（电路与系统专业论文）基于FPGA的全数字中频导航接收机研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于f p g a 的全数字中频导航接收机研究 摘要 本论文主要研究在高动态大频偏的信号环境下导航接收机实现码捕获和跟 踪的方法高动态扩频信号具有高达数十k h z 的载波多普勒频移，并且接收机 工作在极低的信噪比环境下，大大增加了捕获的难度本论文给出了长伪码周 期下的匹配滤波器硬件结构，使用分段匹配的方式来抵消大频偏对码捕获的影 响，采用多次最大值技术避开了判决门限问题并分析计算了采用不同方式时系 统的检测概率性能，提出了一种新的频率相位二维搜索的策略，减少了p n 码 捕获的时间 论文给出了数字延迟锁定跟踪环的v l s i 结构，分析了其环路滤波器参数的 计算方法。提出了使用正交下变频来补偿多普勒频移的硬件结构，并给出了载 波同步c o s t a s 环的硬件结构。 整个系统使用f p g a 实现，论文最后给出了系统各主要模块的f p g a 实现 结构，并进行了仿真及数据分析。 关键字：数字接收机数字匹配滤波器伪随机码捕获现场可编程门阵列扩 频码跟踪 r e s e a r c ho nd i g i t a li fr e c e i v e ro fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m b yu s i n gf p g a d e v i c e s a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h es u b j e c ta b o u tp nc o d ea c q u i s i t i o na n d t r a c k i n gm e t h o do fd i g i t a li fr e c e i v e ro fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e mu n d e rh i g h d y n a m i ca n dl a r g ef r e q u e n c yo f f s e te n v i r o n m e n t t h eh i g hd y n a m i cs p r e a d s p e c t r u ms i g n a l si n c l u d eh i g hd o p p l e rs h i f t sw h i c hm a ye x c e e d1 0l f f i z ，b e s i d e st h e r e c e i v e rw o r k su n d e rl a r g e f r e q u e n c yo f f s e te n v i r o n m e n t ，w h i c hi n c r e a s et h e d i f f i c u l t i e so fa c q u i s i t i o np r o c e s s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad m fa r c h i t e c t u r e u s el o n gp e r i o dp nc o d e ，p a r t i a lc o r r e l a t i o nm o d eh a sb e e ni m p l e m e n t e dt o c o u n t e r a c td o p p l e rs h i f ti n f l u e n c e m u l t i a c c u m u l a t e dc o r r e l a t i o nv a l u em e t h o di s a d o p t e dt oa v o i ds e r i n gd e t e r m i n a t i o nt h r e s h o l d ，a n ds y s t e md e t e c t i o n r a t e sa r e c a l c u l a t e du n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e an e wa c q u i s i t i o n s t r a t e g y b a s e do n t w o - d i m e n s i o n a ls e a r c h i n gi sp r o p o s e dt or e d u c et h et i m ec o n s u m p t i o no fp nc o d e a c q u i s i t i o n av l s ia r c h i t e c t u r eo fd i g i t a ld e l a y - l o c k e dl o o pi sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h e nt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gl o o pf i l t e rp a r a m e t e ri sa l s os t u d i e