FPGA软件设计 - 多FPGA解决航天测控信号的捕获问题的方案

(3)FPGA：完成基带数字信号处理功能。经过对芯片面积、逻辑资源、I/O资源分析，将FPGA功能划分为：主FPGA负责跳扩信号的解跳、捕获流程控制、多片FPGA之间通信控制；副FPGA在主FPGA控制下完成跳扩信号并行捕获；所有1+N片FPGA同步工作，工作时钟锁相到主FPGA工作时钟。

(4)PROM：用于存储FPGA配置信息，捕获系统加电时完成对FPGA的加载。PROM1连接到主FPGA的SelectMAP模式配置引脚，PROM2连接到副FPGA的配置引脚[9]。

2.2 主FPGA软件设计

主FPGA完成捕获控制、多FPGA通信和解跳解扩功能。模块间信号流图如图2所示，由于篇幅所限未标明时钟clk和复位rst信号。模块命名和功能如下：

(1)AcqCtrl：捕获总控制

捕获启动和停止，捕获流程控制，多FPGA极大值之间比较大小。

(2)Dehop：并行解跳

采用M个乘法器，实现时延范围为(M-1)Th的并行解跳，将解跳结果送入解扩模块。

(3)Despread：快速解直扩

完成直扩码剥离，进行码相关时长为1个跳频时段的直扩码滑动相关，将滑动相关运算的结果以Nhop为一组送到输出接口。

(4)FPGACom：片间通信

单跳相关峰输出，副FPGA控制接口，相关运算数据交换接口。

2.3 副FPGA软件设计

副FPGA的任务是完成码片以内的时间精细搜索和相关运算，比较得到该FPGA负责的时段内的极大值和捕获结果并送给主FPGA。逻辑功能划分如图3所示。

副FPGA子模块功能分别为：

(1)ScanCtrl：时延搜索控制

当主FPGA发出搜索指令，开始搜索。每次相乘累加比较大小后，时延搜索单元前进一格，搜索完成后退出。

(2)Dem：相乘累加

此模块中包含相位映射模块、复数乘法器（Multiply）和累加模块。

相位映射模块根据精细时延值计算出相位，查正弦表后得到正弦和余弦值。与接收的复数信号进行复数相乘和Nhop次累加运算后得到时长为ThNhop的相干累积结果。

(3)Compare：比较大小

按Dem输出的值和使能信号进行逐个比较，保留极大值及其对应精确时延，比较结束后输出最大值(Rmax，τn)送往主FPGA。

2.4 FPGA间通信设计

如图4所示，主FPGA与副FPGA之间的引脚连接须完成副FPGA捕获控制解决信号交互问题。信号交互接口分为两类，一类是主FPGA输出，包含搜索控制和预处理数据，在主FPGA内合路同时送往各个副FPGA。另一类是各副FPGA输出，将捕获搜索得到的极大值和捕获结果并行输入主FPGA。

3 实现情况

3.1 时钟与芯片资源使用

时钟速率可达200 MHz。面积占用：主FPGA占用60%，副FPGA占用78%。I/O资源占用：主FPGA占用70%，副FPGA占用50%。

3.2 试验结果

在以FPGA为处理核心的基带板上进行了实物验证，试验环境包括安捷伦E4438C信号源2台、XX型卫星应答机射频通道、基于单片Xilinx Virtex3的基带板一副、基于多片Virtex4的基带板一副，以及电源、连接线若干。V3基带板完成发送中频跳扩测控信号的功能，信号源负责信号上变频和射频加噪，应答机射频通道用于下变频，V4基带板实现跳扩测控信号的解跳解扩和捕获功能。

4 结束语

多FPGA设计可用于快速信号处理、军事目标匹配等方面。在FPGA芯片来源受限时，多FPGA能解决航天测控信号的捕获问题，其中FPGA之间的通信设计和捕获算法的逻辑分割是FPGA设计的关键。