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皇至型垫奎堂二鱼璺坚至塑堡全型亟垡塑堡堡茎垄 摘要 f 在过去的十多年中 世界电信发生丁巨大而深刻的变化 采用 t d m a 技术的g s m 其频谱利用律 全速率 约为模拟系统的三倍 它已经成为国际标准 现正被世界上7 0 多个国家采用 但国内市场上 针对g s m 手机的综合测试仪器很少 而且国外的产品价格昂贵 本课 题正是解决了这一问题 它具体分为了模拟部分和数字部分 本论文涉 及的是数字处理的硬件部分 本课题属于国家重点工程项目 本论文详细描述了g s m 至扔综合钡4 趑数字处理板的功能 设计 开发 调试 f p g a 和塑量信号处理 d s p 技术在本设计中得到了大 量的运用 以满足对信号 信令的实时处理 关键字g s md s p 技术f p g a 技术c p l d 技术 瓤4 页共7 6 页 a b s t r a c t i nt h ep a s tt e ny e a r s t h e r ea r eg r e a tc h a n g e si nt h et e l e c o m m u n i c a t i o n f i e l do ft h ew o r l d u s i n gg m s i nt h et d m a t e c h n o l o g y t h es p e c t r u m e f f i c i e n c 5 r i st h r e et i m e sa sa n a l o gs y s t e m i th a sb e e nt h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r da n di sb e i n ga d o p t e db yt h eo v e rs e v e n t yc o u n t r i e si nt h ew o r l d b u ti n t e g r a t i v et e s t i n gd e v i c e sf o rt h eg s mh a n d s e ta r ef e wi no u rc o u n t r 7 a n dm a n u f a c t u r e si nt h ef o r e i g nc o u n t r i e sa r es oe x p e n s i v e t h i st h e s i s s o l v e st h i sp r o b l e m t h ep r o j e c tw h i c hb e l o n g st ot h ee m p h a t i cp r o j e c t so f c h i n ai sd i v i d e di n t ot w op a r t s a n a l o gp a r ta n dd i g i t a lp a r t t h i sp a p e r i n v o l v e si nd i g i t a lp r o c e s s i td e s c r i b e st h ef u n c t i o n d e s i g n e x p l o i t u r ea n d d e b u g g i n go ft h et e s t i n gd e v i c ef o rt h eg s m h a n d s e ti nd e t a i l s w em a k e f u l lu s eo ft h ef p g am a dd s pt e c h n o l o g yi nt h ep r o j e c ti no r d e rt od e a l w i t ht h es i g n a li nr e a lt i m e k e yw o r dg s m d s p t e c h n o l o g y f p g at e c h n o l o g y c p l d t e c h n o l o g y 第5 觅共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 概述 在移动通信飞速发展的今天 手机的使用已经非常普遍 现今 国内市场还没有自行研制的g s m 手机测试仪器 基本都是国外的 产品充斥市场 而且价格昂贵 如果这个课题能够顺利完成 可以 弥补国内的这一空白 其经济价值明显 g s m 手机综合测试仪主要完成以下测试功能 1 手机语音突发脉冲功率斜坡的测试 2 语音信号相位误差的测试 3 语音信号频率误差的测试 4 语音信号定时误差的测试 5 无线接口信令的测试 该综测仪的基本功能相当于g s m 通信系统中的基站 b s 子系统 的功能 项目介绍 本课题是国家重点工程项目 研制的移动电话无线电测试仪是基于 x 8 6 平台 结合d s p 处理技术 单片机技术和多模块结构的台式仪器 能用于g s m 9 0 0 g s m l8 0 0 g s m l 9 0 0 等移动电话的测试 整个系统分为 模拟和数字两大部分 系统的指标主要是在模拟部分完成 本课题 数 字部分 重点是完成信号与基带处理等的基本功能 数字部分功能和指标 数字单元主要完成g m s k 调制解调 信道编解码 t d m a 帧形成 协议与处理 功率相位频率测量 