（通信与信息系统专业论文）16qam基带modem的fpga芯片设计.pdf

西北工业人学硕 t 论文i 6 q a m ,# 6 i , mo d e m的 f p g a芯片设计 摘要 本文对 1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设计进行了 研究与论述。首 先介 绍了1 6 q a m调制的原理和1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片总体设计，以 及 一些f p g a设计的基本原则。 接着介绍了高性能滤波器的f p g a设计方法， 并采 用多相结构滤波器和分布式算法 ( d a) 设计了发送端平方根升余弦滚降滤波器。 然后介绍了自适应盲均衡器的设计， 该均衡器是一个复数结构的横向滤波器， 采 用复用抽头的结构来节省资源， 本文对自 适应均衡器的核心运算单元一 采用b o o t h 编码算法设计的高性能乘累加 ( m a c ) 运算单元进行了详细描述。接下来介绍 了载波恢复环路的f p g a设计， 这是一个数字二阶锁相环， 本文推导了数字二阶 锁相环和模拟二阶锁相环的 对应关系。 d d相位 检测算法中的反正切函数 t a n i 采用c o r d i c旋转结构实现。最后介绍了基于i p c o r e 的前向纠错编码的f p g a 设计，v i t e r b i 译码器i p c o r e 的接口 严格按照a l t e r a a t l a n t i c 接口协议实现。 关键字:1 6 q a m f p g a滤波器 均衡器 载波恢复 前向纠错编码 西北丁业大学硕士论文1 6 q a m 4带mo d e m的 f p g a芯片设计 ab s t ract t h i s p a p e r i n v e s t i g a t e s a l g o r i t h m s a n d f p g a i m p le m e n t a t i o n o f t h e 1 6 q a m b a s e b a n d m o d e m . f i r s t l y , 1 6 q a m m o d u l a t i o n t h e o r y a n d t o p l e v e l m o d u l e o f t h e m o d e m w i t h s o m e b a s i c p r in c i p l e s f o r f p g a d e s i g n h a v e b e e n i n t r o d u c e d . t h e n , s e v e r a l e f f i c i e n t i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s o f h i g h p e r f o r m a n c e f i l t e r h a v e b e e n a n a l y z e d . t h e f o r e e n d t h e r o o t r a i s e d c o s i n e fi l t e r i s im p l e m e n t e d i n p o ly p h a s e s t r u c t u r e a n d d i s t r i b u t e d a l g o r i t h m . t h e f o l l o w i n g in s t r o d u c t i o n i s t h e d e s i g n o f t h e a d a p t i v e b l i n d e q u a l i z e r m o d u l e w h i c h i s a t r a n s v e r s a l f i l t e r b a s e d o n c o m p l e x d a t a s t r u c t u r e . t i m e - m u lt i p l e x e d f i l t e r a r c h i t e c t u r e a n d h i g h p e r f o r m a c e ma c u n i t u t i li z i n g b o o t h e n c o d i n g r e d u c e r e s o u r c e c o n s u m in g g r e a t l y . t h e n , t h e d e s i g n o f c a r r i e r r e c o v e r y m o d u l e w h i c h i s a t w o s t a g e d i g it a l p h a s e l o c k e d l o o p h a s b e e n d e s c r ib e d . t h e d i g i t a l p h a s e l o c k e d l o o p i s c a l c u l a t e d f r o m t h e