基于fpga技术的求模求相电路的实现和设计

目录中文摘要2英文摘要31绪论411背景和意义412设计特点4121数字电路设计的优越性4122VHDL语言和数字电路613基于FPGA设计电路特点714课题任务72FPGA说明和设计821FPGA的发展历史822FPGA的作用和应用9221FPGA的定义和特点9222FPGA结构和原理10221FPGA设计流程12222FPGA设计软件1323FPGA设计应注意的问题1524小结163求模求相电路的设计原理1731本课题所用原理1732其他方法的设计原理19321模拟近似求模算法19332CORDIC求相算法2033比较分析214求相求模电路的设计和硬件实现2341求模求相的发展和应用2342求摸求相的步骤24421求绝对值24422选大电路25423确定信号区间25424八级除法电路26424ROM器件30425求相位32426SUM电路3243验证分析3344本章小结335结论34谢辞35参考文献36摘要随着电子技术的迅速发展，FPGA设计电路具有结构简单、性能可靠、测量精确且易于调试的特点，因而FPGA和相关技术已经成为开发复杂数字系统的主要方式之一，高精度的求模求相的电路就是基于FPGA技术的一种应用。本文将在阐述FPGA发展状况和设计原理的基础上，着重讨论如何应用FPGA来设计一种高精度求模求相电路以及在电路实现过程中出现的各种误差的比较分析。文中主要应用了查表的设计思想，并体现了其的重要所在。在本文中还将简单介绍MATLAB和QUARTUSII在设计和实现电路功能中的应用。本课题难点在于“高精度”这3个字上，文中的设计思想关键在于如何提高电路的精度尽可能的减少误差，其中还将与其他设计方法进行比较并且说明本文所提的设计方法的优越性。通过本课题的研究和设计，将对求模求相电路进行一次新的认识，极大的提高求模求相的精度，并在实际应用中发挥重要作用。关键字FPGA高精度求模求相仿真误差分析ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHEELECTRONICSTECHNOLOGY,FPGAANDITSRELATEDTECHNIQUEHAVEBEENONEOFTHEMAINMETHODSTODEVELOPTHECOMPLEXDIGITALSYSTEMS,BECAUSEOFTHESIMPLESTRUCTURE,THECREDIBILITYFUNCTION,PRECISEMEASUREANDITISEASILYADJUSTEDTHEHIGHACCURACYBEGSAMOLDTOBEGMUTUALLYOFELECTRICCIRCUITBEACCORDINGTOAKINDOFAPPLICATIONOFTHEFPGATECHNIQUEINELABORATINGTHEFOUNDATIONOFTHEFPGADEVELOPMENTCONDITIONANDDESIGNPRINCIPLE,THISTEXTWILLEMPHASIZEHOWTODESIGNAKINDOFHIGHACCURAYTOBEGAMOLDTOBEGMUTUALLYELECTRICCIRCUITANDAPPEARINTHEELECTRICCIRCUITTHEREALIZATIONTHEPROCESSOFVARIOUSERRORMARGINOFMOREANALYTICALMAINLYAPPLIEDTOCHECKTHEDESIGNTHOUGHTOFTHEFORMINTHETEXT,ANDTHEBODYWASNOWITOFIMPORTANTPLACEWILLALSOINTRODUCETHEMATLABANDTHEQUARTUSIIINBRIEFINTHISTEXTBEDESIGNINGANDCARRYINGOUTTHEAPPLICATIONINTHEELECTRICCIRCUITFUNCTIONTHISTOPICCRUXLIESINTHIS3WORDSOF“HIGHACCURACY“UP,THEDESIGNTHOUGHTKEYINTHETEXTLIEINHOWRAISETHEACCURACYOFTHEELECTRICCIRCUITTOREDUCEANERRORMARGINPOSSIBLY,RETURNINGAMONGTHEMWILLCARRYONCOMPARISONANDEXPLAINTHESUPERIORITYOFWITHDESIGNMETHODTHATTHISTEXTLIFTWITHOTHERDESIGNMETHODSWITHTHERESEARCHANDDESIGNOFTHISTOPIC,CARRYONANEWUNDERSTANDINGTOWARDSBEGGINGAMOLDTOBEGMUTUALLYELECTRICCIRCUIT,THETREMENDOUSEXALTATIONBEGSAMOLDTOBEGMUTUALLYOFACCURACY,ANDDEVELOPANIMPORTANTFUNCTIONINPHYSICALLYTHEAPPLICATIONKEWORDSFPGAHIGHACCURACYSIMULATIONERRORANALYSION1绪论11背景和意义基于FPGA的求模求相在雷达、声纳、勘探、医疗等方面有广泛的应用，求模求相作为数字电子方面的热点正在引起越来越多的关注，在这方面的研究也在迅速的进行中，并很快的进入实用阶段，显示了其强大的生命力。