误码率测量 测量结果处理 回声存 储等功能 其主要的技术指标如下 o 3g m s k 调制 相位误差薹2 有效值耋8 峰值 相位误差测量精度 相位误差薹1 有效值轰4 峰值 频率误差测量范围 9 k h z o 3 g m s k 调制 在突发脉冲 连续波情况 下 频率误差测量范围 g m s 9 0 0 为 1 0 h z 频率基准精度 g m s 9 0 0 为 1 0 h z 频率基准精度 辣6 砸共7 6m 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 1 系统的功能 第一章系统总体框架 这个系统针对是单个g s m 手机的测试 其基本的设计思想是用简 化的基站体系 它是以x 8 6 平台为基础 扩展了两块电路板 一个是模 拟板 管理模拟信号的发射 接收 一块是基带处理板 和x 8 6 平台接 口 它接收i 同相信号 q 正交信号 r a m p 功率斜坡信号 模 拟信号 进行参数计算 分析 结果通过数据线传送到x 8 6 计算机 以 图形或数字的形式显示出来 同时系统可以根据需要产生适当的信号和 信令 经过g m s k 调制成为模拟i q 信号 送给模拟板发送 鉴于数 据处理的实时性和数据的 决定采用d s p 以及大容量s d r a m 2 外部接口 2 a 与模拟信号板的接口 信号描述输入 输信号类取值范注释 出型围 r e f 5 vi 模拟 5 v 参考电压 1 3 m h zi 数字 t t l 参考时钟 p r i t x io 模拟 1 v p p i 信号输出 0 5 v d c p r i t x q o 模拟 1 v p p q 信号输出 0 5 v d c p r i t x e n a b l eo 数字 t t l 发送时隙指示信号 p r i r x e n a b l eo 数字 t t l 接受时隙指示信号 r x ii 模拟 2 5 v d c i 信号输入 m a x 2 5 v 第7 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 fr x q i 模拟 2 5 v d c 0 信号输入 e m a x 2 5 v 1 p o w e r i n tl 数字 t t l p o w e r 中断 ir x r i 模拟 o v 5 v r a m p 信号的输入 表11数字扳与模拟板接口信号 注 这里的i 0 是数字信号板针对模拟控制板的 v d c 是信号的均值 一些接口信号的具体说明 p r i t x e n a b l e 信号是输出的数字信号 在发送一个时隙的一段时 间内都保持为低 在此段时间内 d a 在发出一个b u r s t b u r s t 是指在无线传输路径上的传输单位是大约1 0 0 个调制b i t 组成的脉 冲串 它占据有限频谱的信息 在一个时间和频率窗口上发送 p r i r x e n a b l e 信号是输出的数字信号 在接收一个时隙的一段时 间内都保持为低 在此段时间内 a d 在采样一个b u r s t r x r 信号时接收到的b u r s t 的包络的对数信号 4 p o w e r i n t 是在信号功率大于一定值后 产生的一个中断信号 2 b 与计算机的接口 考虑到并不需要太快的交换速率 以及遵从简化设计的思路 因此 与计算机的接口采用了i s a 接口 其中用到的引脚如表 i s a 接口信号功能说明 a o a 1 5地址线 d o d 数据线 a e n s m e m r s m e m w i r q 9 9 号中断 5 v 5 v 一1 2 v 1 2 v 电源 d g n d 地 表12 i s a 接口信号说明 第8 贞共7 6 负 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 3 系统设计 本系统要完成对模拟信号的采样 信道解码 信源解码 信令组织 接收来自i s a 的控制信号 产生相应的信号和信令 经过信道编码和调 制后 发送给模拟单元已调制好的模拟信号 对所需要的测试参数 计 算后将结果传送给p c 机 根据系统完成功能 将其模块化 本系统采用功能相对独立的9 个 模块 接收模块 解码模块 信令模块 发射模块 s p e e c h 模块和1 s a 接口模块 模拟单元接口模块 外部接口单元 接收单元 完成对信号 的接收 采样 信号的信道解码 解码模块 完成信源解码 信令模块 完成对信令的组织 发射模块 完成对信号的调制送给模拟板 s p e e c h 模块 专门用于语音的传输 i s a 接口模块 完成与i s a 插槽的信号的 交换 实现和p c 机的交互 模拟单元接口 实现和模拟板的接口 外 部接口模块 预留一个接口 以备扩展 图11 系统结构图 第9 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 4 难点 对于数据传输的实时特性和逻辑控制的需要 在实现过程中 将采 用d s p 和f p g a c p l d 器件 d s p 也将根据需要 采用多片 以满足其运算量的需要 并有利于 进行功能模块化的调试进行 第1 t 贝共7 6 负 第二章模块的功能具体说明 1 接收模块 接收模块接收由模拟板送来的基带信号 控制信号 进行信号的信 道解码 并且存储采集到的数字信号 它将与解码模块 信令模块 发 射模块 s p e e c h 