i 国雷_ i _ i _ - _ i _ _ i _一一-图2 1f p g a 结构原理图8嵌专用硬核嵌入式块r a i一一i1一一_一l四j l i 大学硕士学位论文1 可编程输入输出单元输入输出单元( m p 州o u q ) u t ) 单元简称哟单元，它们是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活的应用，目前大多数的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置，可以适配不同的电气标准与加物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。可编程i o 单元支持的电气标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的f p g a 支持的i o 标准也不同，一般说来，常见的电气标准有i ：v t r l 、l v c m o s 、s s t l 、h s t l 、l v d s 、i j 巾e c l 和p c i 等。2 基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接与配置，完成不同的功能。f p g a 一般是基于s r a m 工艺的，其基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表( u 月) 和寄存器组成的。目前f p g a 中多使用4 输入的u 兀 ，每一个u 丌可以看成是一个有4 位地址线的1 6 1 r a m 。当用户通过原理图或m ) l 语言描述了一个逻辑电路以后，f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入黜蛳，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址，并找出地址对应的内容，然后输出即可。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但是不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。例如，a 1 t e r a 可编程逻辑单元通常被称为l e ( l o 西ce l e m e n t ) ，由一个寄存器和一个u 仃构成；x i l i n x 可编程逻辑单元叫s l i c e ，由上下两个部分构成，每一部分由一个寄存器和一个u j t 组成，被称为【c ( l o 酉cc e l l 逻辑单元) ；l a 仕i c e 的底层逻辑单元叫p f u ( p r o 蓼a n 姐a b l ef 吼c t i o nu n i t ，可编程功能单元) 。3 丰富的布线资源布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。实现过程中设计者一般不需要直接选择布线资源，9四川大学硕士学位论文而是由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓朴结构和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块。布线资源的优化与使用和设计的实现结果( 包含速度和面积两个方面) 有直接关系。f p g a 的其它结构还包括嵌入式块ra m 、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬件核等。目前大多数f p g a 都有内嵌的块洲( b l o c k 蝴) 。f p g a 内部嵌入可编程凡蝴模块，大大地拓展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。不同器件商或不同器件族的内嵌块洲的结构不同。底层嵌入功能单元指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如p l l 、d u 。、d s p 、c p u 等。随着f p g a的发展，这些模块被越来越多地嵌入到f p g a 的内部，以满足不同场合的需求。内嵌专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含的硬核( h 蕊c o r e ) 。其实f p g a 内部也有两个阵营：一方面是通用性较强，目标市场范围很广，价格适中的f p g a ；另一方面是针对性较强，目标市场明确，价格较高的f p g a 。2 3f p g a 设计工具a 1 t e r a 与) ( i l i n ) 【各自提供了f p g a c p l d 软件设计工具，如a l t e r a 提供的m a x + p l u s 、伽a 咖s ；x i l i n ) 【提供的i s e 5 x 、，s 。采用不同公司的设计工具和器件，f p g a 的设计方法和设计流程不同。不同公司设计工具的基本功能、支持的器件、系统配置、支持的操作系统或与其配合使用的e d a 工具等均不相同。以下重点介绍越t e r a 公司的饥嘲s 软件。a 1 t e r a 公司的f p 蝴l d 的开发工具主要有两种：m a x p l u s 与q l l a n u s ，普遍认为m a x p 如曾经是最优秀的p u ) 开发平台之一，适合开发早期的中小规模p u p g a ，目前已经由q u a r t u s i i 替代，不再推荐使用。而q u a 咖s 为灿t e r a 新一代f p 叫p l d 开发软件，适合新器件和大规模f p g a 的开发，它集成了砧t e r a 的f p g c p l d 开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件( 如s y n p l 毋p r 0 综合软件、m o d e l s i m 仿真软件等) 接口。