c o r r e s p o n d i n g a n a l o g p h a s e lo c k e d l o o p a n d th e ta n fu n c t i o n o f t h e d d p h a s e d e te c t i o n a l g o r it h m is i m p l e m e n t a t i o n i n c o r d i c a r c h i t e c t u r e . f i n a l l y , t h e d e s i g n o f f e e d f o rw a r d e r r o r c o r r e c t i o n mo d u l e b a s e d o n al t e ra i p c o r e s h a s b e e n i n t r o d u c e d . t h e i n t e r f a c e o f a l t e r a v i t e r b i d e c o d e r i p c o r e i s i m p l e m e n t e d s t r i c t l y a c c o r d i n g t o a l t e r a a t l a n t i c i n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n . k e y wo r d s : 1 6 q a m, f p g a , f i lt e r , e q u a l i z e r , c a r r i e r r e c o v e r y , f e e d - f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n 西北工业人学硕士论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设 计 第一章 绪 论 1 . 1课题背景和来源 数字微波通信是在微波频段通过地面视距传播进行数字信息传输的一种无 线通信手段，既包括点对点数字微波，也包括点对多点数字微波。数字微波通 信是从2 0 世纪7 0 年代中、 后期发展起来的， 到今天为止已 经经历了2 0 多年的 历程。作为对人类的通信建设起到过重要作用的数字微波通信技术，曾经和卫 星、光纤一起被称为现代通信传输的三大支柱。2 0世纪 8 0年代中、后期，由 于光纤通信的兴起，数字微波的干线传输功能已 逐步被光纤所代替，数字微波 发展受阻。 但是数字微波作为一种无线传输方式，在灵活性、抗灾性和移动性方面具 有光纤传输所无法比拟的优点， 这也是它的优势所在。当前，数字微波仍有许 多发展机遇:如干线光纤传输的备份及补充、用于未来宽带业务接入的本地多 点分配业务 ( l m d s ) . 解决抗干 扰和加密等问 题的 军 用数字微波通信系统等。 同 时， 要发展数字微波通信技术也要注重突破一些关键技术: 如高频段传输技术、 在现有频段上的兼容技术、适用于各种用户的组网及接口技术等。 采用高效调制技术的大容量数字微波通信系统数据业务量高达百兆，需要 用到复杂的通信技术。 使用模拟器件实现时，电路系统复杂、 体积大、 功耗大、 调试不便、易出故障、不能满足智能化的要求。随着微电子学的发展，计算机 技术的进步， 特别是d s p 器件的发展， 数字信号处理技术在通信领域得到了广 泛的应用。因此，全数字接收机受到了普遍的关注。它用独立振荡于固定频率 的高稳定度时钟， 对接收机收到的信号 进行采样和解调处理，载波相位误差和 符号定时同步误差的消除、信号的判决、 信道编解码等一些工作全部用采样后 的数字信号处理器来完成。这种方式不再需要将载波误差信号反馈到混频器进 行调整，从而简化了接收机的前端设计。并且可以在不采用复杂的补偿技术的 情况下，通过算法来精确消除各种失真， 从而使接收机性能最优。 解决全数字 接收机中的关键问题，实现可靠的数据传输，是数字通信领域中的 一个重要课 题。 某微波通信设备公司长期从事微波通信设备研制，该公司根据市场需要设 立采用高效调制技术的全数字微波通信机研发项目。本文结合该项目， 研究和 开发采用1 6 q a m( 正交幅度调制) 调制技术的 全数字调制解调f p g a芯片。 1 . 2课题意义 全数字化微波通信机，降低了电路复杂度便于采用先进的算法提高通信 一1 西北工业人学硕士论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设 计 第一章 绪 论 1 . 1课题背景和来源 数字微波通信是在微波频段通过地面视距传播进行数字信息传输的一种无 线通信手段，既包括点对点数字微波，也包括点对多点数字微波。数字微波通 信是从2 0 世纪7 0 年代中、 后期发展起来的， 到今天为止已 经经历了2 0 多年的 历程。作为对人类的通信建设起到过重要作用的数字微波通信技术，曾经和卫 星、光纤一起被称为现代通信传输的三大支柱。2 0世纪 8 0年代中、后期，由 于光纤通信的兴起，数字微波的干线传输功能已 逐步被光纤所代替，数字微波 发展受阻。 