模块 i s a 接口进行数据交换 模拟信号输入 发射模块的指示信号 i s a 接口模块的控制 解调后信号的输出 s p e e c h 模块 样后 信源解码的原始数据 图2 1接收模块外围示意图 输入的模拟信号包括 i 同相信号 q 正交信号 r a m p 功率斜 坡信号 模拟信号 i s a 接口模块的控制 主要是对接收模块的初始化 及对模块的随时复 位 保证模块的状态都处在已知状态 并且完成 i s a 接口和接收模块的数据双向交流 解调后信号的输出 输出信道解码后的b i t 给信源解码模块 以完成 下一步的信源解码 信源解码后的原始数据区 供其他模块在需要时访问 可以完成其他功 能 比如 实现对数据的并行处理 以降低对接 收模块的运算量的要求 s p e e h 模块 专门用于语音传输的通道 将语音和信令 控制 信号等的传输分隔开 发射模块的指示信号 用于接收模块对准信号包络的起始位置 第l i 页共7 6 负 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 2 解码模块 解码模块完成对信号的信源解码 接收信道解码后的信号 进行信 源解码 完成的操作如 去交织 以及完成对一些参数的计算 如 频 率误差 相位误差 定时误差 功率斜坡测试 信道解码后的数据 s a 接口模块的控制 s p e e c h 模块 连接信令模块 图2 2 解码模块外围示意图 信道解码后的数据 来自接收模块 由接收模块经过维特比解码后送来 每次采样后 送来一次 以得到信源解码前所需要的 数据 从而顺利完成信源解码 i s a 模块的控制 主要是对模块的初始化 及对模块的随时复位 以保 证模块的状态都处在以知状态 并且完成i s a 接口和 接收模块的数据双向交流 s p e e c h 模块 专门用于语音传输的通道 将语音和信令 控制信号 等的传输分隔开 与信令模块相连 解码模块双向接收来自信令模块的信号以得到发送的 语音和信令信号 并能让信令模块访问到解码模块的 一些数据 以便信令模块能辅助解码模块的运算 以 协调整个系统的运算量分配 3 发射模块 发射模块主要完成对已经组织好的信号进行调制 发送给模拟板 并且和其他的模块保持联系 其完成的是 对信令 大部分信令而言 消息是 8 4 个比特 经过f i r e 码和1 2 卷积码等编码处理后 为4 5 6 个 帮1 2 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 比特 交织 按一定规律分在 在8 个半突发脉冲上 或者4 个整突发 脉冲上 组织好待发射的数据输 i s a 接口模块的控制 s p e e c h 模块 与其他模块之间 控制信号的传输 图2 3 发射模块外围示意图 组织好的待发射数据输入 来自信令模块已经组织好的待发射消息 i s a 模块的控制 主要是对模块的初始化 及对模块的随时复位 保证 模块的状态都处在已知状态 并且完成i s a 接口和接收 模块的数据双向交流 s p e e c h 模块 专门用于语音传输的通道 将语音和信令 控制信号等 的传输分隔开 与其他模块的传输 主要是传递一些和模拟板或者是其他功能模块的控 制信号的信息 如 发射突发脉冲时的指示信号 以保 持接收时的准确定时等 4 信令模块 信令模块的功能 完成消息的组织 如 无线信道的分配 移动管 理 通信管理 短消息业务 预计信令模块有一定的空闲时段 可利用 这一时段 帮忙处理其他模块的工作 以减轻对其他模块运算量的要求 i s a 模块的控制 接收模块 解码模块 发射模块 图2 4 信令模块外围示意图 i s a 模块的控制 主要是对模块的初始化 及对模块的随时复位 保证 笫1 3 鲰共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 模块的状态都处在以知状态 并且完成1 s a 接口和接 收模块的数据双向交流 接收模块与信令模块之间的数据交流 主要用于减轻接收模块的运算 量 以均衡模块的数据处理能力 具体的 如果信令 模块的计算能力还有剩余 也可以让其辅助解码和发 射模块的运算 解码模块与信令模块之间的数据交流 主要用于传递信令消息 给予解 码模块足够的解码信息 让解码模块能够正确的区分 现在正在解码的帧类型 以顺利完成解码 发射模块与信令模块之间的数据交流 主要用于传送已经组织好的消息 给发射模块 以待发射给g s m 手机 5s p e e c h 模块 s p e e c h 模块主要是用于语音信号的传输 是连接接收模块 解码 模块 发射模块的桥梁 可以实现回声操作 回声操作是指由手机发来 的业务信息可以由s p e e c h 模块直接的 不做任何处理的回发给手机 6 其他模块 图2 5s p e e c h 模块功能图 预留外部模块 现在的设计是能使外部串口 标准串口 和接收模块 第1 4 砸共7 6 负 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 解码模块 发射模块直接进行交流数据 可直接由外 部串口得到数据直接进行调制 或者把数据直接送到 外部串口 i s a 接口模块 p c 机和本系统的数据交流口 完成对模块的控制和 交互的实现用户选择的参数测试 并以图形的方式在 计算机屏幕上显示出来 同时为本系统提供必要的工 作电源 i s a 的接口信号在第一章中已经介绍了 i 屏幕i 本系统 l j s 矧k 机 叫 a 总 线 图2 