（电路与系统专业论文）基于fpga硬件设计和仿真方法探索与研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 度 p 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：挚纽盈厶一日期：j 础和l 且韭l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： ! q 氢三国坐 日期：巡啮型吣 北京邮电大学硕士学位论文 ；i甄。；，；，；o；。；：，毒“， 基于f p g a 硬件设计和仿真方法的探索与研究 摘要 本文以数字基带传输系统的f p g a 硬件实现为例，重点研究并讨 论了f p g a 硬件设计与科学计算软件仿真交叉使用的几种方法。对传 统的f p g a 设计流程进行改进，提出了适合预设计系统的特点和需求 的新的设计方法。主要内容包括三个方面：系统设计中融入f p g a 硬 件设计和m a t l a b 软件仿真相结合的方法；基于d s pb u i l d e r 的f p g a 设计方法；基于s c i l a b s c i c o s h d l 的f p g a 设计方法的探索和研究。 在基于f p g a 和m a t l a b 相结合的设计方法中，在设计之初借助 m a t l a b 仿真并产生滤波器的抽头系数，在设计中利用m a t l a b 代替 f p g a 完成开方、对数等运算，实时输出运算结果，在设计的最后利 用m a t l a b 验证设计的正确性并分析系统的性能。此外，本文还为 m a t l a b 在f p g a 设计过程中的辅助功能集成了可视化的界面，增强程 序的可移植性。最后将设计下载到f p g a 芯片中，并使用示波器观察 输出波形，通过统计误码率分析系统的性能。 在基于d s pb u i l d e r 的设计方法的研究中，首先讨论该设计方法 的意义及设计流程，进而以设计数字基带传输系统为例，阐述该设计 方法的应用与实现，最后通过设计过程总结该设计方法的优势与不 口 巴0 针对以上两种方法的不足之处，本文提出了基于s c i c o s h d l 工 咚，j 北京邮电大学硕士学位论文 具箱的设计方法，首先以设计数字基带传输系统为例测试该工具箱的 性能，针对库模块较少的问题，着重研究s c i c o s h d l 库模块的设计 技术，并以数字基带传输系统的模块设计为例，将其设计为 s c i c o s h d l 的库模块，实现了既能在s c i l a b 中仿真验证，又能自动 生成系统的v h d l 代码的功能。 最后，通过将上述三种设计方法应用于数字基带传输系统的具体 设计中，分析比较了各方法的优势及不足之处，为f p g a 硬件设计与 科学计算软件的联合仿真的研究提供了参考。 关键词f p g a数字基带传输系统d s pb u i l d e r s c i l a b s c i c i o s h d l j 警 、 一；翘；卜；，；卜， ! ， = i 匕京邮电大学硕士学位论文 t h 匣r e s e a r c ha n de x p l o ra f o no ff p g a b a s e d h a r d 後r ed e s i g na n ds n 仉a t i o nm 匝t h o d s a b s t r a c t t h et h e s i st a k e st h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h e d i g i t a l b a s e b a n d t r a n s m i s s i o ns y s t e ma sa l le x a m p l e ，t od i s c u s sa n dt or e s e a r c ho nf p g a h a r d w a r ed e s i g nm e t h o d s ，a sw e l la so nt h ec o m b i n a t i o no ff p g a d e s i g n a n ds c i e n t i f i c c o m p u t i n gs o f t w a r es i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，a st h e i m p r o v e m e n to ft h et r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e d u r e ，n e wd e s i g nm e t h o d s t h a ta r es u i t a b l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h i sp r e - d e s i g n s y s t e ma r ep r o p o s e d t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：m e t h o do