（通信与信息系统专业论文）无线通信系统的fpga设计和研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名： 隰趁：瑚 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名i 澎修 导师签 日期：型z ! ：7 日期： 3 华东师范大学硕士学位论文 摘要 在数字化、信息化的时代，数字集成电路应用得非常广泛随着微电子技术 和工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模 集成电路( v 】l s l c ) 逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 但是a s i c 因其 设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。可编程逻辑器 件的出现弥补了a s i c 的缺陷，使得设计的系统变得更加灵活，设计的电路体积 更加小型化，重量更加轻型化，设计的成本更低，系统的功耗也更小了。f p g a 是英文f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y 的缩写，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它是作为专用集成电路 ( a s l 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。 本论文撰写的是用f p g a 来实现无人小飞机系统中基带信号的处理过程。整 个信号处理过程全部采用v h d l 硬件描述语言来设计，并用m o d e l s i m 仿真系统 功能进行调试，最后使用了x i l i n x 公司可编程的f p g a 芯片x c 2 s 1 0 0 完成，满 足系统设计的要求。 本文首先研究和讨论了无线通信系统中基带信号处理的总体结构，接着详细 阐述了各个模块的设计原理和方法，以及f p g a 结果分析，最后就关键技术和难 点作了详细的分析和研究。本文的最大特色是整个系统全部采用f p g a 的方法来 设计实现，修改灵活，体积小，功耗小。本系统的设计包括了数字锁相环、纠错 编解码、码组交织、扰码加入、巴克码插入、帧同步识别、d p s k 调制解调及选 择了整体的时序，所有的组成部分都经过了反复地修改和调试，取得了良好的数 据处理效果，其关键之处与难点都得到了妥善地解决。本文分别在发射部分( 编 码加调制) 和接收部分( 解调加解码) 相独立和相联系的情况下，获得了仿真与 实测结果。 关键词：f p g a ，汉明码，数字锁相环，d p s k ，巴克码，同步电路 5 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ed i g i t a la n di n f o r m a t i o ne r a ，t h ed i g i t a li ca p p l i e se x t r e m e l y w i d e l y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r oe l e c t r o nt e c h n o l o g ya n d c r a f t ，t h ed i g i t a li cg r a d u a l l yd e v e l o p sf r o mt h ee l e c t r o nt u b e ，t h e t r a n s i s t o r ，t h es m a l ls c a l ei n t e g r a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，t h ev l s i ct o a s i c h o w e v e r ，t h es c o p eo fa s i c sa p p l i c a t i o ni sr e s t r i c t e db yi t sl o n g d e s i g nc y c l e ，l a r g ei n v e s t m e n to ni t se d i t i o nc o r r e c t i o na n di t sp o o r f l e x i b i l i t y t h ea p p e a r a n c eo fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e sh a sm a d eu p t h ea s i c sf l a w , a n dm a k e si tp o s s i b l et od e s i g nm o r ef l e x i b l ew i t hs m a l l e r c i r c u i ts i z e ，l i g h t e rw e i g h t ，l o w e rc o s ta n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n t h e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，d e v e l o p i n gf r o mp a l ，le p l da n d o t h e rp r o g r a m m a b l ed e v i c e s 。