d d i g i t a ld o w n c o n v e r s i o ni sa d o p t e df o rd o p p l e rs h i f tc o m p e n s a t i o n av l s ia r c h i t e c t u r eo f c o s t a sl o o pf o rc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o ni sp r e s e n t e d t h ew h o l es y s t e mi si m p l e m e n t e do nf p g a ，a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o ns o m e f p g ai m p l e m e n t a t i o n so fp r i m em o d u l e sa n da n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l ta r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：d i g i t a lr e c e i v e rd i g i t a lm a t c h e d f i l t e r p nc o d ea c q u i s i t i o n f p g ap nc o d et r a c k i n g 插图清单 图2 一l 直扩系统的组成原理框图7 图3 1s t r a t i x 器件的平面布局示意图1 6 图3 2s t r a t i xf p g a 内部的互连线资源1 7 图3 3l a b 中的l u t 链和触发器链1 8 图4 一l 发送端的原理结构2 0 图4 2 成形滤波器的幅度响应2 l 图4 3c o r d i c 算法的流水线结构2 2 图5 - l 直接数字下变频的原理结构2 4 图5 2c i c 滤波器的幅频特性2 5 图5 3 带积分段和梳状段的c i c 滤波器2 6 图5 - 4 单级积分器及单级梳状滤波器结构2 6 图5 5d m f 的基本结构2 8 图5 - 6 采用传统f i r 结构的匹配滤波器3 0 图5 - 7 对加法树实现复用的f i r 结构的d m f 一3 l 图5 - 8 经过改进的逻辑复用的f i r 结构的d m f 3 2 图5 - 9 移位寄存器内的数据分布示意图3 3 图5 1 0 时钟及s e l 信号的时序图3 3 图5 - l l 不同相关长度下相关峰值对d o p p l e r 频移的恶化情况3 4 图5 - 1 2 使用分段匹配的匹配滤波器结构3 5 图5 1 3 多次最大值检测技术的工作过程3 6 图5 1 4 仅观察一个周期时系统的检测概率3 9 图5 - 1 5 观察a 个周期时系统的检测概率( a = 1 6 ) 4 0 图5 1 6 相关峰值恶化对检测概率的影响4 0 图5 1 7 不同匹配长度以及不同累加周期数时的检测概率的变化4 1 图6 - l 全时间超前滞后非相干码跟踪回路结构4 4 图6 3 数字式非相干码跟踪环路框图4 6 图6 - 4 环路滤波器的原理框图4 7 图6 5 二阶环路滤波器的v l s i 结构4 8 图6 - 6 码跟踪环路n c o 的v l s i 结构一4 8 图6 7 积分清零器( 相关器) 的v l s i 结构4 9 图6 8 修正c o s t a s 环恢复q p s k b p s k 信号相干载波的鉴相特性5 0 图6 - 9 修正c o s t a s 环的v l s i 结构：5 1 图6 一1 0 使用正交下变频进行多普勒载频的抵消5 1 图7 1 系统的总体框图一5 2 图7 2 发送端的原理图5 3 图7 3 发送端的时序仿真5 3 图7 4 扩频信号经调制后的频谱图5 4 图7 3d m f 综合后的f l o ws u m m a r y 一5 4 图7 4d m f 的i 汀l 结构图5 5 图7 5d m f 的时序仿真结果5 6 图7 - 6 在m a t l a b 中观察d m f 的仿真结果一5 6 图7 7 跟踪环路的原理图5 7 图7 8c o s t a s 环的原理图5 8 表格清单 表3 - 1s t r a t i x 系列l5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金肥王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 学位论文作者签字；降鼢可乌签字日期：w 7 年月陟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅本人授 权盒匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：躺亏 签字日期：如，年f 月即i = 1 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址； 导师签名： 毛诊 签字日期：2 吮漭占月r 日 电话； 邮编： 致谢 首先，衷心感谢我的导师康志伦研究员他严谨的治学态度、广博的知识 以及谦逊随和的人品深深影响着我。