但是数字微波作为一种无线传输方式，在灵活性、抗灾性和移动性方面具 有光纤传输所无法比拟的优点， 这也是它的优势所在。当前，数字微波仍有许 多发展机遇:如干线光纤传输的备份及补充、用于未来宽带业务接入的本地多 点分配业务 ( l m d s ) . 解决抗干 扰和加密等问 题的 军 用数字微波通信系统等。 同 时， 要发展数字微波通信技术也要注重突破一些关键技术: 如高频段传输技术、 在现有频段上的兼容技术、适用于各种用户的组网及接口技术等。 采用高效调制技术的大容量数字微波通信系统数据业务量高达百兆，需要 用到复杂的通信技术。 使用模拟器件实现时，电路系统复杂、 体积大、 功耗大、 调试不便、易出故障、不能满足智能化的要求。随着微电子学的发展，计算机 技术的进步， 特别是d s p 器件的发展， 数字信号处理技术在通信领域得到了广 泛的应用。因此，全数字接收机受到了普遍的关注。它用独立振荡于固定频率 的高稳定度时钟， 对接收机收到的信号 进行采样和解调处理，载波相位误差和 符号定时同步误差的消除、信号的判决、 信道编解码等一些工作全部用采样后 的数字信号处理器来完成。这种方式不再需要将载波误差信号反馈到混频器进 行调整，从而简化了接收机的前端设计。并且可以在不采用复杂的补偿技术的 情况下，通过算法来精确消除各种失真， 从而使接收机性能最优。 解决全数字 接收机中的关键问题，实现可靠的数据传输，是数字通信领域中的 一个重要课 题。 某微波通信设备公司长期从事微波通信设备研制，该公司根据市场需要设 立采用高效调制技术的全数字微波通信机研发项目。本文结合该项目， 研究和 开发采用1 6 q a m( 正交幅度调制) 调制技术的 全数字调制解调f p g a芯片。 1 . 2课题意义 全数字化微波通信机，降低了电路复杂度便于采用先进的算法提高通信 一1 西北工业大学硕 1 : 论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设 计 机性能指标， 便于采用计算机辅助设计，实 现电子设计自 动化， 便于移植、 集 成和大规模生产。 自 主研发的调制解调器，而不采用专用的调制解调芯片，更有利于自身的 技术积累和自我保护，更加自由，不会受到专用调制解调芯片技术的限制。 目 前，国内采用高效调制技术的微波通信机还没有得到推广，而市场对这 类设备的需求很大也 很急 迫， 推广此 类通 信机己 是 必然趋势。 另外， 1 6 q a m是 其他更高效调制技术， 如6 4 q a m, 1 2 8 q a m, 1 0 2 4 q a m等的 基础。 在1 6 q a m 微波通信机的基础上，可以继续发展采用更高效调制技术的通信机。所以，自 主研发的全数字化 1 6 q a m微波通信机是一个重要的技术突破，也是做超大容 量微波通信机的基础，对公司和社会都有着长远的意义。 本文参与开发的1 6 q a m 调制解调器是1 6 q a m微波通信机最核心、最重 要的模块， 也是其最重要的技术突破。该1 6 q a m 调制解调器将 1 6 q a m调制 解调所需要的信道编解码 ( 包括r s 码， 交织， 卷积码，扰码) 、发送端脉冲成 形滤波器、接收端的匹配滤波器、定时恢复、自 适应盲均衡、载波恢复和接口 电路全部集成到一个f p g a芯片上，实现了片上系统 ( s o c )设计，大大简化 了调制解调板的电路复杂度，提高了调制解调器的性能。 1 . 3论文内容和结构 本文主要负责 1 6 q a m调制解调器中 脉冲成形滤波器、自 适应盲均衡器、 载波恢复和前向纠错编码( f e c ) 的设计， 符号速率高达2 5 m b a u d / s ， 采样速率高 达 1 0 0 mh z ，要求在一片f p g a芯片e p i c 2 0 f 3 2 4 c 6 上实现，工作量很大，具 有一定难度。 本文按照设计要求初步完成了以上模块的设计，并在设计过程中采用了许 多先进的技术和设计理念， 合理地利用了f p g a资源， 优化了整个系统的设计， 缩短了开发周期。 本文用a l t e r a公司的d s p b u i l d e r 搭建了定点计算的1 6 q a m调制解调 系统， 是系统算法的快速实 验平台， 对整个系统有着举足轻重的作用。 而且d s p b u i l d e r 是专门为f p g a设计的， 跟实际的f p g a设计更贴近， 大大提高了设计 效率。本文对该仿真系统虽未作专门 介绍， 但是文中所有仿真结果都来自 于该 仿真系统。 本文采用多相结构和分布式算法( d a ) 实 现脉冲成形滤波器， 并结合f p g a 的特定结构优化了l u t 设计， 使滤波器的性能达到最优。 文中的滤波器、 均衡 器、载波恢复等多处都牵涉到大量的加法、乘法等算术运算， 加法器和乘法器 设计的好坏成为了系统性能好坏的一个决定性因素。本文设计了 c s a , 4 - 2压 缩器、c l a等重要的高速加法器及wa l l a c e 加法器树，大大减小了逻辑延迟， 西北工业大学硕 1 : 论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设 计 机性能指标， 便于采用计算机辅助设计，实 现电子设计自 动化， 便于移植、 集 成和大规模生产。 