i sa sas e m i c u s t o mc i r c u i to fa s i c i ts o l v e d t h el a c ko fc u s t o m i z a t i o nc i r c u i t a n da l s oo v e r c o m et h ee x i s t i n g s h o r t c o m i n g so fp r o g r a m m a b l eg a t ec i r c u i td e v i c e s sl i m i t e dn u m b e r t h i sp a p e rw a sw r i t t e na b o u tt h ew a yo fu s i n gf p g at od e s i g nt h e p r o c e s s i n go fb a s eb a n ds i g n a lo nas m a l lu n m a n n e da i r c r a f ts y s t e m a l l o ft h es i g n a lp r o c e s s i n gi sd e s i g n e db y 、， lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e a n ds i m u l a t e da n dd e b u g g e db ym o d e l s i ms i m u l a t i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h e s y s t e mi sc o m p l e t e dt h r o u g hp r o g r a m m i n gt ox c 2 s 1 0 0 。w h i c hi saf p g ac h i p p r o d u c e db yx i l i n xc o m p a n y a l lo ft h ed e s i g nh a sm e tt h er e q u i r e m e n t s o fs y s t e m f i r s t l y ，i nt h i sp a p e rw ed i s c u s s e da b o u tt h et ot h eo v e r a l ls t r u c t u r e o ft h eb a s eb a n ds i g n a lp r o c e s s i n gd e s i g no naw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e n ，ig a v ea d e t a i le x p l a n a t i o no fe a c hm o d u l ed e s i g np r i n c i p l e s a n dm e t h o d o l o g i e s f i n a l l y ，w em a d ead e t a i la n a l y s i so fk e yt e c h n o l o g y a n dd i f f i c u l t t h em o s ts i g n i f i c a n tf e a t u r eo ft h i ss y s t e mi st h eu s eo f f p g ad e s i g nm e t h o d st oa c h i e v er e v i s e df l e x i b i l i t y ，s m a l ls i z e ，p o w e r d i s s i p a t i o n t h i ss y s t e mi n c l u d e sad i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ，e r r o r c o r r e c t i o nc o d i n g ，t h ei n t e r t w i n e dc o d i n g , a d d i n gs c r a m b l e c o d e ，i n s e r t i n gb a r k e rc o d e ，f r a m es y n c h r o n i z a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ， d p s