两年来在康老师的悉心指导和严格要求下， 使得我在学业上取锝了长足的进步，借此机会，作者向导师康志伦研究员表达 深深的敬意和谢意 在此还要特别感谢电子科技集团第3 8 研究所的章仁飞工程师。章仁飞工程 师具有深厚的理论功底和丰富的实际工作经验，在实习期间给予我了许多专业 上的帮助，使我学到了许多终生受益的宝贵知识 十分感谢电子科技集团第3 8 研究所的王冰高级工程师、卢玉杰工程师、陶 玉龙工程师、合肥工业大学的蔡磊硕士、符伟硕士、杨一鸣硕士、徐海洲硕士、 安徽大学的杨清华硕士的帮助和支持。对第3 8 研究所接受研究部的其他同事的 关心和支持。在此一并向他们表示感谢。 最后，向整个硕士研究生期间给予我关心、帮助和支持的所有亲人、朋友、 老师和同学表示由衷的谢意。 作者；顾何方 2 0 0 7 年5 月3 0 日 1 1 卫星导航定位系统的发展 第一章绪论 利用人造地球卫星进行导航定位，是无线电通信技术、电子计算机技术、 测量技术和空间技术相结合的高技术产物，是现代军事和空间技术的一大突破 和飞跃因此，各国对此纷纷投入研究。第一代卫星导航系统是2 0 世纪6 0 年 代出现的美国t a n s i t ( 子午仪) 系统和2 0 世纪7 0 年代苏联建立的c i c a d a 系统。 美国和苏联分别从2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代开始研制新一代导航卫星系统 - g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 和g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 系统，他们分别于1 9 9 5 年和1 9 9 6 年达到各自的实用水平，且使用在不断的迅 猛增长。特别是g p s 系统应用己相当广泛，而且随着美国g p s 政策的改变和 g p s 现代化的发展，g p s 系统的应用在全世界范围内得到了普及。o p s 系统和 g l o n a s s 系统组合使用的实用化，对卫星导航系统的定位精度和完整性得到 很大提高。然而，这两个系统分别由各自军事部门控制，为了打破一个或两个 国家军事部门对卫星导航系统的控制，满足民用和各自国家的军事需要，从2 0 世纪9 0 年代开始，国际民航组织，国际移动卫星组织，欧洲等一直倡导发展完 全由民间控制的全球导航卫星系统g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 和 研制地球同步卫星定位导航系统。欧洲多年来一直在争取发展欧洲导航卫星系 统，并力图在发展未来g n s s 中扮演主角。目前欧洲已启动伽利略( g a l i l e o ) 导航卫星星座系统的建设，该系统是一个独立于g p s 但对其兼容的全球系统， 它的建设成功将保证欧洲在发展下一代全球卫星导航系统中发挥重要作用。2 0 世纪8 0 年代，中国提出了建设自己的双星定位导航系统。双星定位导航系统的 建设，将使我国在卫星导航领域逐步走出受制于人的境地，具有重要的实用价 值和重大的战略意义。我国的“北斗一号”双星定位导航通信系统，分别于2 0 0 0 年l o 月3 0 日和1 2 月2 1 日成功发射两颗导航卫星，整个系统即将投入运行和 使用：各个部门正在加紧“北斗一号”系统的增强系统研究和“北斗二代”系 统的论证工作，双星定位导航用户设备的研制极其相关应用技术的研究和实验 工作 可见。随着卫星导航应用的普及，整个世界都在规划和关注未来导航卫星 系统的发展。美国和俄罗斯都已确定了下一代导航卫星的型号，它们分别是 g p s - i i f 和g l o n a s s m 系列。这些卫星在安全性和使用性能上有重大改进， 它们将在本世纪初发射。此后，一个美俄联合体，一个包括欧洲，日本及发展 中国家参与的世界卫星导航网络将会出现【i 】 1 2 中频数字化概论 中频数字化属于软件无线电的概念范畴，软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 是 1 9 9 2 年5 月由m i l t r e 公司的j o e m i t o l a 首次明确提出的。其中心思想是构造 一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、 调制方式、数据格式、加密模式、通讯协议等用软件来实现，并使宽带a d 和 d ，a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线 通信系统软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台作 为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件，面向用途的 电台设计方法中解放出来。其功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活 性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d ，d a 变换) 尽量靠 近天线 上一代数字接收机一般是将接收的r f 信号先变成零中频信号，然后在基带 上进行数字处理这种接收机的i f 单元一般需要模拟带通滤波器、压控振荡器、 乘法器等分立元件，因而精度低、一致性差，且其性能随温度变化，也难以满 足进一步减少体积和功耗的要求。