f f p g ad e s i g nc o m b i n e dw i t hm a t l a bs o f t w a r es i m u l a t i o n ；m e t h o do f f p g ad e s i g nb a s e do nd s pb u i l d e rt o o l b o x ；t h er e s e a r c ho fm e t h o do f f p g a d e s i g nb a s e do ns c i l a b s c i c o s h d lt o o l b o x i nt h ed e s i g nm e t h o d sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fm a t l a ba n d f p g a ，t h ed e s i g np r o v i d e st h ef i l t e rt a pc o e f f i c i e n t su s i n gm a t l a b s i m u l a t i o ni nt h eb e g i n n i n g ，t h e ni tc o m p l e t e st h er o o t sa n dl o g a r i t h m c a l c u l a t i o nu s i n gm a t l a bi n s t e a do ff p g a ，a n do u t p u tt h er e s u l t s i n r e a l - t i m e b yt h ee n do f t h ed e s i g ni tu s e sm a t l a bt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s s o ft h ed e s i g na n dt oa n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i na d d i t i o n ， t h i sa r t i c l ea l s op r o v i d e sa nu s e ri n t e r f a c ef o rt h ea u x i l i a r yf u n c t i o no f ，慧y， 北京邮电大学硕士学位论文 m a t l a bd u r i n gt h ef p g ad e s i g np r o c e s st oe n h a n c ep r o g r a mp o r t a b i l i t y f i n a l l y , t h ed e s i g ni s d o w n l o a d e dt ot h ef p g ac h i p ，a n dt h eo u t p u t w a v e f o r mi so b s e r v e du s i n gt h eo s c i l l o s c o p e ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mi sa n a l y z e db a s e do nt h es t a t i s t i c so f b i te lr o rr a t e i nt h er e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o db a s e do nd s pb u i l d e r , t h e s i g n i f i c a n c eo ft h ed e s i g nm e t h o da n dd e s i g np r o c e s sa r ed i s c u s s e da t f i r s t ，a n dt h e nb a s e do nt h ed e s i g no ft h ed i g i t a lb a s e b a n dt r a n s m i s s i o n s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o na n dt h er e a l i z a t i o no ft h ed e s i g nm e t h o da r e d e s c r i b e d a n da t l a s tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed e s i g n m e t h o di ss u m m a r i z e db a s e do nt h ed e s i g np r o c e s s i na c c o u n to ft h es h o r t c o m i n g so ft h ea b o v et w om e t h o d s ，t h ep a p e r g i v e sad e s i g nm e t h o db a s e do nt h es c