k m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na n dt h ec h o o s i n go ft h ew h o l et i m i n g a f t e r a l lt h ec o m p o n e n t sh a v eb e e nr e p e a t e d l ym o d i f i e da n dd e b u g g e d ，w ea c h i e v e d 6 华东师范大学硕士学位论文 g o o dr e s u l t si nt h ed a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h ek e yd i f f i c u l th a sb e e n s u c c e s s f u l l ys o l v e d ih a sg o ts i m u l a t i n ga n dr e a l t e s t i n gr e s u l to ft h e w h o l es y s t e m k e y w o r d s ：f p g a ，h a m m i n gc o d e s ，d i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ，d p s k ，b a r k e r c o d e ，s y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t 7 华东师范大学硕士学位论文 1 1 现状分析 第1 章绪论 数字化、大容量、远距离、高效率、多信源及保密性、可靠性、智能化等成 为现代通信系统的发展方向，随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应 用，无线通信已经成为电信产业最大的部门之一，经过十年多的稳步发展，俨然 是2 1 世纪中最有发展潜力的领域。同时，随着数字技术的飞速发展，应用数字信 号处理在通信系统中的应用越来越重要。 本文所讨论的无线通信系统主要是指无人小飞机无线传输系统中的数字基 带信号处理系统。无人小飞机电子探测系统可以广泛应用于摄像、探距、探矿、 探灾等方面。近年来，美国、日本等国都在研究无人小飞机探测系统，而且已有 了很大的突破，我国也已有数家单位研制成无人小飞机，但发现不少问题，主要 问题在于可靠性还不理想，电子系统未完全模块化，同步和实时性不理想等 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 l 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。目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、公司的t p c 系列、a l t e r a 公 司的f i e x 系列等。f p g a 芯片以编程方便、集成度高、速度快、价格低等特点在 通讯领域被广泛地应用，特别是在无线通信领域里，由于具有极强的实时性，使 其对信号进行实时处理成为可能 1 2 论文的意义 f p g a 中的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统，因此 对于数字基带信号的处理系统本文采用近年来发展迅速的现场可编程门阵列 ( f p g a ) 来设计实现，并用v h d l 硬件描述语言对每一部分的功能进行模块化 的设计，占用了尽量少的资源，可读性强。相对于采用a s l c 芯片设计硬件电路 设计方法，采用f p g a 设计可以大大减小系统的体积，符合了无人小飞机系统设 计对体积和重量的要求。 由于f p g a 是通过面向芯片结构指令的软件编程来实现其功能的，因而仅修 l o 华东师范大学硕士学位论文 改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能，因而具有极 大的灵活性，便于修改，从而能够不断完善系统的功能。 利用f p g a 进行设计的一个重要原因是市场上存在着大量以 ( 知识产权) r e 式呈现的预设计好电路模块，设计工程师可以取得使用许可证并将其集成到他们 自己的系统中。f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之 1 3 主要研究内容 在系统设计中，有了设计思想和设计方法以后，最主要也是最花时间的工 作就是对设计的程序进行综合和仿真本人的主要工作是：在设计中按照模块化 的设计原则，对收发系统中各个小模块单独进行综合和功能仿真，依据仿真结果 和设计要求对各模块程序进行独立的分析并作相应的修改，通过综合以后在 m o d e l s i m 软件上编写每个模块的仿真测试波形图，最后进行功能仿真和后仿真。 接着，再进行系统联调，这里考虑到整个系统的时序问题和f p g 实现要注意的 延时等问题，联调中会出现很多的错误，本人对这些出错的地方进行了仔细的分 析，弗对设计的程序做了相应的修改，反复调试以后，最终完成了整个系统的综 合和仿真，得到了比较满意的仿真结果。