而目前国内外正在深入研究的软件无线电技 术的核心思想就是a d 和d a 尽可能靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个 开放性、模块化平台上由软件来实现。把这种思想引入到数字接收系统中。不 但可以降低系统成本，缩短开发周期，而且可以提高系统的通用性和灵活性。 受宽带天线、高速a d 及d s p 等技术条件的限制，实现一个理想的软件无线 电平台的条件目前还不具备。随着数字技术和微电子技术迅速发展，数字信号 处理器( d s p ) 等可编程器件的运算能力在成倍地提高，同时a d 转换器( a d c ) 的性能和速度也在不断提高。目前市场上最新的a d c 器件可以在数十乃至数 百兆的中频段进行数字化处理，从而使中频数字化成为可能，但是后续的处理 量巨大，因此在实际操作中，运算能力成了实现软件无线电的瓶颈之一。一种 可行的方法是采用数字下变频( d d c ) 技术将高速数据流变成中低速数据流，然 后用f p g a 或d s p 进行实现。 下面简要介绍与分析几种数字接收机方案【2 1 1 3 1 ： 1 2 1 “零中频”方案 。零中频”方案也称直接变换方案d c r ( d i r e c tc o n v e r t e rr e c e i v e r ) ，该方 案将射频信号转换到基带( 零中频) ，然后在基带进行数字化过程。d c r 方案提 供了很大的灵活性，但由于该方案中硬件主体为模拟器件，存在一些固有的缺 陷： ( 1 ) a d 前的模拟器件很难保证都有大的动态范围； 2 ( 2 ) u q 信道间不能做到有精确的平衡； ( 3 ) 直流偏量有待消除 1 2 2 射频( r f ) 数字化方案 r f 数字化方案是将a d 转换器放置在射频端，直接在射频端进行数字化过 程。r f 方案简洁明了，很容易实现软件化控制，是一种比较理想的方案，也是 软件无线电的最终寻求的实现方案随着大规模集成电路的发展和a d c 器件 水平的不断提高，r f 方案的选择将会成为一种必然。但目前应用a d c 直接在 射频端进行模，数转换还存在以下问题： ( 1 ) 对接收机的选择性和灵敏度影响很严重，容易造成a d c 超载或者丢 失弱信号： ( 2 ) 为了适应输入信号的动态范围，降低a d c 的量化噪声，这就必然要 求a d c 具有大的动态范围，然而，就目前的a d c 器件水平而言难度很大； ( 3 ) a d c 前的抗混叠滤波器难以适应多频段、多制式的要求； ( 4 ) a d c 采样孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重。 1 2 3 中频( i f ) 数字化方案 合理的折衷是经过下变频，将r f 信号变换为中频( i f ) 信号，在宽带a d c 前可以用一高性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号，经a d 采样数字化后由 d d c 完成数字下变频，转换成i q 双通道信号送至f p g a 处理。由于a d c 后 用数字滤波器代替了模拟滤波器，提高了系统的灵活性和滤波器的选择性，而 且就系统的可编程性而言，数字i f 方案与r f 数字化相当。 1 3 本文的主要工作及内容安捧 卫星通信系统中的一个关键部分就是扩频码及载波的捕获与跟踪数字电 路接收机与航天器之间由于相对运动引起的大多普勒频移会对扩频码及载波 的捕获与跟踪性能造成很大的影响，导致接收机解扩、解调无法完成。因此， 对卫星通信系统而言，在不使硬件复杂化的前提下，研究和实现多普勒频移补 偿方案具有十分重要的理论和实用价值。 本文的具体内容安排如下： 第一章为绪论部分，简述了卫星导航定位系统的发展，简要介绍了接收机 的几种数字化方案，指出就目前而言，中频数字化是可行且符合系统要求的。 第二章简要介绍了扩频通信的理论基础以及直接序列扩频系统的组成原理 及其特点，其突出的抗干扰能力使得其很适合用于高动态低信噪比的场合。 第三章介绍了e d a 技术的发展以及a l t e k a 的s t r a t i x 系列f p g a 的组成 结构 第四章阐述了发送端的组成，包括p n 码的生成、扩频、成形滤波、调制等 部分的原理结构。 第五章介绍了基于匹配滤波器的p n 码捕获原理，提出了一种新的匹配滤波 器的硬件结构，这种结构使得p n 码周期较长时d m f 能在f p g a 上实现。对于 较大的频偏，需要采用频率相位二维搜索的策略本章给出了一种多次最大值 检测概率的方法，避免了判决门限的设置，使用分段匹配的方式来抵消大频偏 对码捕获的影响，并计算了不同模式下检测概率性能的变化 第六章讨论了p n 码跟踪的原理及数字延迟锁定跟踪环的结构以及载波跟 踪c o s t a s 环的结构。 第七章给出了系统主要功能模块的f p g a 实现结构以及一些仿真数据。 最后一章对全文作出了总结，指出了未来工作的展望。 4 第二章扩频通信原理简介 扩频通信一般是指用远远大于原始数据信号带宽的频带宽度来传输信息的 技术。它以其抗干扰能力强频谱利用率高等诸多优点越来越为人们所认识，被 广泛的应用于军事、卫星和民用通信的各个领域。 概括来讲，一股的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。