6i s a 总线接口示意图 模拟单元接口模块 得到基带模拟信号 产生适当的模拟板的控制信 号 和发送数字处理板产生的i q 调制基带 模拟信号给模拟单元 接收单元信号在前面第 一章已经介绍过了 7 总结 太 模拟前端 系 l 一 单元 l d模拟 r 叫接口 r 叫单元 统 模块 图2 7 模拟单元接口模块示意图 9 个模块之间的功能是相对独立的 但彼此相互之间又大多是联系 的 因此在设计的时候 要考虑到选择的芯片的通讯能力 以及各个模 块之 第i 5 页共7 6 负 电子科技大学二鱼 坚至塑堡全塑 堕垡塑堡堡墅垄 块间的协调性和相互通讯能力 第1 6 贝共7 6 虹 1d s p 介绍 第三章使用的设计工具介绍 d s p 是一种快速进行数字信号计算的芯片 根据本课题的实际要 求 实时处理 大量的数据运算 模块间相互的通讯能力 以及考虑到 技术的方面的原因 决定采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列中的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 芯片 1 a it m s 3 2 0 v c 5 4 x 结构及其寻址方式简介 t m s 3 2 0 v c 5 4 x 是1 6 位定点d s p 其采用了改进的哈佛结构 c 5 4 x 有一条程序总线和三条数据总线 高度并行性的算术逻辑单元a l u 专 用硬件逻辑 片内存储器 片内外设和高度专业化的指令集 使该芯片 速度更高 操作更灵活 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的中央处理器单元 c p u 包括 一个4 0 b i t 的算术逻辑单元 a l u 两个4 0 b i t 的累加器 a c c a 和a c c b 一个桶移位器 1 7 x 1 7 b i t 乘法器 4 0 b i t 加法器 比较 选择和存储单元 c s s u 指数编码器 各种c p u 寄存器 c p u 寄存器是存储器映射的 能快速恢复和保 存 程序和数据空间分开允许同时对程序指令和数据进行访问 提供了 很高的并行度 两个读和一个写操作可以在一个周期里完成 因此并行 存储指令和专用指令可以在这种结构的得到充分利用 另外 数据可以 第1 7 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 在数据和程序空间之间传送 并行性支持一系列算术 逻辑和位处理运 算 它们都能在一个机器周期里完成 另外 c 5 4 x 有管理中断 循环 运算和功能调用的控制结构 图3 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部硬佴 框图 下面介绍t m s 3 2 0 c 5 4 x 的总线结构 t m s 3 2 0 c 5 4 x 结构是围绕八条主要的1 6 b i t 总线 四条程序 数据总 第1 8 页共7 6 页 电子科技大学 g s m 手机综合测试仪的硬件开发 线 四条地址总线 建立的 程序总线 p b 传送从程序存储器来的指令代码和立即数 三条数据总线 c b d b 和e b 连接各种元器件 如c p u 数 据地址产生逻辑 程序地址产生逻辑 片内外设和数据存储器 c b 和d b 总线传送从数据存储器读出的操作数 e b 总线传送写入到存储器中的数据 四条地址总线 p a b c a b d a b 和e a b 传送执行指令所需 要的地址 t m s 3 2 0 c 5 4 x 在寻址方式上相对于c 2 x c s x 系列又有了进一步 的改进 它一共提供了七种基本的数据寻址方式 1 立即数寻址 用指令对一个定值进行编码 2 绝对地址寻址 用指令对一个固定的地址进行编码 3 累加器寻址 用一累加器去访问程序存储器中的一个单元 4 直接寻址 用指令中的7 b i t s 对相对于d p 或s p 的偏移 进行编码 该偏移加上d p 和s p 的值决定了在数据存储器中的实际地 址 5 间接寻址 采用辅助寄存器访问存储器 6 存储器映射寄存器寻址 修改存储器映射寄存器中的值 而 不影响当前d p 或s p 的值 7 堆栈寻址 是把数据压入和弹出系统堆栈 1 a i im c b s p 口的介绍 m c b s p 基于标准串口 特点 双缓冲发送数据 接收3 级缓冲数据 能进行连续的数据传输和接 收 发送和接收相互独立的帧同步信号 和时钟信号 外部移位时钟产生或者是内部可编程的移位时钟 直接连接模拟设备 a i c 和其他串行的d a a d 设备 宽的传输数据选择 包括 8 1 2 1 6 2 0 2 4 3 2 b i t s 第1 9 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 率和a 率压缩 可选择高8 b i t s 或者低8 b i t s 数据先传输 灵活的可编程内部时钟信号产生 m c b s p 通过d x 引脚发送数据 d r 引脚接收数据 通过时钟和帧 同步 c l k x l k r f s x f s r 信号来产生控制信息 d s p 内部和 m c b s p 之间的通讯 通过1 6 b i t s 的内部设备总线 c p u 和d m a 控制器从接收数据寄存器 d r r 1 2 读取接收到的数 据 写将要发送的数据到发送数据寄存器 d x r 1 2 1 