最后，为了保证系统的稳定性和检测误 码情况，本人也对系统进行了不同情况的测试。 文讨论的无线通信系统中的数字基带信号处理系统主要包括以下几方面的 内容：纠错编解码、码组交织、扰码加入、巴克码插入、数字锁相环、帧同步识 别、d p s k 调制解调。首先基于f p g a 的软件平台对各模块进行设计和仿真调 试，最后结合时序对整个系统进行调试和修改，使之成为一个集成的嵌入式系统。 论文的章节安排如下： 第一章：主要介绍本论文的研究背景、意义、创新之处和主要内容。 第二章：介绍了基带信号处理系统的整体框架结构，f p g a 芯片结构和原理 以及它的软件设计开发平台 第三章：介绍了信道编译码系统的设计和调试过程。其中包括：汉明编译 码的原理和设计选择，交织距阵大小的选择，扰码的选择和插入以及系统时序的 设计讨论。另外，本章详细介绍了帧同步电路的工作原理和设计实现，在帧同步 电路中加入了前向保护电路和后向保护电路，极大地减小了假同步和漏同步的产 生。在系统设计中，帧同步电路的调试设计是一个难点。本章最后对信道编译码 系统进行一系列调试和修改后，对得的数据进行了分析。 第四章：介绍了数字锁相环技术和d p s k 调制解调。在本章中对数字锁相 环技术进行了深入探讨，提出了一种新的数字锁相环设计的改进方法，同时，利 1 1 华东师范大学硕士学位论文 用所设计的数字锁相环来进行相位跟踪，产生几种功能不同的信号。同样，最后 也将对仿真结果进行了分析。d p s k 调制解调系统的设计中，主要采用p s k 调 制和差分编码的方法来产生d p s k 信号，解调过程类同。 第五章：对基于f p g a 系统对基带信号处理的设计系统进行总结，讨论了目 前尚存在的问题，提出进一步研究和改进的方向 1 4 论文的创新之处 从设计工具和设计方法上来看，本系统全部是采用了f p g a 的方法进行设 计，整个信号处理过程都通过v h d l 程序进行模块化的设计来实现，而不是搭 硬件电路来实现。由于采用了v h d l 语言设计，并用i s e 软件平台和m o d e l s i m 仿真工具来综合调试系统的性能，使得整个系统具有可灵活修改的特点。本系统 设计的最终实现是只需将收发模块的程序分别下载到两块f p g a 芯片中即可完 成，因此本系统具有很高的集成度，大大缩减了系统的体积，满足了无人小飞机 系统中的应用要求 另外，从信号处理的方法上来看，本文提出了一种新的设计数字锁相环的方 法，并对数字锁相环灵活地加以修改和优化，用于产生功能不同的信号。改进的 数字锁相环模型为； 利用高速采样时钟，通过对一个采样周期内的采样，统计其中采样到的 高、低电平数，并比较两者大小来锁定相位。大小比较过程代替了传统 设计方法中用异或门进行相位鉴定。 统计高、低电平数的高速时钟采样信号即为两个指针，当碰到相位失锁 ( 即信号超前或滞后) 时，可以通过修改指针值的大小，重新锁定相位， 以此代替传统设计方法中的“加”、“扣”脉冲的方法，大大缩短了相位 锁定的时间。 在相位锁定时，可以针对于产生不同功能的信号，只要对数字锁相环程 序加以改进即可，使用灵活方便。 在课题中，利用到数字锁相环为：载波同步，位同步、帧同步和差分编解 码。各处的锁相环设计都有所不同。在设计同时，也尽可能考虑到程序代码的优 化，尽量占用少的系统资源。特别是在提取相干载波的时候，由于系统使用d p s k 调制方式，基带信号对载波进行调制时，可能发生的多种情况的相位突变，应全 面考虑，并相应地对数字锁相环加以改进。改进方法是在第一个和最后一个采样 后加上标志位，通过标志值的变化来区分是否发生相位突变。测试的结果可以看 出，在第二个采样周期内，就可以把信号的相位锁定，大大缩短了相位锁定的时 间。 华东师范大学硕士学位论文 第2 章系统的整体设计结构和软件平台 2 1 无线传输系统的整体框架 无线传输系统的整体框架如图2 1 所示： 薮据 图2 1 无线数据传输系统的框架 图中所示是无线传输系统的收发系统的框图，其中接收系统是发送系统的一 个逆过程，所以这里简单介绍一下发送系统的原理。 在发送端，先将数据用f p g a 进行编码和调制，经过纠错编码、交织编码、 均衡加密、组帧、d p s k 调制后得到d p s k 信号( 2 m ) ，然后经中频混频( 1 5 5 m ) 、 射频混频( 2 5 g ) 、滤波、功率放大后由天线发射出去。本文所讨论的内容即整 个系统中的编码调制和解码解调两大模块。 2 2 基带信号处理系统的框架和设计原理 图2 2 一般数字通信系统的组成模型 一般数字通信系统“1 的组成模型如图2 2 所示。本课题省去信源编码，直接 对数字信号进行加解密、信道编码与译码、调制与解调。其中加密是根据通信需 华东师范大学硕士学位论文 要保密的手段，采用复杂的密码序列对信源编码输出的数码序列进行人为的“扰 乱”解密是加密的逆过程；采用信道编码是为了自动检出误码或纠正错误，信 道译码是信道编码的逆过程；对基带信号进行调制是为了使传输的数字信号频谱 与信道匹配。