第一步 为信息调制，第二步为扩频调制，第三步为射频调制，以及相应的信息解调、 解扩和射频解调。由此可见，与常规的无线通信系统相比，扩频通信增加了扩 频调制与解扩部分。 2 1 扩频通信理论基础 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 是将待传送的信息数据被 伪随机序列调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的伪随机序列进 行解调处理，恢复原始信息数据。 扩频通信技术的理论基础源自著名的s h a n n o n 定理；在高斯自噪声干扰条 件下，通信系统的极限传输速率( 或称信道容量) 为： c - - b l 0 9 2 ( 1 + 争驯j ( 2 1 ) 式中b 为信道带宽；s 为信号平均功率；n 为噪声功率。 若白噪声的功率谱密度为噪声功率= n o b ，则信道容量c 可以表示为 c - 剔。g ：( 1 + 考6 f f b ( 2 2 ) 由s h a n n o n 公式可以看出： 1 要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方 法可以通过增加传输信号带宽b ，或增加信噪比s n 来实现。由式2 1 可知，b 与c 成正比，而c 与s ，n 成对数关系，因此，增加b 比增加s n 更有效。 2 信道容量c 为常数时，带宽b 与s n 可以互换，即可以通过增加带宽b 来降低系统对信噪比s n 的要求：也可以通过增加信号功率，降低信号的带宽。 这就为那些要求信号带宽小的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减 小带宽或降低功率的有效途径。 3 当b 增加到一定程度后，信道容量c 不可能无限的增加。由式2 1 可知， 信道容量c 与信号带宽成正比，增加b 。势必会增加c ，但当b 增加到一定程 度后，c 增加缓慢，由式2 2 可知，随着b 的增加，由于噪声功率；n o b 。 因而n 也要增加，从而信噪比s 肘要下降，影响到c 的增加，考虑极限情况， 5 令b 斗m 时，舰c = 。l i r a b l 0 9 2 ( + 舌= 1 “罢 4 上面所推导的1 4 4 三就是极限信息速率r 。能够实现极限信息速率传输并 且能够达到任意小的差错概率的通信系统称为理想带通系统 根据带通与信噪比互换的情况： 1 0 9 ：( 1 + s o ) = 锄l 0 9 2 ( 1 + 争 ( 2 3 ) 其中，跏，为解调器输入信噪比，带宽为b ：毗为解调器输出信噪比，带 宽为鼬 疋虬l ，置，m l 的条件下，上式可简化为： 烈舻 4 ， ol j j 、7 由此可见，理想带通系统中，输出信噪比溉随着带宽比b b = r 的增加是按照 指数规律增加的。增加带宽可以明显提高信噪比输出溉，也就相当于提高了 系统的性能【4 】【6 1 2 2 直接序列扩频 直接序列扩频( d s s s ) 简称直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱 系统。人们对直接序列扩频系统的研究最早，尤其在卫星通信取得了很多的研 究成果，如美国国防卫星系统，全球定位系统( g p s ) 等都是直接扩频技术的应 用实例。我国自行研制的北斗双星定位系统也采用了直扩技术 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带 上去在接收端用与发端相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理， 恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使 落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达 到了抗干扰的目的。 2 2 1 系统组成 直扩系统的组成原理图如图2 1 所示，由信源输出的信号a ( 0 是码元持续 时间死的信息流，p n 码产生器产生的扩频码为c 例，每一p n 码码元宽度或c h i p 宽度为疋，将信息码a ( 0 与伪随机序列c 似进行模二加，产生一个速率与p n 码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到己扩频调 6 制的射频信号 图2 1 直扩系统的组成原理框图 在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后得到了中频信号( f ) ，然后再 用与发端同步的伪随机序列c ( o 对中频扩频调制信号 ( r ) 进行解扩处理，之后将 该信号的频带恢复成信息序列a ( o 的频带，最后进行解调，就可以恢复出a ( o 了。对于干扰信号和噪声而言，由于它们与伪随机序列不相关，在相关解扩器 的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度 降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪 比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。 