自 主研发的调制解调器，而不采用专用的调制解调芯片，更有利于自身的 技术积累和自我保护，更加自由，不会受到专用调制解调芯片技术的限制。 目 前，国内采用高效调制技术的微波通信机还没有得到推广，而市场对这 类设备的需求很大也 很急 迫， 推广此 类通 信机己 是 必然趋势。 另外， 1 6 q a m是 其他更高效调制技术， 如6 4 q a m, 1 2 8 q a m, 1 0 2 4 q a m等的 基础。 在1 6 q a m 微波通信机的基础上，可以继续发展采用更高效调制技术的通信机。所以，自 主研发的全数字化 1 6 q a m微波通信机是一个重要的技术突破，也是做超大容 量微波通信机的基础，对公司和社会都有着长远的意义。 本文参与开发的1 6 q a m 调制解调器是1 6 q a m微波通信机最核心、最重 要的模块， 也是其最重要的技术突破。该1 6 q a m 调制解调器将 1 6 q a m调制 解调所需要的信道编解码 ( 包括r s 码， 交织， 卷积码，扰码) 、发送端脉冲成 形滤波器、接收端的匹配滤波器、定时恢复、自 适应盲均衡、载波恢复和接口 电路全部集成到一个f p g a芯片上，实现了片上系统 ( s o c )设计，大大简化 了调制解调板的电路复杂度，提高了调制解调器的性能。 1 . 3论文内容和结构 本文主要负责 1 6 q a m调制解调器中 脉冲成形滤波器、自 适应盲均衡器、 载波恢复和前向纠错编码( f e c ) 的设计， 符号速率高达2 5 m b a u d / s ， 采样速率高 达 1 0 0 mh z ，要求在一片f p g a芯片e p i c 2 0 f 3 2 4 c 6 上实现，工作量很大，具 有一定难度。 本文按照设计要求初步完成了以上模块的设计，并在设计过程中采用了许 多先进的技术和设计理念， 合理地利用了f p g a资源， 优化了整个系统的设计， 缩短了开发周期。 本文用a l t e r a公司的d s p b u i l d e r 搭建了定点计算的1 6 q a m调制解调 系统， 是系统算法的快速实 验平台， 对整个系统有着举足轻重的作用。 而且d s p b u i l d e r 是专门为f p g a设计的， 跟实际的f p g a设计更贴近， 大大提高了设计 效率。本文对该仿真系统虽未作专门 介绍， 但是文中所有仿真结果都来自 于该 仿真系统。 本文采用多相结构和分布式算法( d a ) 实 现脉冲成形滤波器， 并结合f p g a 的特定结构优化了l u t 设计， 使滤波器的性能达到最优。 文中的滤波器、 均衡 器、载波恢复等多处都牵涉到大量的加法、乘法等算术运算， 加法器和乘法器 设计的好坏成为了系统性能好坏的一个决定性因素。本文设计了 c s a , 4 - 2压 缩器、c l a等重要的高速加法器及wa l l a c e 加法器树，大大减小了逻辑延迟， 西北工业人学硕i s 论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 提高了电路频率。乘法器和乘加器 ( ma c )的设计更加关键，本文采用改进的 b o o t h 编码和wa l l a c e 加法器树设计出了超过 l 0 0 mh z 的ma c运算单元，从而 能够在设计均衡器时 4次复用滤波器抽头，在设计载波恢复的相位旋转器时4 次复用m a c运算单元， 极大地减小了f p g a资源消耗。 d d相位检测算法的反 正切函数用c o r d i c旋转结构实现， 既简单又快速。 环路滤波器部分采用了s p t 编码，只用简单的移位就实现了乘法运算。卷积交织器设计的关键部分是读写 地址生成器，本文巧妙简单的地址生成方法，将读写地址生成器占 用的逻辑资 源从2 0 0 多个减少到了6 0 多个。 r s 编码、 解码和v i t e r b i 译码的i p c o r e 设计 方法更是将该部分的开发周期缩短到了一周以内。 本文主要内容如下: 系统算法的ma t l a b定点仿真。 高性能滤波器的设计。 自 适应盲均衡器的设计。 载波恢复环路的设计。 基于 i p c o r e 的前向纠错编码的设计。 本文章节结构安排如下: 第一章简单介绍了本文的课题背景、课题意义和论文内容与结构。 第二章介绍了1 6 q a m调制的原理与性能、实现1 6 q a m m o d e m的器 件选择，以 及1 6 q a m m o d e m发送端和接收端的总体设计方案。 第三章主要介绍高性能滤波器的f p g a设计和优化方法，包括各种滤 波器的背景知识、算术逻辑部件的f p g a设计方法，最后详细介绍了 1 6 q a m m o d e m中 发 送 端 脉 冲成 形 滤 波 器的 具 体实 现。 本 章内 容 在后 续章节也有多处用到，是后面几章的基础。 第四章主要介绍自 适应盲均衡器的f p g a设计。首先简单介绍了自适 应均衡器的背景知识和本文的自 适应均衡器设计方案，然后具体介绍 了均衡器各个部分的具体实现以及均衡器设计中很重要的高速 m a c ( 乘加) 运算单元的设计， 最后给出了均衡器性能的实现与仿真结果。 第五章主要介绍载波恢复环路的f p g a设计。