解调是将收到的调制信号还原成原数字信号，即调制的逆过程。同 步系统也是数字通信系统的重要组成部分，是系统中收、发双方严格遵守共同的 时间标准。 图2 3 发送端数据信号的处理框图 图2 3 是发送端的基带信号处理系统的原理框图。本课题使用汉明码为纠错 编码，为防止连续性的突发差错，使用了交织编码。在系统中，可以把均衡和加 密这两个过程合在一起，加入的扰码，既对传输的数据信号进行加密，又能起到 均衡的作用。扰码使用的是伪随机码，伪随机码位数的选择应根据帧的大小和使 用的巴克码的位数来确定。在组帧时，使用的是1 3 位巴克码，当然，巴克码位 数的选择是综合考虑了漏同步和假同步为了克服使用绝对相移键控c p s k 带来 的1 8 0 0 相位模糊，使用了d p s k 的调制方式。在接收端，数据信号的处理为图2 4 所示。 图2 4 接收端数据信号的处理框图 基带数据信号在处理的过程中，涉及到同步问题，课题中有三种同步，分别 为：载波同步，位同步和帧同步。在d p s k 解调中，使用的是相干解调的方式， 故需要相干载波，相干载波和接收到的已调信号必须同频同相，可以使用数字锁 相环对已调信号相位进行锁定，来产生相干载波。同样，位同步信号也需要用到 数字锁相环。所以，在课题中，设计性能优越的数字锁相环比较关键，也是本论 文中设计的一个重点。 1 4 华东师范大学硕士学位论文 2 3 系统软件设计平台和f p g a 原理 本课题使用的是x c 2 s 1 0 0 芯片，是x i l i n x 公司的s p a r t a n h 系列f p g a 产品， 软件平台是对应的x i l i n x 公司的w e b p a c ki s e 软件，在r t l 层的设计中使用的是 v h d l 硬件描述语言，同时配合m o d e l s i m 作为系统仿真工具，来完成整个系统的 设计软件需求。 2 3 1f p g a 芯片结构和原理田田 s p a r t a n - h 使用了先进的处理技术和改进的基于v l r t e x 的结构，和其他f p g a 相比，每单位价格提供了更多的门、的和特性这些特性包括 c a m 块，分布 式r a m 、1 6 个可选的加标准和4 个d l l ，快速和可预测的互连使得连续的设 计迭代能够继续满足时序的要求。 口口 口口 口口 口口 口口 唧0 口口口口 田 广 吕吕 l 耄厘 i 薹厘 l - j 吕吕 厂 吕吕 l 薹厘 l 暮l 吕吕 l 矗i 吕吕 l _ j 吕吕 厂；： 1 _ j 图2 5s p a r t a n - h 系列f p g a 基本结构框图 由图2 5 可以看出咖，s p a r t a n - i if p g a 用户可编程的门阵列主要由以下5 个 结构部件组成： 1 输入输出块1 0 b 。 2 可编程逻辑块c l b 。 3 存储器模块r a m 。 4 时钟分布延迟补偿和时钟域控制的时钟d l l ； 5 通用的多层互连结构( 图中未画出) 。 s p a r t a n 1 11 0 b 的特点是输入和输出可以支持多种i o 信号标准。这些高速 叩叩口口口nu叩口口口口叩叩口门u口一砌田田田叩叩口口口口叩叩口口口口叩阳口口口口叩叩口口口口叩叩口门u口一嘞田圈田叩叩口口口口 口口口口叩叩 口口口口叩 田田田咖一 口口口口阳叩 口口口口叩叩 华东师范大学硕士学位论文 的输入和输出能支持各种工艺制造的存储器和总线接口。 s p a r t a n - i ic l b 的基本组成模块是逻辑单元( l c ) ，每个l c 是由一个4 输入 的函数发生器、进位逻辑和存储元件组成。l c 函数发生器输出驱动c l b 的输出 和触发器的d 输入，每个s p a r t a n i ic l b 包含4 个l c ，它们组成了两个相似的部 件( s l i c e ) ，其中一个部件如图2 6 所示，除了4 个基本的l c 外，s p a r t a n - i ic l b 还有将函数发生器组合以提供有5 或6 输入函数的逻辑。函数发生器是由4 输入 的查找表( l u t ) 构成。除了作为函数发生器外，每个l u t 还可以提供一个1 6 x l 位的同步r a m ，此外，在一个部件中的两个l u t 可以组合成一个1 6 x 2 位3 2 1 位 的同步r a m 或一个1 6 l 位的双口同步r a m 。这种r a m 称为分布式r a m i s 图2 6s p a r t a n - i ic l b 部件( 每个c l b 有两个部件) s p a r m a f p g a 合并了几个大型的r a m 的存储器模块，各器件r a m 模块 的大小如表2 1 所示。这些补充了在c l b 中提供浅存储器结构的分布式r a m 的 查找表，r a m 存储器模块以列的方式组织，所有s p a r t a n i i 器件都包含这样的两 个列，每个垂直的边沿有一列，这些列延伸到芯片的整个高度。如图2 7 所示， 每个r a m 块的大小为4 k 。 全数字的延迟锁定环( d u ，) 与全局时钟输入缓冲器相关联，它可以消除器 件的时钟输入点和内部时钟输入管脚之间的相移。