2 1 2 2 直扩系统的特点和用途 直扩系统主要应用于通信抗干扰、卫星通信、导航、测距和定位等方面， 其特点主要有以下几个方面： 1 具有较强的抗干扰能力。扩频系统通过相关接收将干扰功率扩展到很宽的 频带上面去，使进入信号频带内的干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的 信千比，从而提高了系统的抗干扰能力。 2 具有很强的隐蔽性和抗干扰、抗窃听、抗测向的能力。扩频信号的谱密度 很低，可使信号淹没在噪声之中，不易被敌方截获、窃听。 3 具有选址能力，可实现码分多址扩频系统本来就是一种码分多址通信系 统。用不同的码可以组成不同的网，组网能力强，其频谱利用率并不因占用的 频带宽而降低，采用多址通信后，频带利用率反而比单频带载波系统的频带利 用率要高 7 4 抗衰落，特别是抗频率选择性衰落性能好 5 抗多径干扰。直扩系统有较强的抗多径干扰能力，多径信号到达接收端。 由于利用了扩频码的相关特性。只要多径时延超过扩频码的一个c h i p ，则通过 相关处理后，可消除这种多径干扰的影响 6 可进行高分辨率的测向、定位，利用扩频码的相关特性，可完成精度很高 的测距和定位。 8 第三章e d a 技术及f p g a 简介 3 1 电子设计自动化e d a 技术 e d a 是e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 的缩写，意为电子设计自动化，即利 用计算机自动完成电子系统的设计e d a 技术是以计算机和微电子技术为先 导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等 多种计算机应用学科最新成果的先进技术。它与电子技术、微电子技术的发展 密切相关，吸收了计算机领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为 工具，在e d a 软件平台上，根据硬件描述语言h d l 完成的设计文件，自动地 完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布线、仿真，直至对于特定目标芯 片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 e d a 技术在不同时期有不同的内容，回顾近3 0 年的电子设计技术的发展历 程，可将e d a 技术分为三个阶段：七十年代为c a d ( c o m p m e ra i d ed e s i g n ) 阶 段。这个阶段主要分别研制了一个个单独的软件工具，主要有电路模拟、逻辑 模拟、版图编辑、p c b 布局布线等，通过计算机的使用，从而可以把设计人员 从大量繁琐、重复的计算和绘图工作中解脱出来。其核心是电路c a d 技术， 产生了计算机辅助设计概念。但这样的设计过程存在两个方面的问题：第一， 由于各个工具软件是由不同的公司和专家开发的，只解决一个领域的问题，若 将一个工具软件的输出作为另一个工具软件的输入，就需要人工处理，过程很 繁琐，影响了设计速度；第二，对于复杂电子系统的设计，当时的e d at 具 由于缺乏系统级的设计考虑，不能提供系统级的仿真与综合，设计错误如果在 开发后期才被发现，将给修改工作带来极大的不便。 八十年代为c a e 阶段。这个阶段在集成电路与电子系统方法学，以及设计 工具集成方面取得了众多成果，与c a d 相比，除了纯粹的图形绘制功能外， 又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一 起，实现了工程设计。由于采用了统一数据管理技术，因而能够将各个工具集 成为一个c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 系统。c a e 的主要功能是：原理图 输入、逻辑仿真、电路分析、自动布局布线、p c b 后分析等。这个阶段主要采 用基于单元库的半定制设计方法，采用门阵列和标准单元设计的各种a s i c 得 到了极大的发展。将集成电路工业推入了a s i c 时代。 九十年代为e d a 阶段，尽管c a d c a e 技术取得了巨大的成功，但并没有 把人从繁重的设计工作中彻底解放出来在整个设计过程中，自动化和智能化 程度还不高，各种e d a 软件界面千差万别，学习实用困难，并且互不兼容， 直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求贯穿整个设计过 9 程的自动化，即电子系统设计自动化。此阶段出现了以高级语言描述、系统仿 真和综合技术为特征的第三代e d a 技术，不仅大大提高了系统的设计效率， 而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，将精力集中予创造性的方 案与概念的构思上【7 l 【s 1 3 2 可编程逻辑器件【9 】【1 1 l 可编程逻辑器p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ) 是a s l c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 的一个重要分支a s i c 按制造方法又可分为全定制 ( f u l lc u s t o m ) 产品、半定f l ；t ( s e m i - c u s t o m ) 产品和可编程逻辑器件( p l d ) 。