通过使用它，设计者可以创建、组织和管理自己的设计 1 8 】。1 0四川大学硕士学位论文q u a r t u s 软件支持的器件种类众多，主要有s t r a t i ) 【和s t r a t i x 、s t r a t 政、c y c l o n e r m 、c y c l o n e 、h a r d c o p y 、a p e i 系列、f l e x l 0 k 系列等等。q u 咖s i i 软件提供完整的多平台设计环境，可以轻易地满足特定的设计需求，是s o p c 设计的综合性环境。q u a r h l s 软件允许用户在设计流程的每个阶段使用q u 椭s 软件图形用户界面、e d a 工具界面或命令行方式【2 】。使用q u a 咖s i i 进行f p g a 设计流程如图2 2 所示。图2 2 四g a 设计流程首先是设计文件的输入，即根据所要设计的系统进行编程，它是使用q u a n u s i i 软件的模块输入方式、文本输入方式、c o r e 输入方式和e d a 设计输入方式表达用户的电路构思，同时使用分配编辑器( a s s i 团m e n te d i t o r ) 设定初始设计约束条件。第二步是综合，综合是将硼) l 语言、原理图等设计输入翻译成与、或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 或v q m 等标准格式的网表文件，供布局布线器进行实现。可以用咖a m s i i 软件的 a n a l y s i s & s y n t h e s i s 】命令四川大学硕士学位论文综合，也可以使用第三方综合工具进行综合。第三步是布局布线，布局布线的输入文件是综合后的网表文件，q u a n u s 软件中布局布线包含分析布局布线结果、优化布局布线、增量布局布线和通过反标保留分配等。第四步是时序分析，时序分析是允许用户分析设计中所有逻辑的时序性能，并协助引导布局布线满足设计中的时序分析要求。第五步是仿真，仿真分为功能仿真和时序仿真。功能仿真主要是分析电路功能是否符合设计要求；时序仿真包含了延时信息，它能较好地反映芯片的设计工作情况。可以使用q u a 咖s 集成的仿真工具仿真，也可以使用第三方工具对设计进行仿真。最后一步是编程，编程和配置是在全编译成功后，对a l t e r a 器件进行编程或配置，它包括a s s e 皿i b l e ( 生成编程文件) 、p r o g r 黜e r ( 建立包含设计所用器件名称和选项的链式文件) 、转换编程文件等。q u a 咖s 软件提供的设计输入可以使用文本形式文件( 如d l 、v e r i l o g皿l 、a h d l 等) ，存储数据文件( 如瑚三x 、m 等) ，原理图设计输入，以及第三方e d a 工具产生的文件( 如e d 硬、阳) l 、v q m 等) 。同时，还可以混合使用以上几种输入方法进行设计。大型设计中一般都采用h d l 语言设计方法。瑚) l 语言设计方法是大型模块化设计工程中最常用的设计方法，目前较流行的曲l 语言有l 、v 撕l o gh d l 语言等。它们的共同特点是易于使用自顶向下的设计方法、易于模块划分和复用、移植性强、通用性好，设计不因芯片工艺和结构的改变而变化、利于向a s i c 的移植。a h d l 是完全集成到q u a r t u s 软件系统中的一种高级、模块化语言。a h d l 语言只能用于使用a l t e r a 器件的f p g a c p u ) 设计，其代码不能移植到其他厂商器件上( 如x i l i m 【、l a t t i c e 等)使用，通用性不强，所以比较少使用。原理图输入方式是f p g a 、c p l d 设计的基本方法之一，几乎所有的设计环境都集成有原理图输入方法。这种设计方法直观、易用，支撑它的是一个功能强大、分门别类的器件库。然而由于器件库通用性差，导致其移植性差，如更换设计实现的芯片型号或厂商时，整个原理图需要做很大修改甚至是全部重新设计。所以原理图设计方式主要是一种辅助1 2四j l l 大学硕士学位论文设计方式，更多的应用于混合设计中的个别模块设计。在q u a m l s 中还可以使用a l t e r a 提供的大量的可参数化宏功能模块和l p m函数。它们都针对其实现的目标器件进行了优化，使用它们可以不但可以缩短设计周期而且能够使设计的性能更高、使用的资源更少【1 1 1 。可以使用饥a r c u s i i中的m e g a w i z a r dp l u g 胁m a n a g e r ( 宏插入向导) 来建立a l t e r a 宏功能模块、u m函数和p 函数。宏插入向导可以使用户很方便的定制适合自己的功能模块，使设计者免去了繁琐的简单工作，而致力于复杂或高级的功能模块的设计上。2 4f p g a 在数字调频激励器中的应用2 4 1 数字调频激励器系统构成课题组实现的数字调频激励器系统采用d s p + f p 针d u c 的硬件结构。这种实现方式结合了d s p 在数字信号处理方面的优势和f p g a 的高速并行运行以及硬件的可重复配置特性，在原理样机设计阶段有很大的方便性和灵活性，可以通过编程方式，完成d s p 与f p g a 的各种功能配合。尤其是f p g a 的现场可编程特性，使系统设计中的问题在硬件平台搭建完成后还可以得到解决，大大减少了硬件重复设计的成本。f p g a 的i 幻口具有可编程的特性，非常方便与d s p 、数字上变频器( d u c )等芯片进行数据通信。而且选择的f p g a 内部嵌有乘法器，很适合完成立体声复合时的一系列乘法运算。