另外，d l l 还提供给时钟源 的4 个正交相位，可以使时钟加倍或者对时钟进行1 5 、2 、2 5 、3 、4 、5 、8 或 1 6 分频。 1 6 华东师范大学硕士学位论文 s p a r t a n i i 系列f p g a 产品共有6 种，该系列产品见表2 1 x c 2 s 1 0 0 芯片具 有2 7 0 0 个逻辑单元，6 0 0 个配置逻辑功能块c l b ，逻辑门达到1 0 0 ，0 0 0 门，可用 i 0 口达1 4 6 个，内部r a i i 可达到3 8 ，4 0 0 位，该器件支持的系统时钟高达2 0 0 唧z 从系统资源来考虑，该芯片比较适合本课题，比如r 埘的大小，系统最高时钟， 逻辑单元和系统门数等。 系9 盯q b 阵列最向硼分砸肉垃彭黜啦 器件逻蝉元q b 馓 ( i 2 攀h 讯枷)g t x c )用朗，嗽 总数总数 ) 贬s 1 5 4 3 21 5 o8 1 29 66 1 4 哇l 哦 ) c 墨3 09 7 23 0 0 0 01 2 培2 1 61 3 21 3 8 2 4缀 ) e 2 s 5 01 7 笛5 。0 0 01 6 2 4烈1 7 62 4 踊坯 ) 磁1 0 02 7 1 0 0 0 0 0扣3 0印ol 粥3 8 4 0 04 瞰 ) e s l 5 03 8 鼯1 5 嘞2 4 3 6 8 6 42 6 05 s 2 9 6帼( x 登跚0 8 2 9 2 舶0 0 0 02 8 x 4 2 1 1 7 62 8 47 羽6 4瓣 表2 1s p a r t a n - i ir a m 模块的数量和大小 2 3 2i s e 设计平台介绍旧 f p g a 的设计与开发离不开e d a 工具软件，现在有很多支持f p g a 设计的开发 软件，有的软件是由芯片生产厂商提供的，如a l t c r a 公司推出的m a x p l u s - n 软件、 x i l i n x 公司的w c b p a c ki s e 软件和l a t t t i c e 公司为i s p l s i 器件而开发提供的 i s p d e s i g n e x p e r t 软件等，有的是由专业e d a 软件开发商提供的，这类软件大多 支持多家公司f p g a 器件，如s y n p l i f y 、s y n o p s y s 和e w b 等。 在较多开发工具中，目前仍以a l t c r a 公司推出的m a x p l u s 和x i l i n x 的i s e 软件最流行。 i s e 集成开发软件是x i l i n x 公司最新集成开发的e d a 工具，它支持所有的 x i g n x 芯片，如x c 9 5 0 0 、x c 9 5 0 0 x i ，、x p i a 3 、s p a r t a n 等。简洁、合理的操作 界面，多语言支持的环境及其高效代码生成编译内核使得所有的设计输入、实现 和仿真都可以在项目管理器中完成，是一款用户较受欢迎的开发工具，i s e 系列 设计工具为所有x i l i n x 系列产品提供特定架构元件的支持。 在w e b p a c k 下开发设计主要包括：设计输入( d e s i g ne n t r y ) ；设计仿真 ( s i m u l a t i o n ) ；设计综合( s y n t h e s i z e ) 1 布局布线( p l a c e r o u t e ) ；配置下 载( c o n f i g u r a t i o n ) 五个主要步骤。 设计输入是指设计者对器件的逻辑功能进行描述，设计输入有多种表达方 式，而原理图输入和硬件描述语言是最常见的两种。原理图是图形化的表达方式， 使用组件符号和连接符号来描述设计；硬件描述语言使用文本形式的描述设计， 而其中较高级的行为描述语言如v h d l ”1 和v e r i l o g h d l 是目前较流行也是使用较 广泛的两种硬件设计语言。 1 7 华东师范大学硕士学位论文 设计仿真包含功能仿真和时序仿真两项主要内容，功能仿真忽略了综合和布 局布线导致的时延等因素，仅仅从逻辑上进行仿真，这对设计思路的验证是有帮 助的，但必须通过时序仿真作进一步验证，发现并修正时序问题。著名的仿真工 具有：s y n p l i c i t y 、s y n o p s y s 和m o d e l s i m 等。课题中使用的仿真工具是m o d e l t e c h 公司的m o d e l s i m 。 设计综合将h i ) l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门，r a m ，寄 存器等基本逻辑单元组成的逻辑连接，生成用于布局布线的网表和相应的约束 综合效果直接导致设计的性能和逻辑门的利用效率。 布局布线是利用综合生成的网表，在f p g 内部进行布局布线，并生成可用 于配置的比特流文件。 