前两种 a s i c 的设计和制造都离不开器件生产厂家。用户主动性较差。随着微电子技 术的发展，设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，并尽可能缩短设计周 期，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用 之中，在使用中也能比较方便的对设计进行修改。可编程逻辑器件就是为满足 用户的这一需求应运而生的 3 2 1 可编程逻辑器件简介 p l d 从2 0 世纪7 0 年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构、 工艺、集成度、速度和性能都在不断的改进和提高。p l d 又可分为简单低密度 p l d 和复杂高密度p l d 。 可编程阵列逻辑器件p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 和通用阵列逻辑器 件g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 都属于简单p l d ，结构简单，设计灵活，对开发软 件的要求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。随着技术的发展。简单p l d 在集成度和性能方面的局限性也暴露出来。其寄存器、i ，o 引脚、时钟资源的 数量有限，没有内部互连，因此包括复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp l d ) 和现场可编程门阵列器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 在内的复杂 p l d 迅速发展起来，并向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适 用范围更广阔的方向发展 f p g a 具备阵列型p l d 的特点，结构又类似掩膜可编程门阵列，因而具有 更高的集成度和更强大的逻辑实现功能，使设计变得更加灵活和易实现。相对 于c p l d ，它还可以将配置数据存储在片外的e p r o m 或者计算机上，设计人 员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。所 以f p g a 得到了更普遍的应用。 l o 3 2 2 使用f p g a 器件进行开发的优点 使用f p g a 器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程。而且可以降低整 个系统的体积和成本，增加系统的可靠性它们无需花费传统意义下制造集成 电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的 一族。使用f p g a 器件设计数字系统电路的主要优点如下： 1 设计灵活 使用f p g a 器件，可不受标准系列器件在逻辑功能上的限制。而且修改逻 辑可在系统设计和使用过程的任一阶段中进行，并且只须通过对所用的f p g a 器件进行重新编程即可完成，给系统设计提供了很大的灵活性。 2 增大功能密集度 功能密集度是指在给定的空间能集成的逻辑功能数量。可编程逻辑芯片内 的组件门数高，一片f p g a 可代替几片、几十片乃至几百片中小规模的数字集 成电路芯片用f p g a 器件实现数字系统时用的芯片数量少，从而减少芯片的 使用数目，减少印刷线路板面积和印刷线路板数目，最终导致系统规模的全面 缩减。 3 提高可靠性 减少芯片和p c b 数目，不仅能缩小系统规模，而且它还极大的提高了系统 的可靠性。具有较高集成度的系统比用许多低集成度的标准组件设计的相同系 统具有高得多的可靠性使用f p g a 器件减少了实现系统所需要的芯片数目， 在印刷线路板上的引线以及焊点数量也随之减少，所以系统的可靠性得以提高。 4 缩短设计周期 由于f p g a 器件的可编程性和灵活性，用它来设计一个系统所需时间比传 统方法大为缩短。f p g a 器件集成度高。使用时印刷线路板电路布局布线简单。 同时，在样机设计成功后，由于开发工具先进，自动化程度高，对其进行逻辑 修改也十分简便迅速。因此，使用f p g a 器件可大大缩短系统的设计周期，加 快产品投放市场的速度，提高产品的竞争能力。 5 工作速度快 f p g a c p l d 器件的工作速度快，一般可以达到几百兆赫兹，远远大于d s p 器件。同时，使用f p g a 器件后实现系统所需要的电路级数又少，因而整个系 统的工作速度会得到提高。 6 增加系统的保密性能 很多f p g a 器件都具有加密功能，在系统中广泛的使用f p g a 器件可以有 效防止产品被他人非法仿制。 7 降低成本 使用f p g a 器件实现数字系统设计时，如果仅从器件本身的价格考虑，有 时还看不出来它的优势，但是影响系统成本的因素是多方面的，综合考虑，使 用f p g a 的成本优越性是很明显的首先，使用f p g a 器件修改设计方便，设 计周期缩短，使系统的研制开发费用降低；其次，f p g a 器件可使印刷线路板面 积和需要的插件减少，从而使系统的制造费用降低；再次，使用f p g a 器件能使 系统的可靠性提高，维修工作量减少，进而使系统的维修服务费用降低。