数据写入到 d x r 1 2 垢 由经移位输出寄存器 x s r 1 2 移位输出到d x 引 脚 从d r 引脚接收到的数据 移位进入接收移位数据寄存器 r d r 1 2 并且拷贝到接收缓冲寄存器 r b r 1 2 r b r 1 2 里的数据再 拷贝到d r r 1 2 以便c p u 和d m a 控制器读取 这个行为允许内部 和外部的数据通讯同时进行 d r r 2 r b r 2 r s r 2 d x r 2 和x s r 2 寄存器在接收 发送字节长度 r x w d l e n 1 2 1 表示 是8 1 2 1 6 b i t s 模式 余下的能被c p u 访问的寄存器配置m c b s p 这些寄存器列在下表 控 制单元包括 内部时钟产生 帧同步信号的产生 极其他们的控制和多 通道选择 这些控制单元发送重要的消息给c p u 和d m a 控制器 第2 0 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 d r d x c u x c l k r f s x f s r c l k s 圈3 2m c b s p 寄存器说明 串口的初始化过程 1 器件的全局复位 船 o 使接收 发送 采样时钟产生全部复位 当全局复位移走恧 l 后 丽 丽 衙 厨 o 使整个串 口复位 2 接收 发送串口的分别置位 可以通过在串口控制寄存器中的r r s t 和x r s t 位置位完成 采样时钟发生器通过在s p c r 2 中的g r s t 位完成 当串口复位完成后 船 1 接下来的初始化过程如下 1 设置s p c r 1 2 1 中的f r s t r r s t x r s t o 如果是器件的全 部复位 那这一步就可以省去 第2 l 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 对m c b s p 的配置寄存器进行编程 等待两个时钟 以确保正确的内部同步 设置需要的数据 比如写数据到d x r 设置丽 丽 l 使串口使能 注意 这个时候的s p c c r 1 2 1 的值只能有r e s e t 位改变为1 而其他的数值和 2 中的完全 一样 如果内部时钟产生需要 则需要设置f r s t l 等待两个时钟使接收 发送口激活 1 a i i ih p i 口的介绍 外部主机或主处理器可以通过h p i 接口读写c 5 4 x 的片内r a m 从而 大大提高数据交换的能力 增强8 b i t h p i标准8 b i t h p l 能够访问到所有的片内r a m只能访问到固定位置的片内r a m 主机的访问同步于c 5 4 x 的时钟h o s t o n l ym o d e 允许同步主机访问 不仅仅是h o s t o n l ym o d e c 5 4 x 和主机都能访问到片内r a mh o s t o n l ym o d e 不仅仅是h o s t o n l ym o d e 表3 1 标准h p i 和增强h p i 的区别 h p i 8 看起来好象是主机的一个从属设备 允许主机微处理器访问 c 5 4 x 片内的存储空间 这个接口包括一个8 b i t s 的数据总线和其他的 一些控制信号 主机利用h p i 访问c 5 4 x 的片内r a m 实际上是通过 读写h p i 的数据和地址寄存器来实现的 由于c 5 4 2 的h p i 为8 位 所 以一个内存单元必须通过两次h p i 读写来完成 h p i 有两种工作模式 r a m 共享和主机访问模式 在r a m 共享模式中 主机和c 5 4 x 都可以 访问h p i 的共享内存 对c 5 4 2 而言 h p i 的共享内存大小为2 k 字 地址从0 x 1 0 0 0 到o x l 7 f f 使用该模式 h p l 支持的最高传输速度为 c l k o u t 5 每字节 如果是主机访问模式 那么只有主机才能访问c 5 4 x 的片内r a m 例如在r e s e t 0 或i d l e 2 状态下 主机仍然能访问片 内r a m 利用这一点可以实现c 5 4 x 的h p ib o o t l o a d e r 第2 2 页共 页 i 们 d 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 2c p l d 和f p g a 的开发工具 随着集成电路的迅速发展 数字电路的设计也越来越复杂 一方面 大规模 超大规模的专门芯片得到广泛的应用 另一方面 对于不同的 电路设计需要各自独特的控制 处理等功能 这些在过去只能采用中小 规模通用集成电路搭建的方法或者专门设计专用集成电路的方法来解 决 这些都有很大的缺点 采用中小规模集成电路搭建的方法存在占用 p c b 板面积大 可靠性低等缺点 专门设计专用集成电路有周期长 费 用高 需要专门设计人员等缺点 因此 人们开始考虑将两种设计方法 合二为一的方法 可编程器件应运而生 可编程器件的发展经过p a l p l a g a l 到c p l d f p g a 其规 模 功能得到了极大的发展 它使设计出的电子产品实现了小型化 集 成化和高可靠性 可编程器件的出现使得硬件可以象软件一样地改变 它令设计的更新和修改十分容易而且可以已在现场的器件进行更改 同 样 电子设备可以动态地对它进行重新配置使一个可编程器件在不同时 间执行不同地功能 目前 可编程器件已是电路设计中不可缺少的器件 