配置下载是使用的是配置文件分割器( p r 伽f i l ef o r m a t t e r ) ，完成配置文 件的分割，而后再用i m p a c t 配置器将配置文件下载到f p g a 芯片中 2 3 3m o d e l s i m 仿真工具的介绍 m o d e l s i m 仿真工具是m o d e l 公司开发的。它支持v e r i l o g 、v h d l 以及他们 的混合仿真，它可以将整个程序分步执行，使设计者直接看到他的程序下一步要 执行的语句，而且在程序执行的任何步骤任何时刻都可以查看任意变量的当前 值，可以在d a t a f l o w 窗口查看某一单元或模块的输入输出的连续变化等，比 q u a r t u s 自带的仿真器功能强大的多，是目前业界最通用的仿真器之一 m o d e l s i m 的仿真分为前仿真和后仿真前仿真也称为功能仿真，主旨在于 验证电路的功能是否符合设计要求，其特点是不考虑电路门延迟与线延迟，主要 是验证电路与理想情况是否一致。可综合f p g a 代码是用r t l 级代码语言描述的， 其输入为r t l 级代码与t e s t b e n c h 。后仿真也称为时序仿真或者布局布线后仿真， 是指电路已经映射到特定的工艺环境以后，综合考虑电路的路径延迟与门延迟的 影响，验证电路能否在一定时序条件下满足设计构想的过程，是否存在时序违规。 其输入文件为从布局布线结果中抽象出来的门级网表、t e s t b e n c h 和扩展名为 s d o 或s d f 的标准时延文件s d o 或s d f 的标准时延文件不仅包含门延迟，还包 括实际布线延迟，能较好地反映芯片的实际工作情况。一般来说后仿真是必选的， 检查设计时序与实际的f p g a 运行情况是否一致，确保设计的可靠性和稳定性。 m o d e l s i m 的仿真主要有以下几个步骤；建立库并映射库到物理目录；编译 原代码( 包括t e s t b e n c h ) ；执行仿真。 1 8 华东师范大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了无线传输系统和基带信号处理系统的整体框架，由于本论文 重点研究的是采用f p g a 来实现基带信号的处理，故本章对所采用的f p g a 芯片的 结构和原理作了介绍，同时系统设计所采用的软件平台w e b p a c ki s e 以及仿真工 具m o d e l s i m 也是本章介绍的主要内容。 华东师范大学硕士学位论文 第3 章信道编译码系统的设计 信道传输数字信号时，由于信道传输不理想及加性噪声的影响，所收到的数 字信号不可避免地会发生差错信道编码的目的就是为了提高数据的传输效率， 降低误码率，从而增加通信的可靠性。 3 1 差错控制编译码的设计 信道编码，又称差错控制编码“”。总的思路是在待传送信息码中，加入某些 人为的规律，在接受端再按此规律对收到的码进行检查，从而发现传输错误或进 而纠正错误 3 1 1 系统数据流处理框架 _ j 错日 弱 扰 位 码 2 8 盲导 - 交 位 缓和 串行数据 织 冲 交织码 组 串行屯蝴 巧口 矩 ( 帧为7 啦码j 器 错 = 帧 ：| 毳目 阵 图3 1 数据信号流处理示意图 图3 1 为系统编码的数据流处理过程，从图中看到，本系统采用的是汉明编 码和交织编码。源信号是2 8 位的串行数据，故在编码前要先将源信号送入缓冲 器进行串并转换，串并转换的v l i d l 代码如下： e n t i t y j i c s h o ui s p o r t ( c u g c l k 2 ，s n ，i c s c t ：i ns t dl o g i c ； f u l l ：b u f f e rs t d _ l o g i c ； q i d i a n ：o u ts t d _ l o g i c ； j i n ：o u ts t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 2 7d o w n t o0 ) ) ； e n dj i e s h o u ； a r c h i t e c t u r ej i e s h o u _ a r co f j i c s h o ui s 华东师范大学硕士学位论文 t y p es t a t c t y p c si s ( s o , s l ，s 2 ，s 3 ，s 4 , s s ，s 6 ，s 7 ，s 8 ，s 9 ，s l o ，s l l ，s 1 2 ，s 1 3 ，s 1 4 ，s 1 5 ， s 1 6 ，s 1 7 # 1 8 # 1 9 , s 2 0 , s 2 1 , s 2 2 , s 2 3 , s 2 4 , s 2 5 , s 2 6 , s 2 7 ) ； s i s a lp s _ s t a t c ：s t a t e t y p c s ； b e g i m a i n ：p r o c e s s ( c l k s e s e t ) h 毽i n i fr e s e t = 1t h e nf u l i c = t 0 ；p s _ s t a t e - - - - - - - - = s 