总之， 使用f p g a 器件进行系统设计能节约成本 3 2 3f p g a 设计的开发流程 设计开始需利用e d a 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本 方式( 如v h d l 程序) 或图形方式( 原理图、状态图等) 表达出来完成设计描述 后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合作准 备。在此，对于多数的e d a 软件来说，最初的设计究竟采用哪一种输入形式 是可选的，也可混合使用。 编译形成标准v h d l 文件后，在综合前即可以对所描述的内容进行功能仿 真，又可称为前仿真。即将源程序矗接送到v h d l 仿真器中仿真。功能仿真仅 对设计描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的 要求，由于此时的仿真只是根据v h d l 的语义进行的，与具体电路没有关系， 仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延迟特性。 设计的第三步是综合，将软件设计与硬件的可实现性挂钩，这是软件化为 硬件电路的关键步骤综合后，可生成v h d l 网表文件，利用网表文件进行综 合后仿真综合后仿真虽然比功能仿真精确一些，但是只能估计门延时，而不 能估计线延时，仿真结果与布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。 这种仿真的主要目的在于检查综合器的综合结果是否与设计输入一致。 综合通过后必须利用f p g a 布局，布线适配器将综合后的网表文件针对某一 具体的目标器件进行逻辑映射操作，这个过程叫做实现过程。 布局布线后应进行时序仿真时序仿真中应将布局布线后的时延文件反标 到设计中，使仿真既包含门时延，又包含线时延的信息。由于不同器件的内部 延时不一样，不同的布局布线方案也给时延造成不同的影响，因此在设计处理 完以后，对系统各个模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计设计的性能， 以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。与前面各种仿真相比，这种仿真包 含的时延信息最为全面、准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。 如果以上的所有过程，包括编译、综合、布线适配和功能仿真、综合后仿 真、时序仿真都没有发现问题，即满足原设计要求，就可以将适配器产生的配 置下载文件通过编程器或下载电缆载入目标新片中。 3 3 硬件描述语言v h d l 及数字系统设计方法 可编程逻辑器件和e d a 技术给今天的硬件系统设计者提供了强有力的工 具，使得数字系统的设计方法发生了质的变化。传统的采用原理图的设计方法 正逐步退出历史舞台，而基于硬件描述语言的设计方法正在成为数字系统设计 的主流同时数字系统的设计方法也由过去的那种由集成电路厂家提供通用芯 片，整机系统用户采用这些芯片组成电子系统的“b o t t o m u p ”( 自底向上) 没计方 法改变为一种新的t o p d o w n ( 自顶向下) 设计方法。 3 3 1 硬件描述语言v h d l 简介【1 2 】 硬件描述语言v h d l ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编 程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。与传统的门级描 述方式相比，它更适合于大规模集成电路系统的设计。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和 逻辑门级多个设计层次，支持结构，数据流、行为三种描述形式的混合描述， 因此v h d l 乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能。通常整个自顶向下或自底 向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可 编程逻辑芯片的应用设计。与其它的h d l 相比，v h d l 具有更强大的行为描述 能力，从而决定了它称为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述 能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要 保证。 v h d l 语言在硬件设计领域的作用将与c 和c + + 在软件设计领域的作用一 样，在大规模数字系统的设计中，它将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路图等 级别较低的繁琐的硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具，它将成为数字 系统设计领域中所有技术人员必须掌握的一种语言。v h d l 和可编程逻辑器件 的结合作为一种强有力的设计方式，将为设计者的产品上市带来创纪录的速度 3 3 2 利用硬件描述语言v h d 设计数字系统 利用v h d l 语言设计数字系统硬件电路，与传