雷达在军用和民用中都有很重要的应用，求模求相电路是雷达仪器中的核心部分，雷达的基本功能是发现目标并测定其坐标。通常雷达是通过向空间发射某种特定的信号，然后接收处理目标的回波信号来实现的，而处理回波信号就要应用到求模求相电路，如何能提高电路的精度直接影响到雷达定位的准确度。求模求相电路的另一个重要用处是数字鉴相器，信号相位测量的精度决定了测距的精度，相位法是一种常用的信号检测技术，相位检测有模拟相位差计、自动数字测相、信号频谱分析等。应用信号频谱分析的相位检测的基本原理是利用DRR离散傅里叶变换的选频特性得到所测信号相位信息，从而测得信号的相位差。基于FPGA的求模求相电路在数字电路方面的应用远远不止这些，随着数字电路的发展，它的作用会越来越大，越来越被重视，将会在测相测距方面发挥不可替代的作用。12设计特点121数字电路设计的优越性过去，信号处理一度是采用模拟设备来完成。近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高度发展，为信号处理提供了强有力的手段，在电子技术各个领域，例如雷达，声纳，语音通信，数字通讯等广泛的用数字方法代替模拟方法实现信号处理。电子技术的发展，特别是专用集成电路ASIC设计技术的日趋进步和完善，推动了数字系统的迅猛发展。传统的“固定功能集成块连线”的设计方法已不能够满足实际需要根据系统功能要求利用计算机辅助设计自上而下的逐层完成描述设计出速度快、体积小、重量轻、功耗小的集成电路已经成为趋势。时间上和幅值上都是离散的的信号是数字信号，处理数字信号的电路成为数字电路；脉冲信号既是典型的数字信号。工作信号是不连续的数字信号，所以电路中的半导体器件工作在开关状态，即稳定时器件处于饱和区或截止区，放大区只是其过度状态。数字电路既是开关电路又是逻辑电路，主要研究电路输入和输出间的逻辑关系。分析工具和方法与模拟电路完全不同，具有独立的基础理论。数字电路的优点1、抗干扰能力强，保密性能好。2、传输速率高，信道利用率高，网络时延小。3、数据信息传输全透明，是建立语音、数据、传真、图象等多种业务的理想平台。数字电路的设计流程结构严谨，简单明了，让人容易接受，下图就是数字电路的设计流程图设计流程122VHDL语言和数字电路电子技术的发展，特别是专用集成电路ASIC设计技术的日趋进步和完善，推动了数字系统的迅猛发展。传统的“固定功能集成块连线”的设计方法已不能够满足实际需要，根据系统功能要求利用计算机辅助设计自上而下的逐层完成描述设计出速度快、体积小、重量轻、功耗小的集成电路已经成为趋势。而VHDL语言的出现正是迎合了这一需求。VHDL语言的英文全名是VERYHIGHSPEEDINTEGRATEDCIRCUITHARDWAREDESCRIPTIONLANGUEAGE,即超高速集成电路硬件描述语言。这种语言不仅适合于描述过程和算法，还适合作硬件描述。在从CAD工具到EDA工具的进化过程中，电子设计工具的人机界面能力越来越高。在利用EDA工具进行电子设计时，逻辑图、分立电子原件作为作为整个越来越复杂的电子系统的设计已经不适合了。所以作为EDA工具的硬件描述语言VHDL就出现了。VHDL语言数字电路设计的优点1与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。2VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。3VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效、高速地完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。4对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的将VHDL描述设计转变成门级网表。5VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。VHDL的设计流程在设计过程中，采用自顶向下的方法。首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分然后对各模块进行设计并仿真，再进一步综合，进行门级仿真，如果没有错误，即可下载，实现电路。基本流程如图1所示。