目前可编程器件主要有p l d 器件和现场可编程门阵列 p l d 主要特点是输入都先经过可编程或是固定的与阵列 输入信号 一般在进入与阵列前先通过互补产生器 后面当然是可编程的或阵列 也叫和项产生 后面都还接存储元件 用于时序电路的产生 整个结构 较固定 布线属于集中式布线 有专门的布线控制与交换模块 现场可编程门阵列 f p g a 是比p l d 更先进 更高级的产品 它 兼有半定制门阵列和p l d 两者的优点 同时避免了两者的缺点 f p g a 在结构上是由许多相同的逻辑模块组成的一矩阵 用户利用这些逻辑模 块实现所需的逻辑功能 在次矩阵的四周有i 0 模块和外部引脚相连 片内的连线资源按等级分布与矩阵的行列通道内 是可编程的 它按照 用户的设计连接个逻辑模块和i o 模块 x i l i r x 的设计流程和其他公司的设计流程 大同小异 下面简单 介绍一下 第2 3 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 分割1 分割 布局 布线l映射 互连 f p g a o c p l d 析 所有的x i l i n x 开发系统软件x a c t 是集成在x i l i n xd e s i g n m a n a g e r x d m 的环境之下 以通常的用户接口提供给设计者 而不管 他们选择的器件结构和工具 可编程a s i c 设计的基本方法包括三个相 互有关的步骤 1 设计输入 在设计流程的这一步 可以用x i l i n x 支持的原 理图编辑器或硬件描述语言建立起设计 2 设计实现 通过对设计分割 布局 布线 可以把在设计 输入阶段建立的设计文件转换为l c a 文件格式 然后可以从 l c a 文件建立位流 b i t s t r e a m 文件 并且写到p r o m 或 e p r o m 中以便接下来对x i l i n x 器件编程 设计验证 使用仿真器 x i l i n xx c h e c k e r 电缆线或d o w n l o a d 下 载线 确保设计以恰当的功能和时序工作 介绍 l i n x 的c p l d 可编程逻辑器件x c 9 5 7 2 复杂可编程逻辑器件 c p l d 是由多个类似p a l 的功能块组成 它们具有很长的固定于芯片上的布线资源通过位于中心的开关集资矩 阵相互连接 1 特性 x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列芯片是基于f a s tf l a s h 技术的 在线可编程器件 它具有以下主要特性 第2 4 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 1 高性能 所有引脚间逻辑延时可小到5 n s 2 宽容量范围 从3 6 到2 8 8 个宏单元可选 3 5 v 的在线可编程能力 4 增强的引脚锁定功能 5 支持i e e e l l 4 9 1 边界扫描接口 6 采用f l a s h 技术 具有改造结构的非易失性 2 结构描述 每一个x c 9 5 0 0 器件都是由f a s t c o n n e c t 开关矩阵 f a s t c o n n e c t s w i t c hm a t r i x 相连的多个功能块 f u n c t i o nb l o c k 和输入输出块 i ob 1 0 c k 组成的系统 其框图见图2 功能块 提供有3 6 个输入和1 8 个输出的可编程逻辑 它是由1 8 个 独立的具有可实现组合与寄存器功能的宏单元及可编程与阵列和乘积 项分配单元组成 同时也接收全局时钟 输出使能和s e t r e s e t 信号 功能块产生1 8 个输出以驱动f a s t c o n n e c t 开关矩阵 这1 8 个输出和它 们的输出使能信号也可驱动输入输出块 输入输出块 提供器件输入输出的缓存 它是内部逻辑和用户输 入输出引脚间的接口 包括了输入缓存 输出驱动器 输出使能选择 多路开关和用户编程地控制 第2 5 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 图3 4x c 9 5 0 0 c l b 宏单元框图 快速连接开关矩阵 为所有的功能块输出和输入到功能块输入端的 输出信号提供连接 它把信号与功能块的输入相连 所有输入输出块的 输出和所有功能块的输出可驱动快速连接矩阵 通过用户的编程 它们 中的任何一个可以被选出以驱动任何一个功能块 而且拥有固定的延 时 3 引脚锁定特性 引脚锁定功能是x c 9 5 0 0 系列芯片重要的特性之一 用户完成电 路板设计后又需要改进a s i c 设计时 这一特性就显得尤为重要 这样 可以大大地节省开发时间与经费 x c 9 5 0 0 的结构增强了在保持相同引脚 的同时接受设计变更能力的特性 它提供了在f a s t c o n n e c t 开关矩阵内 的最大布通率 且包含一个允许有效乘积项的全功能块分配的灵活的功 能块 当有不可预期的设计变化时 上述条件提供了足够的把握来保持 输入输出引腿的变更 因此 在设计时可不考虑a s i c 外部引脚先行进 行p c b 板设计 4 所用器件介绍 x c 9 5 7 2 1 5 p q l 0 0 提供四个3 6 v 1 8 功能块 引脚间延时1 5 n s 7 2 个宏单元 1 6 0 0 个可使用的门和最多7 2 个i o 口 