i l a b s c i c o s h d lt o o l b o x f i r s t ，t h e p a p e rt e s t st h ep e r f o r m a n c eo ft h et o o l b o xt a k i n gt h ed i g i t a lb a s e b a n d t r a n s m i s s i o ns y s t e ma sa ne x a m p l e ，a n df o c u s e so nt h ed e s i g nt e c h n o l o g y o ft h es c i c o s - h d ll i b r a r ym o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft h el a c k o ft h e m a n db yt a k i n gt h em o d u l e sd e s i g no ft h ed i g i t a lb a s e b a n d t r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n e di n t ot h es c i c o s h d ll i b r a r ym o d u l e sa sa n e x a m p l e ，t h ep a p e rp r o v i d e st h ef u n c t i o no fs i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o ni n s c i l a ba n da u t o m a t i c a lg e n e r a t i o no fv h d lc o d ef o rt h es y s t e m f i n a l ，b yt h ea p p l i c a t i o no fa l lt h et h r e em e t h o d si nt h ed e s i g no ft h e d i g i t a lb a s e b a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fe v e r ym e t h o d ，a n dp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h e 女、r b量5#、蓝翟署0事爹l簟f秽掣，錾j。 4 0 ；，j瓠。麓； 叁心逮 ， ：j+a墨鼍aijiilt 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec o m b i n e ds i m u l a t i o no ff p g ah a r d w a r ed e s i g na n d s c i e n t i f i cc o m p u t i n gs o f i w a r e s k e yw o r d ：f p g a d i g i t a l b a s e b a n ds y s t e md s pb u i l d e r s c i l a bs c i c o s h d l 北京邮电大学硕士学位论文 冬 北京邮电大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 项目研究背景介绍 目录 l 传统f p g a 的设计流程l 本文的主要内容和选题的意义2 论文的组织结构3 f p g a 和m a a b 相结合方案的设计与实现5 问题的提出5 2 1 1 数字基带传输系统的原理5 2 1 2 设计中遇到的具体问题8 2 1 3 f p g a 和m a t l a b 相结合设计方案的提出9 2 2 f p g a 和m a t l a b 相结合设计方案的应用。9 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 2 2 1 在滤波器设计过程中的应用。9 2 2 2 数字滤波器性能的验证。1 l 2 2 3 加性高斯白噪声的设计与实现1 3 2 2 4 系统性能的分析与验证1 8 该方案可视化界面的实现19 该方案的硬件实现2 4 2 4 1在m o d d s i m 中进行时序仿真2 4 2 4 2 f p g a 硬件下载调试。2 6 本章小结2 7 基于d s pb u i l d e r 设计方法的分析与应用。2 9 基于d s pb u i l d e r 设计方法的意义2 9 基于d s pb u i l d e r 的设计流程。2 9 基于d s pb u i l d e r 滤波器的设计3 l 基于d s pb u i l d e r 加性高斯白噪声的设计。3 8 数字基带传输系统的设计4 2 本章小结4 5 基于s c i l a b s e i c o s h d l 设计方法的研究4 6 s c i c o s - h d l 工具箱与d s pb u i l d e r 工具箱的对比。