我们设计的数字时钟基本功能划分为计数模块包括秒、分、时、译码模块包括秒、分、时的译码输出、控制模块完成置数13基于FPGA设计电路特点随着超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技术的发展，现场可编程门阵列就应运而生。FPGA器件集成度高、低功耗及体积小，具有通过用户编程实现ASIC的功能，因此有时也称FPGA为可编程ASIC。它的应用缩短了系统研制周期，减少了投资，广泛地应用于数字信号处理DSP中。本课题求模求相电路的设计和实现之所以采用FPGA技术是因为FPGA具有以上的各种优点，在与用其他设计方法的比较中明显可以看到其优势所在，这将在以下的文中详细介绍。14课题任务设计和实现高精度求模求相电路是所要完成的任务，基于FPGA技术的求模求相电路最重要的特点就是高精度，高精度也是本课题的关键所在。文中会先描述一种运用FPGA技术所实现的电路的硬件实现方法，在用QUARTUSII仿真分析其的误差和出现的原因，接着再用MATLAB来仿真其他几种理论方式实现，通过比较来说明本课题所介绍的方法的优越之处。文中将在重点介绍所用方法的同时，简单的介绍一些相关的方面。通过本课题的研究，预期将达到的目的硬件实现一种基于FPGA的高精度求磨求相电路，锻炼自身的动手动脑能力，比较理论和实际的差别，增强实际操作能力，为以后的工作、学习多增长一点经验。2FPGA说明和设计21FPGA的发展历史自1985年XILINX公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商ALTERA公司、XILINX公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。目前，FPGA的主要发展动向是随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统“（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。FPGA作为一个比较新的领域，在最近几年中有很大的发展和进步。各个厂家的FPGA不断推陈出新，工艺越来越高、速度越来越快、功能越来越多，价格却越来越便宜了。随着FPGA成本的进一步降低和规模的增加，在未来几年中FPGA应该有更加宽广的应用领域。这样看来FPGA的开发人员似乎有一个不错的将来。但是就我看来，FPGA开发人员在中国发展前景并不是很好。FPGA的开发一般归属于硬件开发的范畴。说起硬件开发，大部分人想到的是画PCB和原理图。在IC厂家的参考设计和公板横行的现实情况下，FPGA设计含有较高的创造性和技术含量。当然PCB设计也有很多技术含量高的部分，比如信号完整性和模拟信号处理等。随着数字逻辑系统功能复杂化的需求，单片系统的芯片正朝着超大规模、高密度的方向发展。与此同时，人们却发现一个有趣的现象，即一个超大规模的数字时序系统芯片，在其工作时，从时间轴上来看，并不是每一瞬间系统的各个部分都在工作，而系统是各个局部模块功能在时间链上的总成。同时，人们还发现，基于SRAM编程的FPGA可以在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。正是基于这个称之为静态系统重构的技术，有人设想，能不能利用芯片的这种分时复用特性，用较小规模的FPGA芯片来实现更大规模的数字时序系统。在研究过程中，有人尝试了这种设想，发现常规的SRAM的FPGA只能实现静态系统重构。这是因为该芯片功能的重新配置大约需要数毫秒到数十毫秒量级的时间；而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失去，新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连接。但是，要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对FPGA的结构进行革新。可以预见，一旦实现了FPGA的动态重构，则将引发数字系统的设计的思想的巨大转变。综上所述，我们可以看到在新世纪，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术正朝着以下几个方向发展。随着便携式设备需求的增长，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。芯片向大规模系统芯片挺进，力求在大规模应用中取代ASIC。为增强市场竞争力，各大厂商都在积极推广其知识产权IP库。动态可重构技术的发展，将带来系统设计方法的转变。22FPGA的作用和应用221FPGA的定义和特点FPGA是英文FIELDPROGRAMMABLGATEARRAY的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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（ASIC）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。