0 ； e l s f fc l k e v e n ta n dc l k = 1 t h e n i f p s _ s t a t e - - s ot h e nj i n ( 2 7 ) t 1 ；p s _ s t a t e = s l ；r d l = o ； e l s i f p s _ s t a t e = s lt h e n j i n ( 2 6 ) = 1 ；p ss t a t e = s 2 ； e l s i f p s _ s t a t c = s 2t h e n j i n ( 2 5 ) = 1 1 ) ；p s _ s t a t e = s 3 ； c l s i fp s _ s t a t e = s 3t h e nj 域砷c - 1 ；p s _ s m t e = s 4 ； c l s i f p ss t a t e = s 4 t h e n j i n ( 2 3 ) = 1 ；p s _ s t a t e = s 5 ； e l s i fp ss t a t e = s 5t h e nj i n ( 2 2 ) = 1 ；p s _ s t a t e = s 6 ； e l s i fp ss t a t e = s 6t h e nj i n ( 2 1 ) = l ；p ss t a t e = s 7 ； e l s i fp s _ s t a t e f s 7t h j i n ( 2 0 ) = 1 ；p s _ s t a t e = s s ； e l s i fp s _ s t a t e = s 8t h e nj i n ( 1 9 ) _ 1 ；p s _ s t a t e = s 9 ； e l s i fp s _ s t a t e = s 9t h e nj i n ( 1 8 ) = 1 ；p s _ s t a t c = s l o ； e l s i f p s _ s t a t e = s l ot h e n j i n ( 1 刀 = 0 ；p s _ s t a t e - - - s l l ； c l s f fp s _ s t a t e = s l lt h e nj i n ( 1 = t o ；p s _ s t a t e = s 1 2 ； e l s i f p s _ s t a t e = s 1 2t h e n j i n ( 1 5 ) = 1 ；p s _ s t a t e = s 1 3 ； e l s f fp s _ s t a t e = s 1 3t h e nj m ( 1 钔 = t o ；p s _ s t a t e = s 1 4 ； e l s i f p s _ s t a t c = s 1 4 t h e n j i n ( 1 3 ) = l ；p s _ s t a t e 铺1 5 ； e l s f fp s _ s t a t e ：s 1 5t h e nj i n ( 1 2 ) = o ；p s _ s t a m = s 1 6 ； e l s i f p s _ s m t e 嚼1 6 t h e n j i ( 1 1 ) - - 1 ；p s _ s t a t c 锅1 7 ； c l s i fp s _ s t a t e - - s 1 7t h * nj i n o = 1 ；p s _ s t a t e 1 8 ； e l s f f p s _ s t a t e = s 1 8t h e n j i n ( 9 ) = s n ；p s _ s t a t e - - s 1 9 ； e l s i f p s _ s m t e = s 1 9t h e n j m ( 8 ) = s n ；p s _ s t a t e = s 2 0 ； e l s f fp s _ s t a t e = s 2 0t h e nj i n ( 7 ) = s n ；p s _ _ s t a t e = s 2 1 ； e l s i f p s _ s t a t e = s 2 1n 蛇n 洳( 6 ) = s n ；p s _ s m t e = s 2 2 ； e l s i f p s _ s t a t e - - = s 2 2t h e n j i n ( 5 ) 葛n ；p s _ s t a t e = s 2 3 ； e l s i f p s _ s t a t e = s 2 3t h e n j i n ( 4 ) = s n ；p s _ s m t e = s 2 4 ； e l s i fp s _ s t a t e - - s 2 4t h e nj i n ( 3 ) = s n ；p s _ s t a t e = s 2 5 ； e l s i f p s _ s t a t e 2 5t h e n j i n ( 2 ) = s n ；p s _ s t a t e = s 2 6 ； 华东师范大学硕士学位论文 c l s i fp s