4 6 s c i l a b s c i c o s h d l 简介4 7 4 2 1 s c i l a b 简介4 7 4 2 2 s e i e o s 简介4 8 4 2 3 s c i c o s - h d l 简介4 9 s c i c o s - h d l 设计方法的性能分析5 l 4 3 1 信源模块设计的性能分析。5 l 4 3 2滤波器模块设计的性能分析5 2 4 3 3 高斯白噪声模块设计的性能分析5 2 基于s c i c o s h d l 库模块设计技术的研究。5 4 4 4 1 s c i c o s - h d l 的库模块的设计流程：5 5 4 4 2 模块设计技术的应用5 5 4 4 3 连接系统、仿真验证6 6 研究结果小结6 8 三种方法的比较6 8 北京邮电大学硕士学位论文 第五章结论和展望7 0 5 1结论7 0 5 2 进一步的工作。7 0 附录。7 2 参考文献7 6 致谢7 9 攻读学位期间发表的学术论文8 0 ； 委 i j 一 e1 f ，l d ： 争 第一章项目研究背景介绍 本章主要介绍传统f p g a 的设计方法，并提出存在的问题，在此基础上阐述 本文的主要内容及选题的意义，并说明文章的整体思路和组织结构 1 1 传统f p g a 的设计流程 f p g a 是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的x i l i n x 公司，该公 司于1 9 8 5 年推出了世界上第一块f p g a 芯片。在这二十年的发展过程中，f p g a 的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1 2 0 0 个 可用门，9 0 年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片 f p g a 芯片，x i l i n x 、a l t e r a 等世界顶级厂商已经将f p g a 器件的集成度提高到 一个新的水平。f p g a 结合了微电子技术、电路技术、e d a 技术，使设计者可 以集中精力进行所需逻辑功能的设计，缩短设计周期，提高设计质量。现代f p g a 数字系统的设计采用的是自顶向下( t o p d o w n ) 设计方法，由上自下的设计步骤 为：行为设计、结构设计、逻辑设计、电路设计、版图设计【l j 。 图1 1 传统f p g a 的设计流程 f p g a 的设计过程是e d a 开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。其 一般设计流程如图1 1 所示，包括设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、 l 北京邮电大学硕士学位论文 时序仿真和器件编程及测试七个步骤 2 1 。 设计准备是在系统设计之前要进行的方案论证、系统设计和器件选择等准备 工作，一般采用自顶向下的设计方法。 设计输入是设计人员将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表 示出来，并送入计算机的过程，通常有三种形式：原理图输入方式，h d l ( 硬件 描述语言) 输入方式，波形输入方式。 功能仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真 没有延时信息，仅对初步的功能进行检测。 设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编译软件将对设计 输入文件进行逻辑化简、综合优化和适配，最后产生编程用的编程文件。 时序仿真又称后仿真，是在选择了具体器件并完成了布局布线后进行的包含 时延关系的仿真。实际上这也是与实际器件工作情况基本相同的仿真。 器件编程测试是通过软件产生供器件编程使用的数据文件。对f p g a 是产生 位数据文件，然后将编程数据放到对应的具体可编程器件中去。最后，也就可以 用编译时产生的文件对器件进行校验、加密、测试等工作。 1 2本文的主要内容和选题的意义 本文以基于f p g a 数字基带传输系统的设计为例，讨论并研究f p g a 硬件 设计的方法，以及和计算机软件仿真的结合，对传统的f p g a 设计流程进行改进， 提出适合预设计系统的特点和需求的新的设计方法。主要包括三个方面的内容： f p g a 硬件设计和m a t l a b 软件仿真相结合的方法；基于d s pb u i l d e r 的f p g a 设 计方法；基于s c i l a b s c i c o s h d l 的f p g a 设计方法的探索和研究。在研究设计 方法时，以f p g a 硬件板上实现数字基带传输系统为例，比较各种设计方法的优 势和不足。 由1 1 节f p g a 的设计流程可知，传统的f p g a 设计流程是使用v h d l 语 言编写模块代码，进行时序仿真，编译综合生成可以下载的网表文件。所有的设 计流程验证了硬件时序和逻辑设计的正确性，但是无法验证在硬件上运行的算法 是否正确。采用和m a t l a b 仿真相结合的方法，将硬件上运行的中间结果导入 m a t l a b 中进行分析，通过绘制波形图和眼图，可以检查系统各部分设计得是否正 确。