首先介绍二阶锁相环载 波恢复的原理与本文数字二阶锁相环载波恢复的设计方案， 然后介绍 了载波恢复环路各个部分的具体实现，并给出了实现与仿真结果。 第六章主要介绍基于i p c o r e 的前向纠错编码的f p g a设计， 包括r s 码、卷积交织和卷积码及其v i t e r b i 译码，并对v it e r b i 译码器i p c o r e 的接口设计进行了详细介绍。 第七章总结全文.并给出了一些改进思路。 西北工业大学硕上 论文1 6 0 a m基带m o d e m的f p g a芯片设 训 第二章1 6 q a m mo d e m芯片设计综述 2 . 1 q a m调制技术 q a m调制是一种被进行了 广泛研究的高效调制方式， 具有很高的频谱利用 效率，实现起来也比 较方便，在各种通信系统中有着广泛的应用，是数字微波 通信、卫星通信、有线电视网数字视频广播等的主要调制方式。 2 . 1 . 1 q a m 调制的基本原理 q a m正交幅度调制是用两路独立的信号分别去调制同 相与正交两个载波， q a m已 调信号可以表示为: s . ( t ) = r e ( a . , + j a _ ) g ( t ) e 2 f r , ( m 二 1 , 2 , . ., m ,0 5 t t ) = a . , g ( t ) c o s 2 磷t 一 a _ g ( t ) s i n 2 磷t 式中， a,。 和a m ， 是承载 信息的 正交 载波的 信 号幅 度， 8 ( t ) 是信号 脉冲。 用另 一种方法可将q a m信号波形表示为: s m ( t ) 二 r e 气 e 19 g ( t ) e 2 二 叹g ( t ) c o s ( 2 袄t + 氏) ( 2 - 1 - 1 ) ( 2 - 1 - 2 ) 式 中 v . = 了 a ,2, 。 十 a 二 ; ， b m = ta n - ( a - / a . . ) 。 该 表 达 式 表 明 ， q a m 信 号 波 形 可 以 看做组合幅度和相位调制。 2 . 1 .2 1 6 q a m调制的性能 q a m 信号的波形可以表示成两个标准正 交信号波形f ( t) 和f 2 ( t ) 的线性组 合，即 s m ( t ) = s m , ( t ) 厂 ( t ) + s . 2 ( t ) 儿( t ) ( 2 - 1 - 3 ) 式中 1 2， 、， ， “ v 瓦 g tt ) c o s l 7q ,r 2， 、. 瓦 g tt) s in t g cr (t)(t) 厂几 ( 2 - 1 - 4 ) 西北工业大学硕上 论文1 6 0 a m基带m o d e m的f p g a芯片设 训 第二章1 6 q a m mo d e m芯片设计综述 2 . 1 q a m调制技术 q a m调制是一种被进行了 广泛研究的高效调制方式， 具有很高的频谱利用 效率，实现起来也比 较方便，在各种通信系统中有着广泛的应用，是数字微波 通信、卫星通信、有线电视网数字视频广播等的主要调制方式。 2 . 1 . 1 q a m 调制的基本原理 q a m正交幅度调制是用两路独立的信号分别去调制同 相与正交两个载波， q a m已 调信号可以表示为: s . ( t ) = r e ( a . , + j a _ ) g ( t ) e 2 f r , ( m 二 1 , 2 , . ., m ,0 5 t t ) = a . , g ( t ) c o s 2 磷t 一 a _ g ( t ) s i n 2 磷t 式中， a,。 和a m ， 是承载 信息的 正交 载波的 信 号幅 度， 8 ( t ) 是信号 脉冲。 用另 一种方法可将q a m信号波形表示为: s m ( t ) 二 r e 气 e 19 g ( t ) e 2 二 叹g ( t ) c o s ( 2 袄t + 氏) ( 2 - 1 - 1 ) ( 2 - 1 - 2 ) 式 中 v . = 了 a ,2, 。 十 a 二 ; ， b m = ta n - ( a - / a . . ) 。 该 表 达 式 表 明 ， q a m 信 号 波 形 可 以 看做组合幅度和相位调制。 2 . 1 .2 1 6 q a m调制的性能 q a m 信号的波形可以表示成两个标准正 交信号波形f ( t) 和f 2 ( t ) 的线性组 合，即 s m ( t ) = s m , ( t ) 厂 ( t ) + s . 2 ( t ) 儿( t ) ( 2 - 1 - 3 ) 式中 1 2， 、， ， “ v 瓦 g tt ) c o s l 7q ,r 2， 、. 瓦 g tt) s in t g cr (t)(t) 厂几 ( 2 - 1 - 4 ) 西北a 一 业人学硕士 论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 式中， 氛是 信号 脉 冲$ ( t) 的 能 量 任意一对信号向量之间的欧式距离是 d m nl 一 lis ， 一 s 合 k (a ., a _ ) z + ( a 、 一 凡 、 ) ， ( 2 小 5 ) 在特殊情况下， 即信号幅度取一组离散值 ( 2 二 一 1 - md , m = 1 ,2. . , m ， 信号空 间图是矩形的。