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短波扩频通信系统中数字相关器的FPGA设计与实现

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:基于FPGA设计的数字相关器,对前端模数/转换器在384kbps采样率下采得的数据进行希尔波特变换,再与本地序列做相关运算,最后将相关结果送给DSP,供DSP做进一步的处理。介绍了所选用的Stratix芯片,阐述了FPGA内部子模块的功能和设计实现方法,对所设计的FPGA数字相关器进行了仿真和校验,结果达到了设计要求。
  关键词:数字相关器FPGA希尔波特变换Stratix
  
  采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗、提高了可靠性,同时还可以很方便地对设计进行在线修改。电路设计者可以通过软件编程,经过设计输入、仿真、测试和校验,用硬件实现特定的数字信号处理算法。这种方法由于具有通用性强的特点并可以实现算法的并行运算,因此无论是作为独立的数字信号处理器,还是作为DSP芯片的协处理器,目前都是比较活跃的研究领域。
  
  短波通信具有设备简单、通信距离远、机动灵活、价格低廉和抗毁性强的特点,有着重要的应用价值。在短波通信系统中,接收方在信号检测、同步的过程中,要进行大量的乘加操作来做相关运算。在传输速率较高、样点间隔较小的情况下,完全由系统中央DSP处理器进行运算,很难实现实时处理。利用FPGA的特点,把信号同步数字相关部分分离出来,设计一个专用的数字相关器,作为中央DSP处理器的协处理器,来分担这部分工作,是一个很好的解决方案。本文阐述的就是这样一个应用在短波扩频通信系统的接收方中,完成数字相关功能的基于FPGA设计的相关器。
  
  1Stratix系列芯片简介
  
  本文采用Stratix系列芯片实现数字相关器。Stratix系列是著名的可编程逻辑器件供应商Altera公司于2002年新推出的FPGA产品。其主要特点是:采用1.5V内核,0.13μm全铜工艺,容量为10570~114140个逻辑单元,内嵌多达10Mbit的三种RAM块,即512bit容量的小型RAM,4KB容量的标准RAM,512KB的大容量RAM;具有True-LVDS(tm)电路,支持LVDS、LVPECL、PCML和HyperTranport(tm)差分I/O电气标准,且有高速通信接口;增加了片内终端匹配电阻,提高了信号完整性,简化了PCB布线;提供了完整的时钟管理方案,具有层次化的结构和多达12个锁相环(PLL)。
  
  该系列芯片的最大特色是内嵌硬件乘法器和乘加结构的可编程DSP模块,特别适于实现高速信号处理。这种DSP模块是高性能的嵌入算术单元,它的运行速度可以达到250MHz,每个DSP模块的数据吞吐性能可以高达2.0GMACS。它可以配置为硬件乘法器、加减法器、累加器和流水线寄存器,如表1所示。
  
  表1单个DSP单元的设置模式
  
  模式9bitx9bit18bitx18bit36bitx36bit单个乘法器8个4个1个相乘累加器2个(结果为52bit)2个(结果52bit)——2个乘积求和4个2个——4个乘积求和2个1个——
  Stratix系列具有多达28个DSP模块,可配置为224个(9bit×9bit)嵌入乘法器,可以为大数据吞吐量的应用提供灵活、高效和有价值的方案。这些DSP模块可以实现多种典型的DSP功能,如有限冲击响应(FIR)滤波、快速傅立叶变换(FFT)功能、相关器和加密/解密功能等。
  
  Stratix系列由Altera公司提供的新一代开发软件QuartusII支持。此软件加强了网络功能,设计人员可以直接通过Internet获得Altera的技术支持。QuartusII软件中的MegawizardPlus_InManager工具可以很方便地对一些常用的基本模块进行定制,以满足不同的需要;设计人员还可以在定制后的基础上,进行进一步的改进,扩展出更多的功能。
  
  2FPGA模块设计
  
  数字相关器在短波扩频通信系统中的具体功能是:接收A/D采样后的采样信号,对采样信号进行希尔波特变换,得到与其正交的另一路信号;然后以这两路信号分别作为实部和虚部,与本地序列进行相关运算,将相关值的实部和虚部送给DSP做后续处理,如图1所示。只有包含有正确同步头信息的信号经采样后与本地序列作相关运算,得到的相关值的模值才会出现峰值;对应于发端特定的同步头帧结构,相关后的相关峰也会出现规律性的特征。这样,DSP才可以通过先对相关值求模,然后对模值出现的峰值的间隔、幅值和数目等信息进行判断和进一步处理,来确定是否捕捉到信号。下面具体介绍完成上述数字相关功能的FPGA的设计。FPGA设计的内部结构框图如图2所示。
  
  2.1希尔波特变换部分

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