还有f p g a 器件密度很高，有数万甚至数十万系统门，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能。因此在数字调频激励器系统中使用f p g a 是一个非常适合的选择。根据对数字调频激励器的工作流程和各部分工作特性的分析，设计激励器基带信号处理部分的硬件平台如图2 3 所示。系统硬件结构分为输入接口、d s p模块、f p g a 模块、上变频和输出接口五大模块。输入输出接口负责完成信号的模数和数模转换，包括必要的抗混叠和抗镜像滤波等。d s p 模块主要负责对音频信号的处理以及对系统的控制和检测。上变频采用可编程数字上变频器四川大学硕士学位论文i s l 5 21 7 完成直接数字调频。图2 3 系统硬件平台2 4 2f p g a 在数字激励器中的主要作用及芯片选型根据激励器的工作情况和所设计的硬件系统，f p g a 在激励器系统中的主要作用有以下几点：1 系统的时序控制。保证各集成芯片的同步工作，分配系统各模块的控制时序和参考时钟，包括为各种通信接口提供通信的同步控制时钟等。2 立体声复合基带信号的合成。配置一个立体声编码器，完成副载波的抑制载波双边带调制，导频信号的产生和最终合成供主载波进行频率调制的复合基带信号。3 完成各芯片间接口的转换和连接。f p g a 的可重配置性，使得它在系统1 4四川大学硕士学位论文中的应用很灵活，可以通过不同的配置，实现d s p 与其它芯片和设备间的不同方式的连接和通信，这大大有利于系统研发过程中的调试和方案调整。4 数据广播的接入。利用f p g a 完成数据广播信号的处理和调制等，并送入到立体声编码器中作为附加信道信息合成基带复合信号。5 利用所搭建的硬件平台，研究用f p g a 实现d u c 的功能，包括直接数字调频所需的内插和正交调制等。这个任务主要是为了考虑进一步设计时，利用有自己知识产权的模块代替专用集成芯片，免于对价格较高的d u c 集成芯片的依赖。从f p g a 在系统中的作用来看，对f p g a 在逻辑运算方面的要求不是太高，但数据广播调制和用数字方法合成导频信号和副载波信号时，需要用到d d s 技术进行直接数字频率合成，所以需要建立d d s 的正弦查找表，需要较大的存储空间。所以可以选用较低档位，但是存储容量较大的f p g a 芯片。最后选择了a h e r a 公司c y c l o n e i i 系列的f p g a 。c y c l o n e 系列是舢t e r a公司2 0 0 5 年开始推出的中等规模、低成本的f p g a 系列，是a l t e r a 在中低f p g a市场中的主力产品，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。c y c l o n e系列f p g a 有e p 2 c 5 、e p 2 c 8 、e p 2 c 2 0 、e p 2 c 3 5 、e p 2 c 5 0 、e p 2 c 7 0 多种型号，性能和价格由e p 2 c 5 依次递增。经过试验分析，e p 2 c 5 已经完全能够满足系统的要求。系统中使用的f p g a 的具体型号为e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 。2 4 3e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 芯片介绍e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 是f p g a 芯片的具体型号，其中e p 2 c 5 为器件的类型；q为器件的封装形式，即为p q f p ( p 1 a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ，塑料方块平面封装，其它封装形式如t t q f p 、f f b g a 等) ；2 0 8 为芯片引脚的数目；c 为工作温度，c 指的是民用温度( o 7 0 ) ；8 是指速度等级。芯片由逻辑阵列( l 0 百c 岫，l a ) 、嵌入式存储块( m 4 kb 1 0 c k s ) 、加单元( 的e l e m e n t s ，i o e s ) 、锁相环( p h a s e - l o c k e dl o o p ，p l l ) 及内部走线等构成。其结构特性如下【l3 ，1 4 】：1 5四川大学硕士学位论文1 逻辑阵列由1 3 行、2 4 列逻辑阵列块( l o 西c 加t a y b l o c k ，l a b ) 所组成，每个l a b 包含1 6 个基本可编程逻辑单元l e 。各逻辑阵列块之间由内部的横向走线与纵向走线形成用户定制的逻辑组合。一共具有4 6 0 8 个l e 。2 具有2 6 个m 4 k r a m ，总的r a m 位数为1 1 9 8 0 8 位。m 4 k 存储块是真正的双端口存储块，具有4 k b i t + 5 1 2 b i t 即4 6 0 8 b i t 的存储空间( 包括奇偶位) 。m 4 k 心能构造不同类型的存储器，如真正意义的双端口洲、简单双端口r a m 、单端口r a m 、r o m 及f m o 等。其速度可达到2 5 0 m h z 。3 具有1 3 个嵌入式乘法器，每个嵌入式乘法器能实现2 个9 9 位的乘法或1 个1 8 1 8 位的乘法。4 具有2 个锁相环p l l 和8 个全局时钟网络。p l l 提供了通用的时钟，它具有支持时钟乘法和除法、能够灵活的控制相移、具有可编程的占空比、具有3 个内部时钟输出和一个专用的外部时钟输出等特点。8 个全局时钟网络分布在整个器件内，为器件内的所有资源( 如i o e 、l e 、乘法器等) 提供时钟。具有8 个专用的