在这种情况下，相邻两点间的欧式距离即最小距离为 d m ;. = d 风 为了 求q a m的错误概率，必须详细说明 信号点星座图，图2 - 1 是1 6 q a m 的一个矩形信号点星座图。 图2 - l 1 6 q a m矩形信号星 座图 因为错误概率主要取决于信号点之间的最小距离，对信号星座图施加条件 二 2 a，并根据所有点是等概的前提条件来计算平均发送功率，有 二 = 1 氢 (礁 + a ,) -m .-, : . ( a m 能 信号 代替 分频时 钟 2 . 2 .2基于i p c o r e 的f p g a设计 今天在单个芯片上己经可以集成成千上万乃至上亿个晶体管，实现了以前 需要印制电路板甚至机架才能完成的功能。 在这样高的集成度下， 设计难度已 经变得非常高，设计代价事实上主导了 芯片的代价。 这不仅要求设计者必须具 备系统和芯片两方面知识，同时也必须充分考虑市场竞争的压力，最大限度的 缩短设计周期。凡从零做起的思路显然不能适应这种情况，而采用前人成功的 设计经验和设计资料是解决这个问题的明智选择。具有知识产权的内核 ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y c o r e ) 是一 个经过验证的 集成电 路设计， 可以 被 他人重 用。 a l t e r a公司的i p c o r e 价格很低， 而且 简单易用。 在q u a r tu s i i 中的一个 工具条i p t o o l b e n c h 上就可以快捷的查看i p c o re相关文档，设置i p c o r e 参数 西北工业人学顾 i : 论文i 6 q a m基带m o d e m的f p g a d u 片设6t 主工作时钟。专用时钟资源主要指两部分，一部分是布线资源，包括全局时钟 布线资源和长线资源等: 另一部分是f p g a内部的锁相环p l l或者延迟锁相环 d l l . a l t e r )、 的f p g a芯片e p i c 2 0 f 3 2 4 c 6 提供8 个全局时钟和两个p l l 足以满足本文稳定时钟的需求。 为了设计高性能的电路，每个模块尽量用单时钟。但是大部分场合，总是 存在多个时钟的， 这时候常常会采用高 速的外部时钟作为输入的主时钟， 用分 频的方法产生一些低频率的二次时钟， 如图2 - 3 ( a ) 所示。虽然这样二次时钟产 生器可以 使用同步原理来设计， 但这种方案有一个严重缺点， 就是二次时钟相 对于系统主时钟可能存在过大的时钟歪斜( c l o c k s k e w ) 。 通过合理选用使能信号， 我们可以 将它转化为 单时钟多 路并 行处 理的问 题， 如图 2 - 3 ( b ) 所示， 就可以 解 决上述问 题。 所以，多时钟的时候分频时钟尽量用使能信号代替， 避免行波时 钟和门控时钟。 门 n - 0 1 托 国n 1 0 1 图2 - 3多时 钟系 统 设计方法 ( a ) 分频时 钟 ro 能 信号 代替 分频时 钟 2 . 2 .2基于i p c o r e 的f p g a设计 今天在单个芯片上己经可以集成成千上万乃至上亿个晶体管，实现了以前 需要印制电路板甚至机架才能完成的功能。 在这样高的集成度下， 设计难度已 经变得非常高，设计代价事实上主导了 芯片的代价。 这不仅要求设计者必须具 备系统和芯片两方面知识，同时也必须充分考虑市场竞争的压力，最大限度的 缩短设计周期。凡从零做起的思路显然不能适应这种情况，而采用前人成功的 设计经验和设计资料是解决这个问题的明智选择。具有知识产权的内核 ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y c o r e ) 是一 个经过验证的 集成电 路设计， 可以 被 他人重 用。 a l t e r a公司的i p c o r e 价格很低， 而且 简单易用。 在q u a r tu s i i 中的一个 工具条i p t o o l b e n c h 上就可以快捷的查看i p c o re相关文档，设置i p c o r e 参数 西北工业人学硕士论文1 6 0 a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 和第三方工具，产生进行仿真、综合、布线等设计需要的所有文件。 2 .3 1 6 q a m mo d e m f p g a芯片的总体设计 本节总体介绍1 6 q a m m o d e m的设计方案， 包括发送端的总体设计方案和 接收端的总体设计方案。 2 .3 . 1发送端总体设计 本文mo d e m发送端的总体设计框图如图2 - 4 所示。图中，s r r c滤波器是 指平方根升余弦滚降滤波器。 t x d a t a 是成帧以后的输入数据字节， 每字节8 位， 经过 r s码、卷积交织和卷积码组成的级联码加入具有强大纠错能力的冗余编 码， 然后进行1 6 q a m符号映射， 得到同 相( 1 ) 和正交( q ) 两路信号，再进行4 倍 插值和脉冲成形滤波器输出到外面的d / a转换器进行中频和射频处理。