在本系统中还采用的了f p g ax c 4 0 1 3 e 一4 一p q l 6 0 芯片 以完成烦琐 的相关器功能 第2 6 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 1 接收模块 1 a 功能实现 第四章模块的具体设计 接收模块几乎与每个模块都有数据的交互 所以是其中最为复杂的 模块 由于数据计算的实时性 采用了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的d s p 芯片作 为其处理的核心 辅助一些外围电路 接收模块实现的功能实现方法 对来自模拟单元的基带模拟信号采用a d 公司的a d 7 8 2 1 进行采样 对采样得到后的i q r a m p 信号扩展d s p 的数据空间 采用 和相关值的大量数值进行存储c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 0 v 由于要判定一个突发脉冲的正确相关器 位置 以保证对其正确的采样数值 使用x c 4 0 1 3 e 一4 p q l 6 0 编程实现 送一个经过信道解码的b i t 值给下占用d s p 的一个b s p 口 一个模块 信源解码模块 以便 其完成相应的解码功能 保证d s p 程序完整装载入d s p扩展d s p 的程序空间 采用 c y p r e s s 公司的c y 7 c 0 2 7 v 1 5 保证d s p 在上电后能通过i s a 接口占用d s p 的h p i 口 c p l d 完成相 正确的初始化应的连接控制功能 s p e e c h 接口占用接收d s p 的一个b s p 表4 1 接收模块的功能实现说明 1 b 所采用的器件的说明 下面对所用到的器件 和其具体的功能控制给予一定的说明 第2 7 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 1 b ia d 7 8 2 1 a d 7 8 2 1 是一个高速的8 b i t s 采样 模数转换i c 它提供小于6 6 0 n s 的转换时间 1 0 0 k h z 的信号带宽 一 a d 7 8 2 1 引脚说明 引脚名称功能说明 v i n模拟信号输入 3 5 1 4 一1 7d b 0 一d b 7 三态数据输出线 6 阡碾 r d y 写 准备状态输出 7m o d e 模式选择 8 兄d 读输入 9 i n t 中断输出 当数据转换完毕后 n 口变 低 1 0g n d 地 1 1 1 2v rbp v ref 一 信号输入范围参考 1 8o f l 信号转换溢出标志 1 9 v s s负电源 2 0 v cc 正电源 表4 2 引脚说明 二 a d 7 8 2 1 控制连接说明 a d 7 8 2 1 和微处理器的连接非常简单 它可以被映射成为一个i o 端 口设备或者是一个外设 这样 大大的减少了需要的外部逻辑接口 下 面就 d s p v c 5 4 0 9 第2 8 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 在这里 a d 7 8 2 1 被映射到 个端口地址 这个接口设计为 t m s 3 2 0 1 0 的最大时钟频率2 0 m h z a d 7 8 2 1 被配制为w r r d 的接口 模式 个写指令开始转换 当转换完毕后 读指令读取结果 在如图 所示的设计中 a d 7 8 2 1 产生中断给d s p 不能达到a d 7 8 2 1 的最大采 样率 因为 两个采样之间 必须留下足够长的时间以保证d s p 响应 中断 并且读取从a d 7 8 2 1 来的数据 每完成一次采样的模数转换 a d 7 8 2 1 将对d s p 产生恒定的一次中断 这样 使d s p 的利用率不高 为克服这样的缺点 可以在d s p 和a d 7 8 2 1 之间放置一块f i f o 或者 双口r a m a d 7 8 2 1 的n 叮线可以用来触发一个驱动c s 和r d 的脉冲 并且把数据放入f i f o 或者缓冲内存 微处理器可以在比较空闲的时 段 从f i f o 或者缓冲内存读取数据 三 读 写时序说明 在本设计中 采用的是w r r d 模式 其时序为 图4 2a d 7 8 2 1 时序图 四 具体设计 在本设计中 a d 7 8 2 1 作为接收模块的前端采样 完成4 倍过采样 的功能 第2 9 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 图4 3 本设计的连接原理图 对该模数转换部分的控制来自该模块中的f p g a d s p 和发射模 块 d s p 管理其采样结束 f p g a 管理其采样的开始和1 0 8 3 3 3 m 的时 钟信号产生 1 b 1 ic y 7 c 1 0 2 0 c y 7 c 1 0 2 0 是高可靠的c m o s 静态3 2 k 字的s d r a m 一 特点 5 v 1 0 工作电压 高速 低功耗典型8 2 5 m w 低待机功耗5 5 0 u w 当没被片选时自动关闭电源 独立的控制高低字节 二 c y 7 c 1 0 2 0 控制说明 c e0 e 陋b l eb h e i 0 1 一i o s i o l i o a模式 xxxxx 高阻高阻待机状态 llhll 输出输出读所有的b i t s