一种扩频通信调制器实现FPGA自顶向下的设计与仿真研究

近年来，随着经济的高速增长，无线通信得到了飞速地发展。由于扩展频谱信号具有抗干扰、保密、抗侦破和抗衰落等特点，扩频通信在军事无线通信领域（如测控通信）中被广泛应用；随着技术的成熟及成本的降低，其在民用通信市场上具有更广大的发展前景。

本文首先介绍了FPGA的设计思想及流程，然后以一种扩频通信调制器为例，描述了如何实现自顶向下的设计：包括调制器的顶层设计、划分的下一层基本单元的设计等，并重点分析了基本单元之一的PN码产生器的设计实现及仿真验证过程。

FPGA设计方法简介

FPGA技术的飞速发展，对国内的电子设计工程师提出了严峻的挑战，以往传统的设计方法，如单纯的原理图输入方法，已很难满足目前的要求。设计人员必须采用高水准的设计工具，如硬件描述语言（Verilog HDL）或语言与原理图结合来进行设计。

1 FPGA的设计思想

FPGA的设计思想一般采用自顶向下（Top-down）的设计，自顶向下的设计是从系统级开始的，把系统化分为基本单元，然后再把每个单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用EDA元件库里的元件来实现为止。

2 FPGA的设计流程

FPGA器件的设计一般可分为设计输入、设计实现和编程三个设计步骤及相应的功能仿真、时序仿真和器件测试三个设计验证过程。

设计输入：设计输入有多种方式，目前最常用的有电路图和硬件描述语言两种。对于简单的设计，可采用原理图或ABEL语言设计。对于复杂的设计，可采用原理图或行为描述语言（如VHDL语言），或者两者混用，采用层次化设计方法，分模块、分层次的进行描述。软件在设计输入时，会检查语法错误，生成网表文件，供设计实现和设计校验用。

设计实现：设计实现是指从设计输入文件到位流文件的编译过程。在该过程中，编译软件自动地对设计文件进行综合、优化，并针对所选中的器件进行映射、布局、布线，产生相应的位流数据文件。

器件编程：器件编程就是将位流数据文件配置到相应的FPGA器件中。

设计校验：对应于设计输入、设计实现和器件编程的功能仿真、时序仿真、器件测试组成设计验证的三个部分。功能仿真验证设计的功能逻辑，在设计输入过程中，对部分功能或整个设计均可进行仿真。完成设计实现后进行时序仿真，针对器件的布局、布线方案进行时延仿真，分析定时关系。器件测试是在器件编程完成后进行，通过实验或借助于测试工具，测试器件最终功能和性能指标。

扩频调制器的FPGA设计

本文介绍的一种扩频调制器，常应用于测控通信领域。其信号形式是I、Q两路正交信道上分别传送扩频指令和测距码，采用UQPSK调制，I、Q两路的功率比为10:1，其信号的数学表达式如下：

式中：ω为载波频率； PT为信号总功率；c（t）为指令码；PNI为指令信道PN码；PNQ为测距信道PN码。PNI是码长为210-1＝1023的Gold码，短码；PNQ是码长为218-28＝261 888的18级截短码，长码；长短码长之比为256。要求两种码起始同步，即当长码发生器经过全“1”状态时，短码发生器也经过它的全“1”状态。

1 扩频调制器的顶层设计

扩频调制器的实现如图1所示。FPGA的顶层设计见图1的虚框部分，包括信息码产生器及寄存器、码钟及PN码产生器、载波产生器、0/π调制模块等基本单元。下面以PN码产生器为例介绍基本单元的设计。

图1 扩频调制器实现框图

2 基本单元的设计

PN码产生器包括两种：码长分别为1023位的码产生器及261 888位的截短码产生器，初步的设计如图2所示，PNMZ为码钟，产生RESET信号同时复位长、短码产生器。

图2 两路PN码的初步设计图

Gold码由两路小M序列异或组成，下面介绍210-1位码产生器的设计：

PN码的本原多项式为：

初相 A：0010011100 B：1001001000

210-1位PN码产生器的FPGA设计如图3所示。pnmz为码钟输入端；pnm_reset为PN码的复位端；pnm为码输出端；q1为码全“1”信号输出端。当复位脉冲信号来到后，移位寄存器在码钟推动下从设定的初值开始左移，左移移位寄存器的高位先出，产生小M序列。两路小M序列异或产生PN码。两路比较器产生的信号相与后输出全“1”信号。PN码产生器划分成的下一级基本单元，包括移位寄存器、比较器、与门、异或门，都可以直接用EDA元件库里的元件。

图3 210-1位PN码发生器的FPGA设计图

扩频调制器的FPGA仿真

工程上，FPGA的仿真类型可分为功能仿真和时序仿真（或称前仿真和后仿真）。功能仿真是未经布线和适配之前，使用原始设计综合之后的文件进行仿真。时序仿真，即将FPGA设计综合之后，再由FPGA适配器（完成芯片内自动布线等功能）映射于具体芯片后得到的文件进行仿真。

本文选用QuartusII3.0集成的仿真工具进行波形仿真。对设计的主要模块在通过综合之后，首先进行功能仿真，验证原始设计的正确性，验证设计结果的逻辑功能是否符合原始规定的逻辑功能。通过功能仿真之后，在设计中考虑器件延时后，再进行布局布线后的仿真，通过观察波形和数据，可验证是否能满足时序要求，是否能得到预期的值。

在设计过程中，作者针对主要的电路模块进行了仿真，包括：PN码产生器、信息注入电路、并/串转换电路等。下面介绍扩频调制器两路PN码产生器的仿真及设计改进过程。

1 PN码产生器的功能仿真

扩频调制器的两路PN码产生器，I路短码的初相是“10，1101，0100”，Q路长码的初相“00，0010，0000，1010，0100”（码初相指两路小M序列初相异或后的初值）。初始的设计见图3。对设计综合过后，进行功能仿真。仿真结果说明：两路PN码起始同步，PNI起始相位：10，1101，0100；PNQ起始相位：00，0010，0000，1010，0100。原始设计符合要求。仿真结果如图4所示。（PNMZ为码钟；RESET为复位信号；PNI、PNQ为I、Q两路PN码；QUANI、QIANQ为I、Q两路PN码全“1”信号。）

图4 两路PN码的功能仿真图

2 PN码产生器的时序仿真

通过功能仿真之后，对设计进行布局布线编译，然后进行时序仿真。发现可能会在PN码序列中产生毛刺信号，并通过多次仿真发现复位信号也可能产生毛刺信号，导致I、Q两路信号起始不同步，如图5所示。

图5 两路PN码的时序仿真图

对电路进行改进，将复位信号、PN码信号、全“1”信号上加上D触发器，用码钟打一次，消除电路毛刺。改进后的电路如图6所示。

图6 改进后的两路PN码设计图

再次进行时序仿真，发现毛刺消除，PN码产生正常，说明两路PN码电路设计正确，可以作为经验证的基本单元加入扩频调制器的FPGA设计。

图7 改进后的PN码时序仿真图

结束语

本文介绍了一种扩频通信调制器的FPGA设计实现方法，着重说明了PN码产生器的设计仿真过程，形象地阐述了FPGA自顶向下的设计思想及详尽的设计流程。FPGA在无线通信工程领域的应用已非常普遍，掌握一种好的设计方法对电子设计师们很重要，希望本文对读者有所帮助。