其中， r s 编码部分采用a l t e r a公司的i p c o r e 实现。 凌d 不 0 9 2 - 4 1 6 q a m m o d e m发送端总 体设计 本文1 6 q a m m o d e m发送端的 输入是4 3 .7 5 m h z 的8 位并 行数据， 输出是 1 0 0 mh z的1 0 位并行数据，中间有7 / 8 码率卷积编码。本文以7 / 8 码率的卷积 编码的删余模块为界划分为两个时钟域，其他整数倍分频时钟都用使能信号代 替。图2 - 5 为本文发送端的系统时钟。 芯片输入时钟mc l k为8 7 .s mh z ， 利用 f p g a芯片内部p l l产生一个 1 0 0 mh z 的时钟mp c l k. 8 7 .5 mh z 的输入时钟 作为卷积编码删余之前的处理部分的主时钟，并用来产生字节时钟使能信号 t m d c l k e n 和比 特时 钟 使能 信号t m d 多c l k e n . m p c l k时 钟信号作为 卷积编 码 删余之后的处 理部分的 主时 钟， 并 用 来 产生2 分频使能 信号t m d - p c l k e n 和 4 分频 使能 信号t m d we p s c l k e n ( 1 6 q a m符号 时钟使能 信号) 口 图2 - 5 ( a ) 中r e s e 丁 p 是p l l复位信号， r e s e t 是芯片全局复 位信号，也就是说芯片的全局复位是通 过对p l l复位间接实现的。 西北工业人学硕士论文1 6 0 a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 和第三方工具，产生进行仿真、综合、布线等设计需要的所有文件。 2 .3 1 6 q a m mo d e m f p g a芯片的总体设计 本节总体介绍1 6 q a m m o d e m的设计方案， 包括发送端的总体设计方案和 接收端的总体设计方案。 2 .3 . 1发送端总体设计 本文mo d e m发送端的总体设计框图如图2 - 4 所示。图中，s r r c滤波器是 指平方根升余弦滚降滤波器。 t x d a t a 是成帧以后的输入数据字节， 每字节8 位， 经过 r s码、卷积交织和卷积码组成的级联码加入具有强大纠错能力的冗余编 码， 然后进行1 6 q a m符号映射， 得到同 相( 1 ) 和正交( q ) 两路信号，再进行4 倍 插值和脉冲成形滤波器输出到外面的d / a转换器进行中频和射频处理。其中， r s 编码部分采用a l t e r a公司的i p c o r e 实现。 凌d 不 0 9 2 - 4 1 6 q a m m o d e m发送端总 体设计 本文1 6 q a m m o d e m发送端的 输入是4 3 .7 5 m h z 的8 位并 行数据， 输出是 1 0 0 mh z的1 0 位并行数据，中间有7 / 8 码率卷积编码。本文以7 / 8 码率的卷积 编码的删余模块为界划分为两个时钟域，其他整数倍分频时钟都用使能信号代 替。图2 - 5 为本文发送端的系统时钟。 芯片输入时钟mc l k为8 7 .s mh z ， 利用 f p g a芯片内部p l l产生一个 1 0 0 mh z 的时钟mp c l k. 8 7 .5 mh z 的输入时钟 作为卷积编码删余之前的处理部分的主时钟，并用来产生字节时钟使能信号 t m d c l k e n 和比 特时 钟 使能 信号t m d 多c l k e n . m p c l k时 钟信号作为 卷积编 码 删余之后的处 理部分的 主时 钟， 并 用 来 产生2 分频使能 信号t m d - p c l k e n 和 4 分频 使能 信号t m d we p s c l k e n ( 1 6 q a m符号 时钟使能 信号) 口 图2 - 5 ( a ) 中r e s e 丁 p 是p l l复位信号， r e s e t 是芯片全局复 位信号，也就是说芯片的全局复位是通 过对p l l复位间接实现的。 西北工业人学硕士论文1 6 0 a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 和第三方工具，产生进行仿真、综合、布线等设计需要的所有文件。 2 .3 1 6 q a m mo d e m f p g a芯片的总体设计 本节总体介绍1 6 q a m m o d e m的设计方案， 包括发送端的总体设计方案和 接收端的总体设计方案。 2 .3 . 1发送端总体设计 本文mo d e m发送端的总体设计框图如图2 - 4 所示。图中，s r r c滤波器是 指平方根升余弦滚降滤波器。 t x d a t a 是成帧以后的输入数据字节， 每字节8 位， 经过 r s码、卷积交织和卷积码组成的级联码加入具有强大纠错能力的冗余编 码， 然后进行1 6 q a m符号映射， 得到同 相( 1 ) 和正交( q ) 两路信号，再进行4 倍 插值和脉冲成形滤波器输出到外面的d / a转换器进行中频和射频处理。其中， r s 编码部分采用a l t e r a公司的i p c o r e 实现。 