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LOGICCELLARRY）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（CONFIGURABLELOGICBLOCK）、输出输入模块IOB（INPUTOUTPUTBLOCK）和内部连线（INTERCONNET）三个部分。FPGA的基本特点主要有1采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。222FPGA结构和原理一查找表（LOOKUPTABLE的原理与结构采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA如ALTERA的ACEX,APEX系列,XILINX的SPARTAN,VIRTEX系列等。查找表（LOOKUPTABLE简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16X1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA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RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。下面就是一个4输入与门的例子二基于查找表（LUT的FPGA的结构下面以ALTERA的FLEX/ACEX等芯片的结构为例FLEX/ACEX的结构主要包括LAB，I/O块，RAM块（未表示出）和可编程行/列连线。在FLEX/ACEX中，一个LAB包括8个逻辑单元（LE）,每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构。三查找表结构的FPGA逻辑实现原理我们还是以这个电路的为例A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔丝或FLASH工艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。221FPGA设计流程FPGA基本开发流程主要包括设计输入（DESIGNENTRY）、设计仿真（SIMULATION）、设计综合（SYNTHESIZE）、布局布线（PLACEPROCESSQUOTIENT,TGVARIABLETEMP1STD_LOGIC_VECTOR7DOWNTO0BEGINFORIIN7DOWNTO0LOOPTEMP1IQUOTIENTITGITEMP1IENDLOOPENDPROCESSENDSYN424ROM器件ROM器件的生成是比较程序化，TG,SIN,COSROM器件的生成过程都差不多，下面就以COS为例介绍ROM，先用MATLAB生成MIF文件，再在QUARTUSII调用MIF生成ROM器件。MATLAB程序如下FUNCTIONBMIFWJA,C,B本程序用来生成MIF文件LOGNER编制参数A待存的数字变量C文件名MIFB待存数字的二进制位数M,NSIZEAFP1FOPENC,WTFPRINTFFP1,DEPTHFPRINTFFP1,NUM2STRNFPRINTFFP1,NFPRINTFFP1,WIDTHFPRINTFFP1,NUM2STRBFPRINTFFP1,NFPRINTFFP1,ADDRESS_RADIXDECNFPRINTFFP1,DATA_RADIXHEXNFPRINTFFP1,CONTENTNFPRINTFFP1,BEGINNFORS1MFORI1NFPRINTFFP1,DXN,S1NI1,AS,IENDENDFPRINTFFP1,ENDNFCLOSEFP1DISPSUCESSFORI01127SCOSIPI/127/4SII1CEIL2047SENDMIFWJSI,COS11MIF,12生成的器件仿真图分析在结果中，实际上应该输出的是0到1的数值，这里是放大了2048倍再输出的，为了方面检查验证结果，再后面还要缩小2048倍来还原结果的。425求相位（待补充）426SUM电路SUM电路实际上是两个乘法器和一个加法器组合而成，DATAA为15位的MAX（|I|,|Q|）,DATAB为12位的COS,DATAA为15位的MIN（|I|,|Q|），DATAB为12位的SIN,前两个的乘积加上后两个的乘积，就是信号的模值。COS，SIN的数值是由ROM器件产生的。仿镇图分析TG也是先放大输入的，这里只验证器件的功能，后面在统一数据的，通过上图可以看到有延迟出现，可以考虑加一个寄存器来解决延迟问题，在功能实现上是没有问题的。43验证分析（待补充）44本章小结本章是全文的重点，也是求模求相电路的设