lh 输出高阻读低字节 hl 高阻输出读高字节 lxlll 输入输入写所有的b i t s lh 输入高阻写低字节 hl 高阻输入写高字节 lhhll 高阻高阻无输出 lxxlh 高阻高阻无输出 三 读 写时序 表4 3c y 7 c 1 0 2 0 的功能说明 第3 0 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 e 3 l m 一 一 f 心心 j 一 心沁n 心沁飞 沁n 姆0 jy 缓 一b w 心吣 心心心心心心心燃0 钐勿么珍殄钐钐勿 k 一i e d i i 铀 矿 图4 4c y 7 c 1 0 2 0 写时序 s 一 e 弋 一 c j 一沁e 1 j 1r 雠 j 一b 一 4 一k m 恢 h b h h l g h iw e m 慨m k 呲e d a t a v a u d 一细一 i 一 m 四 具体设计 图4 5c y 7 c 1 0 2 0 读时序 第3 l 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 图4 6 具体连接原理图 c y 7 c 1 0 2 0 芯片在本设计中是作为d s p 的程序区的扩展 以保证 d s p 程序的完整装载 在其与d s p 相连接的过程的一些逻辑控制 则 通过相应的f p g a 或者c p l d 完成 1 b i i ic y 7 c 0 2 7 v 15 c y 7 c 0 2 7 v 是一个低功耗的c m o s 3 2 kx1 6 b i t s 的双口s d r a m 有多种仲裁机制控制对同一地址的同时访问 每个端口提供独立的读写 操作 这个集成块可以被用作1 6 b i t s 双口s d r a m 或者多个同种器件组 合应用 以扩展成为3 2 b i t s 或更高的数据线的双口s d r a m 一个m s 脚在不外加主从控制逻辑就可以提供3 2 b i t s 的存储空间扩展 一 特点 3 2 k x1 6 b i t s 构成 o 3 5 微米c o m s 宏单元以优化工作速度 电源 快速的访问时间 低功耗 真正的异步操作 帮3 2 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 自动关闭电源 可扩展的数据线到3 2 3 6 b i t s 或者使用主从片选来选择多个器件 片内的仲裁机制 独立的高字节 低字节控制 协t 标志以进行端口到端口的通讯 二 控制及功能说明 表4 4 控制真值表 1 写操作 数据必须在r w 上升沿的一个t s d 时间之后被准备好 写操作的控制可以由 r w 或者是c e 引脚来完成 当一个地址的内容正在被一个端口写 而另外的一 个端口正在读取的时候 读取的一端要延迟一段时间 否则 将导致写的数据的 不确定性 2 读操作 当从i c 中读取时 要将o e 和c e 脚都设置为低 数据在c e 后的t a c e 或o e 后的t m o e 延迟后有效 如果 使用信号标志位 只要把s e m 引脚 代替c e 引脚即可 同时d e 也必须设置为低 3 中断 高两个地址可以用来作通信的通道 最高的存储地址 7 f f f 作为 右边端口的通讯信箱 次高位 7 f f e 作为左边端口的通讯信箱 当一 个端口对另外的一个端口信箱写时 对方将产生一个中断 在对方读取 了信息后 拥护再将中断置位 交换的信息 由用户自己定义 第3 3 页共7 6 页 电子科技大学一g s m 手机综合测试仪的硬件开发 每个端口都能读对方的通讯信箱而不会使它的中断置位 b u s y 信 号的有效 防止端口设置已经被另外端口取得拥有权的中断 同时 有 效的丽信号 将阻止端口从它自己的通讯信箱里读取数据和置自己 的中断 如果不使用相互的信息通讯机制 中断引脚悬空 4 b u s y 信号 c y 7 c 0 2 7 v 提供片内的仲裁以解决同时对同一个地址的访问 如果 两端的c e 都被置位 地址在t p s 时间内都匹配的情况下 b u s y 逻辑将 决定哪个端口能访问此地址 如果 在t p s 时间内冲突的话 其中一个 端口将得到访问权 但是哪个端口得到此访问权 将是不确定的 b u s y 将在地址匹配后的保持t b l a 或者是c e 被置为低后的保持t b l c 时间长 度 5 主从模式 主从引脚通过配置多个器件为主从模式 以提供扩展的数据宽度 主器件的b u s y 引脚连接到从器件的b u s y 引脚 这样 就不需要额外 的外部器件来接口 6 1 通讯锁存器 c y 7 c 0 2 7 v 有8 个通讯的锁存器 每个通讯锁存器独立于双口r a m 的内存空间 端口信号的通讯主要是用来解决一些共享的信息 每个锁 存器的状态将指示资源是否正在被使用 比如 左边端口想使用一个资 源 它就写 0 到一个锁存器 然后通过读取其内容 检验是否取得 了共享资源的控制权 如果 读到的是 0 就成功取得了控制权 否 则 将认为右边端口已经使用该资源 它就将再次提出申请 当左边端 口得到了控制权 使用共享资源后 就写 l 到锁存器中 以取消它 的控制权 端口信号的通讯通过设置s e m 为低进行 s e m 引脚的功能是信号锁存 器的片选信号 a o 2 作为信号锁存器的地址线 o e 和r w 的功能与在 一般的内存访问中的功能一样 当写 读一个信号锁存器的时候 其他 的地址引脚无效 在本设计中 以上的控制功能都被采用 其将完成