凌d 不 0 9 2 - 4 1 6 q a m m o d e m发送端总 体设计 本文1 6 q a m m o d e m发送端的 输入是4 3 .7 5 m h z 的8 位并 行数据， 输出是 1 0 0 mh z的1 0 位并行数据，中间有7 / 8 码率卷积编码。本文以7 / 8 码率的卷积 编码的删余模块为界划分为两个时钟域，其他整数倍分频时钟都用使能信号代 替。图2 - 5 为本文发送端的系统时钟。 芯片输入时钟mc l k为8 7 .s mh z ， 利用 f p g a芯片内部p l l产生一个 1 0 0 mh z 的时钟mp c l k. 8 7 .5 mh z 的输入时钟 作为卷积编码删余之前的处理部分的主时钟，并用来产生字节时钟使能信号 t m d c l k e n 和比 特时 钟 使能 信号t m d 多c l k e n . m p c l k时 钟信号作为 卷积编 码 删余之后的处 理部分的 主时 钟， 并 用 来 产生2 分频使能 信号t m d - p c l k e n 和 4 分频 使能 信号t m d we p s c l k e n ( 1 6 q a m符号 时钟使能 信号) 口 图2 - 5 ( a ) 中r e s e 丁 p 是p l l复位信号， r e s e t 是芯片全局复 位信号，也就是说芯片的全局复位是通 过对p l l复位间接实现的。 西北t 业大学硕士论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 mcl k r e s e t p p clk re s e t ( a ) 使用f p g a内部锁相环产生分频时钟 ( b ) 时 钟使能 信号产生电路 9 1 2 - 5 1 6 q a m m o d e m发送端 部分时 钟产生电 路 2 .3 .2接收 端总 体设 计 本文所设计的m o d e m芯片的接收部分总体框图如图2 - 6 所示。 a / d转换器 工作在四倍于符号速率的采样速率i o o m h z , 输出 数据精度为8 b i t ， 经过内 插滤 波器调整定时相位，从而获得最优的检测符号。内插滤波器的输出信号速率为 两倍的波特率，经过自 适应均衡器消除码间千扰和频谱失真。 然后由载波恢复 模块消除均衡器输出 信号的载波频偏、相偏和相位抖动。最后经过对应于发送 端前向 纠错编码的解码模块恢复出原始数据。 其中， v i t e r b i 译码器和r s解码 器采用a l t e r a公司的i p c o r e 实现。 一 一 一 甲 一 一 一 一 一 下 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 e p 1 c 2 0 f 3 2 4 c 6 -111! 09 2 - 6 1 6 q a m m o d e m 接收 端总 体设计 接收部分的时钟及时钟使能 信号跟发 送端相对应， m p c l k和m c l k跟发 送端共享相同的时钟信号， r md时钟使能信号和发送端的t md使能信号对应， 只不过都由定时恢复出来的时钟给出。 西北t 业大学硕士论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片设计 mcl k r e s e t p p clk re s e t ( a ) 使用f p g a内部锁相环产生分频时钟 ( b ) 时 钟使能 信号产生电路 9 1 2 - 5 1 6 q a m m o d e m发送端 部分时 钟产生电 路 2 .3 .2接收 端总 体设 计 本文所设计的m o d e m芯片的接收部分总体框图如图2 - 6 所示。 a / d转换器 工作在四倍于符号速率的采样速率i o o m h z , 输出 数据精度为8 b i t ， 经过内 插滤 波器调整定时相位，从而获得最优的检测符号。内插滤波器的输出信号速率为 两倍的波特率，经过自 适应均衡器消除码间千扰和频谱失真。 然后由载波恢复 模块消除均衡器输出 信号的载波频偏、相偏和相位抖动。最后经过对应于发送 端前向 纠错编码的解码模块恢复出原始数据。 其中， v i t e r b i 译码器和r s解码 器采用a l t e r a公司的i p c o r e 实现。 一 一 一 甲 一 一 一 一 一 下 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 一 一 e p 1 c 2 0 f 3 2 4 c 6 -111! 09 2 - 6 1 6 q a m m o d e m 接收 端总 体设计 接收部分的时钟及时钟使能 信号跟发 送端相对应， m p c l k和m c l k跟发 送端共享相同的时钟信号， r md时钟使能信号和发送端的t md使能信号对应， 只不过都由定时恢复出来的时钟给出。 西北t业人学硕t : 论文1 6 q a m基带m o d e m的f p g a芯片a汁 另外，由于采用内插方法的定时恢复部分 ( 图2 - 6的灰色部分)和接口 部 分由同组其他工作人员完成，所以本文对这一部分不做介绍。本文假设定时恢 复后面的所有模块的驱动时钟都产生于定时恢复模块恢复出