此外，在设计之初，还可以使用m a t l a b 对要设计的系统进行仿真，明确原 理并划分基本模块，使设计思路更加清晰。更重要的是可以利用m a t l a b 和中间 数据绘制滤波器时域频域图、误码率与信噪比的关系曲线等示波器无法观测的图 形。 采用传统的f p g a 设计方法，需要编写整个系统的v h d l 代码，编码任务 2 i分，昏tg【髫tl承毒j靛$#tl 式 j f 一 亡 北京邮电大学硕士学位论文 繁重，设计周期长，工作量大。对于一些涉及复杂算法类的设计( 例如d s p 模 块) ，原有的设计流程会显得很不方便，甚至无能为力。这时可以使用m a u a b 的 s i m u l i n k 工具箱和a l t e r a 公司的d s pb u i l d e r 工具箱相结合的方法，可先在 s i m u l i n k 中完成图形化设计和仿真，在完成算法级验证后，直接从s i m u l i n k 设 计文件生成相应的硬件描述语言设计文件，并进行综合、布局时序、仿真。利用 d s pb u i l d e r 可以使系统级的s i m u l i n k 仿真设计和r t l 级的硬件描述一气呵成， 大大缩短了开发周期。由于两者在逻辑上有着一一对应关系，因此排除了传统设 计流程常出现的f p g a 实现和m a t l a b 仿真模型逻辑功能不相符的情况。 由于s i m u l i n k 工具箱和d s pb u i l d e r 工具箱是商业软件的i pc o r e ，购买起来 非常昂贵，况且在高校中应该抵制盗版之风，因此采用开源软件 s c i l a b s c i c o s h d l 代替d s pb u i l d e r 是一个很好的解决途径。s e i l a b 软件和m a t l a b 软件相似，也是一种科学工程计算软件，其数据类型丰富，可以很方便地实现各 种矩阵运算与图形显示，能应用于科学计算、数学建模、信号处理等各个方面。 它还提供可以满足不同工程与科学需要的工具箱，例如s c i c o s ，信号处理工具 箱。可以说，就基本的功能如科学计算、矩阵处理及图形显示而言，m a t l a b 能完成的工作s c i l a b 都可以实现。s c i c o s h d l 是一个基于s c i l a b s e i c o s 平台 设计的工具箱，功能类似于d s pb u i l d e r ，具有丰富的图像化的原件库，可以通 过使用库中的模块搭建系统，在s c i l a b 中进行仿真观察各点的波形图，并能自动 生成系统的v h d l 代码，省去了编写大量代码的繁重工作。采用 s c i l a b s c i c o s h d l 代替d s pb u i l d e r 进行设计，既省去了大量代码的编写，简化 的设计步骤，又降低了使用的成本，对于设计者来说是一个很好的设计方法。 下面将以设计数字基带传输系统为例，具体挖掘各种设计方法的优势及不 足，并提出进一步的工作。下面一章将明确数字基带传输系统的设计原理，划分 基本的模块，为下面的设计做好理论准备。 1 3论文的组织结构 本文以数字基带传输系统的设计为例，对三种f p g a 的设计方法进行了详细 的分析，通过具体的设计过程，发现并总结每种方法存在的问题，最后比较三种 设计方法的优势和不足，文章具体的组织结构如下所述。 第一章为绪论，主要介绍传统的f p g a 的设计问题，以及存在的问题和不足 之处，并简要介绍文章的主要内容和选题的意义。 第二章介绍f p g a 和m a t l a b 相结合方案的设计与实现，首先讨论传统f p g a 设计方法的不足并提出采用m a t l a b 辅助f p g a 的设计方案；在介绍了数字基带 传输系统的模块划分及设计原理之后，以该系统为例说明f p g a 与m a t l a b 相结 3 北京邮电大学硕士学位论文 合设计方法的应用，并将m a t l a b 辅助部分集成为可视化的工具箱；最后将设计 下载到硬件f p g a 中进行调试并观察波形，分析系统的性能。 第三章介绍基于d s pb u i l d e r 的设计方法，结合滤波器和高斯白噪声的设计， 具体阐述了该方法的设计流程，并对该方法的优点和不足做一总结。 第四章介绍了基于s c i c o s h d l 工具箱的设计方案，首先以设计数字基带传 输系统为例测试该工具箱的性能；进而针对库模块较少的问题，研究s c i c o s - h d l 库模块的设计技术，并以数字基带传输系统的模块为例，将其设计为s c i c o s h d l 的库模块，实现了既能在s c i l a b 中仿真验证，又能自动生成系统的v h d l 代码 的功能；最后总结该方法的优势和不足，为其他设计者提供参考。 第五章为全文的总结和展望。 4 ；一 席 f 一 一 北京邮电大学硕士学位论文 第二章f p g a 和m a t l a b 相结合方案的分析与实现 本章主要阐述f p g a 和m a t l a b 相结合设计方案的设计方法，首先针对传统 f p g a 的设计方法提出存在的问题及不足之处，进而提出改进的方案，即采用 m a t l a b 辅助f p g a 设计，并以数字基带传输系统为例，说明f p g a 与m a t l a b 相 结合设计方法在设计的各个阶段的应用，将m a t l a b 辅助设计功能集成为可视化 的工具箱，并将设计下载到f p g a 芯片中观察输出波形；最后分析系统的性能， 并总结该方法的优势及不足。 2 1 问题的提出 传统的f p g a 设计流程包括，使用v h d l 编写模块，时序仿真，引脚锁定， 编译综合等步骤，但是f p g a 设计调试环境不易直观显示测试数据的频率特性， 统计特性等其他特性，因而在一定程度上给f p g a 设计调试带来困难。此外，在 设计的过程中，还经常出现f p g a 实现与系统仿真逻辑功能不相符的情况，因此 传统的f p g a 设计方法无法满足验证逻辑功能的要求。针对以上提出的不足，本 文提出f p g a 和m a t l a b 相结合的设计方法，该方法结合m a t l a b 强大的运算仿真 功能，针对单一的v h d l 的设计方法进行改进，将m a t l a b 融入系统的设计中， 不仅可以验证设计的正确性，还可以进行辅助设计，如产生重要的参数等。为了 分析该方法的性能，本文以设计数字基带传输系统为例，讨论该方法的优势及不 足之处。 在使用f p g a 和m a t l a b 进行设计之前，首先讨论数字基带传输系统的原理 和模块划分，以及在f p g a 上实现采用的算法和设计方案。 2 1 1数字基带传输系统的原理 数字基带传输系统是通信原理的基础，在其他系统设计中起着承上启下的作 用，因此以他为依托进行研究具有较强的代表性。本设计采用模块化的设计思想， 首先设计各个模块，最后将所有模块级联成系统，这样有层次的设计步骤便于发 现错误并及时修改，提高了设计的效率。本节将介绍数字基带传输系统的模块划 分以及重要模块的设计原理。 5 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 1 1数字基带传输系统的模块划分 在使用f p g a 进行设计之前，首先要明确预设计系统的原理，并划分功能模 块。本文所设计的数字基带传输系统，实现了数字信号的基带传输和接收，包括 信号源的产生，加性高斯白噪声的产生，信号的发送滤波和接收滤波，接收信号 的判决输出，统计误码率等功能。以模块化的设计思想为指导，系统按功能相应 地划分为模块，首先单独设计各个模块，最后将所有模块连接起来，构成整个数 字基带传输系统p 】，如图2 1 所示。 输入 g 0o r ( 0 统计 数字根升理想 根升误码 信号 余弦 信道 甲 余弦 呔? h率并 生成发送 c ( 1 ) 一l 接收在数 器滤波 滤、瘐 取样判决 码管 器 l 器上显 m v g n 不 图2 - 1 数字基带传输系统原理图 图2 1 是最佳基带传输系统的模型，其中发送滤波器传递函数为g s ( 0 、接 收滤波器传递函数为c , r ( 0 ，假设系统的信道为理想信道，其传输函数为c ( f ) = l ， 即信道具有理想低通特性，并且仅叠加上加性高斯白噪声。图中加性高斯白噪声 ( a w g n ) 是双边带功率谱密度为n 0 2 的加性高斯白噪声。为了达到最佳接收 目的，总体传输特性h r ( f ) = g t ( 0 x c ( 0x g “f ) 必须是升余弦滚降滤波器。基于 此模型还可以统计该系统的误码率，并比较滚降系数不同时系统的性能。 按照图2 1 所示系统框图，将系统按功能划分为十个模块，模块名和功能依 次定义为： 模块mg e n ：利用m 序列产生单极性码，并作为系统的信源； 模块m o d e ：将单极性码编码成双极性码； 模块f i rs e n d ：发送滤波器g s ( f ) ，双极性码经过发送滤波器，产生适合信 道传输的基带信号； 模块c h a n n e l ：理想信道c ( f ) = l ，基带信号经过理想信道时叠加上高斯白噪 声； 模块a w g n t o p ：产生加性高斯白噪声；它是一个组合模块，由m _ _ g e n l ， m g e n 2 ，r o m l ，r o m 2 和m u l t 模块组成，它们连接起来构成产生高斯白噪声的模 块a w g n _ t o p ； 模块f i rr e c e i v e ：接收滤波器g r ( 0 ，滤除接收信号中的信道噪声、高频分量 和其他干扰； 6 北京邮电大学硕士学位论文 模块r e c e i v e ：对经过接收滤波器的信号进行最佳判决，输出单极性码； 模块e r r o rr a t e ：将信源和判决结果进行比较，统计误码个数和总码元个数。 模块f i rd i v ：实现将系统时钟五倍频，作为滤波器的基准时钟； 模块c o n t r o lt r ar e ：控制逻辑模块； 划分好模块后，首先设计每个模块，最后将所有模块按图2 - 1 所示连接成系 统。 在本系统的设计中，输入信号、理想信道和接收判决模块的设计相对简单， 在这里做一简单的说明；最为关键的部分是升余弦滚降滤波器和加性高斯白噪声 的设计，下面将重点讨论这两个模块的设计原理。 2 1 1 2滤波器的设计原理 本文所设计的是最佳基带传输系统，采用匹配滤波的原理，即发送滤波器 g s ( 0 和接收滤波器叫f ) 的频域和时域特性是相同的，并且g s ( 0 、c ( 0 和c j r ( t ) - - - 者的乘积是升余弦滚降滤波的频率特性，如公式( 2 1 ) 所示： h r ( f ) = g s ( f ) x c ( f ) x g r ( f ) ： ，。小可1 a 和惦钟卜铡】，瓦l - a 叱 墨百l + a 式( 2 - ， o 1 l 1 百+ 口 其理论的频率响应冲激及时域冲激响应如图2 2 所示。本文假设传输信道为 理想信道即c ( 0 = 1 ，因此，为了比较滚降系数变化时滤波器的性能，只需将c s ( 0 g r ( 0 设计为滚降系数可变的升余弦滤波器。由图2 2 可知，当滚降系数取不同 的值时( 例如q = 1 ，0 5 或0 0 0 1 ) ，升余弦滚降滤波器的冲激时域响应的过零点 是相同的，频域响应的截止频率符合w = ( 1 + q ) x w s 的特性【3 】( 其中的w s 为 q = o 时的截止频率，即w s = l 2 t s ，t s 为单位码元传输时间) ，在接下来的仿真 及设计中要严格遵循这一原则。 一 一 j 0 1 、- l 、y 0y 11 ( a )( b ) 图2 - 2 升余弦滤波器的理论频域响应和时域响应 7 北京邮电大学硕士学位论文 为了实现确定信号在加性高斯白噪声干扰下的最佳接收，在设计中采用匹配 滤波的方法，将发送滤波器g s ( 0 和接收滤波器g r ( 0 均设计为根升余弦滤波器， 其频域响应如公式( 2 - 2 ) 所示，根升余弦滤波器就是将升余弦滚将滤波开方得 来的。 2 1 1 3加性高斯白噪声的设计原理 。s i 小等 等c 悱百l + a 式( 2 - 2 ) l 小等 任何通信系统中都存在噪声，噪声是对传输信号的干扰信号，本设计中假设 信道为理想特性c ( 0 = l ，并且信道中仅存在加性噪声。加性噪声是指由各种噪声 源引起的叠加在传输信号上的噪声，本文采用加性噪声中的高斯白噪声 ( a w g n ) ，即同时满足白噪声和高斯噪声的特性。所谓白噪声是指功率密度函 数在整个频率域内是常数，即服从均匀分布的噪声，功率谱密度p n ( f ) = n 0 2 ；( 一 卢s q r t ( - 2xl n x z )g ( 9b i d 图2 1 3 高斯白噪声产生流程图 第二，在b o x - m u l l e r 算法中第二步，用到了除法、开根号、对数等复杂运 算，而在f p g a 中较难实时地实现除法等复杂运算，此时可以采用在r o m 中查 表的方法来代替复杂运算的工程，实时地输出结果【射。首先将输入的所有可能的 值对应的输出结果使用m a t l a b 计算出来，保存在一个r o m 表中，在f p g a 进 行该运算时，只要根据输入的值通过查表就可以得到输出结果，节省了大量的硬 件资源，并大大提高了f p g a 的运行速度。以下是用v h d l 程序描述r o m 表 ， 。套 、 z 缎o 。 北京邮电大学硕士学位论文 的代码，在代码的主体部分，可以看出每一种可能的输入都对应了一个输出结果。 l i b r a r yi e e e ； b s ei e e e s t d _ l o g i c11 6 4 a l l ； u s ei e e e n u m e r i cs t d a l l ； e n t i t yr o m li s p o r t ( c l k ：i ns t dl o g i c ； d i n r l：i n s t d _ 1 0 9 i c _ v e c t o r ( 3d o w n t oo ) ； d o u t f：o u ts t d _ l o g i c _ _ v e c t o r ( 8d o w n t oo ”； e n de n t i t y a r 出t e c t i l r eb e h a v i o r e lo fr o mli s s i g n a ld s：s t d _ l o g i c _ y e c t o r ( 3d o w n t oo ) ：= ( o t h e r s = 0 ) ； b e g i n d s d o u t f d o u t f d o u t f d o u t f d o u t f = 0 0 1 1 0 0 0 0 1 ： w h e n ”0 1 1 0 ”= d o u t f d o u t f d o m f d o m f d o u t f d o m f d o u t f ： ： ； ； 北京邮电大学硕士学位论文 系统图。在2 2 3 节中已经验证了b o x - m u u e r 算法的正确性，因此可以使用该算 法进行设计。按照该算法的运算流程，使用两个“l s f rs e q u e n c e 刀模块输出的 伪随机码分别作为两个独立的随机变量x l 和x 2 ，使用两个集成的r o m 模块完 成运算：，2 - z 毗j 和9 2 4 2 蛾) ；最后使用一个乘法器将两路数据相乘得到输 出，如图3 1 6 所示。由于标准的r o m 模块的输入和输出都是8 b i t ，为了系统位 数的匹配，信源通过“a l t b u s ”模块将4 b i