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安全光柵

用FPGA設(shè)計軟件無線電和調(diào)制解調(diào)器

發(fā)布日期：2022-04-27 點擊率：145

    本文以16-QAM RF發(fā)射數(shù)據(jù)泵的設(shè)計為例，介紹利用FPGA設(shè)計數(shù)字濾波器的技巧和器件選擇方法，說明執(zhí)行分布式計算時FPGA比DSP的優(yōu)越之處。 
所有數(shù)字邏輯的基本結(jié)構(gòu) 
16-QAM調(diào)制器 
編碼和碼元映射 
平方根升余弦濾波器 
設(shè)計技巧 
5 MHz載波 
分布式計算(DA)技術(shù) 
濾波器的實現(xiàn)
    用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計軟件無線電和調(diào)制解調(diào)器可與DSP芯片媲美。雖然FPGA可輕而易舉地實現(xiàn)卷積編碼器等復(fù)雜邏輯功能，但在實現(xiàn)大量復(fù)雜計算方面卻有很大的缺陷。即使用最快的FPGA來實現(xiàn)矩陣乘法器，其成本和性能也抵不上一個僅值5美元的DSP芯片。在用CAD工具設(shè)計時DSP仍是首選芯片，但是隨著分布式計算(DA)技術(shù)的應(yīng)用，F(xiàn)PGA再次受到設(shè)計師的喜愛。
    FPGA的特性之一是結(jié)構(gòu)靈活。事實上無線和調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)通道的功能模塊很容易映射到獨立和并行的硬件節(jié)點上。采用一個只能分時運行的數(shù)字信號處理器時，調(diào)度多個時間要求緊迫的任務(wù)需要非常復(fù)雜的編程，而采用FPGA就避免了這一問題。
    我們將在設(shè)計16-QAM射頻發(fā)射數(shù)據(jù)泵的同時介紹FPGA特性，并詳細(xì)描述如何方便地把數(shù)據(jù)通道功能模塊轉(zhuǎn)換為XILINX 4000系列FPGA的邏輯電路，從而準(zhǔn)確地估計所需邏輯電路的數(shù)量。雖然滿足相同系統(tǒng)需求及使用同一類型FPGA的16-QAM數(shù)據(jù)泵的設(shè)計曾在公開文獻(xiàn)中發(fā)表過，但報道中的邏輯電路數(shù)量似乎比實際需要多得多。為了急于投放市場，產(chǎn)品很可能不用CAD工具進(jìn)行設(shè)計。完全依賴CAD工具也未必總能得出最優(yōu)的方案，還要付出大量辛勤的汗水、經(jīng)驗和創(chuàng)造性工作。
所有數(shù)字邏輯的基本結(jié)構(gòu)
    只要有足夠的與非門及或非門等通用邏輯門即可構(gòu)建任何數(shù)字邏輯。FPGA具有充足的邏輯門。Xilinx 4000系列的邏輯門采用真值表的形式，或者采用更為通用的16 字 x 1比特查找表(LUT)的形式，它可實現(xiàn)四個輸入變量(查找表的地址線)的任意布爾函數(shù)功能。由于產(chǎn)生的函數(shù)功能通常相當(dāng)于多個與非門的組合，所以LUT被視為基本的邏輯單元。Xilinx 4000系列可配置邏輯模塊(CLB)包括兩個16字的LUT，可組合產(chǎn)生五輸入變量的任意布爾函數(shù)。此外LUT還可設(shè)置成兩個16 x 1 RAM或一個32 x 1 RAM。
    CLB成二維方陣排列，CLB及它們之間的互連可以分別配置。最小的XC4002包含一個8 x 8的CLB矩陣，最大的XC4085XL則包含一個48 x 48的CLB矩陣。每個LUT連接一個高達(dá)100 MHz的觸發(fā)器。
16-QAM調(diào)制器
    16-QAM調(diào)制器包括RF發(fā)射數(shù)據(jù)泵的關(guān)鍵功能模塊(見圖1)。20-Mbps串行數(shù)據(jù)分為4比特碼元組(SYMBOL)后，以每秒5兆碼元的速率并行送至一個差分編碼器和碼元映射器(symbol mapper)。該映射器產(chǎn)生3比特的正交分量對。然后這些分量對由一對平方根升余弦濾波器進(jìn)行脈沖整形，經(jīng)過插值達(dá)到每秒20兆碼元，再由5MHZ載波進(jìn)行調(diào)制，將各輸出相加后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。設(shè)計的關(guān)鍵是采用一對插值脈沖整形濾波器。 

為了有效地實現(xiàn)這種設(shè)計方法，有必要在確定邏輯門的總數(shù)時，將編碼和映射功能模塊以及一個5MHz調(diào)制器也考慮進(jìn)去。
編碼和碼元映射
    在確定編碼器和信號映射器的邏輯數(shù)目時，我們可以借鑒過去標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計。如V.32中的編碼器包括一個提供180度雙相保護(hù)的差分編碼器和一個能加入冗余以減小接收器的位誤差率(BER)的卷積編碼器。編碼器和映射器都是有限狀態(tài)機實現(xiàn)的，所有狀態(tài)由五個寄存器(2.5個 CLB)實現(xiàn)，連接邏輯由八個二輸入異或門(4個CLB)及三個二輸入與門(1.5 CLB)構(gòu)成。在這個16-QAM發(fā)送器中，一個串并轉(zhuǎn)換寄存器(2個CLB)捕獲到四個20-Mbps的串行比特后形成一個4比特碼元，這樣編碼器就可以處理降低到每秒5兆碼元的數(shù)據(jù)流，而這種速率CLB很容易處理。數(shù)據(jù)通道控制需要沿著數(shù)據(jù)通道的寄存器進(jìn)行時鐘控制，所需CLB的數(shù)量少于15個。接著，一個經(jīng)編碼的5比特輸出碼元對應(yīng)映射器的地址線，很簡單，該映射器是一對3比特輸出的LUT。
    這些輸出作為正交分量(I和Q) 映射一個二維平面(星座)內(nèi)的碼元位置。64個交叉點(星)中僅有16個代表有效的碼元位置。映射器的大小為32字 x 3比特 x 2 即6個CLB。這些功能模塊的CLB總數(shù)是31個。
平方根升余弦濾波器
    平方根升余弦濾波器是在傳輸通道的有限帶寬內(nèi)抑制碼元相互干擾的一種可行方法。頻譜由發(fā)射器和接收器單元分別調(diào)制，形成了平方根升余弦濾波器。濾波器形狀及其系數(shù)用QEDesign 1000軟件輔助開發(fā)。圖2為12比特定點計算的32抽頭有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的響應(yīng)圖。我們將采用一個12比特濾波器模型并確定其邏輯門數(shù)(采用12比特量化的方式，QEDesign程序僅需28個對稱系數(shù),但是這種設(shè)計方案將使用一個完全32抽頭對稱FIR濾波器)。 

設(shè)計技巧
    平方根升余弦濾波器用于I、Q兩個通道上的頻譜形成。當(dāng)以每秒5兆采樣速率產(chǎn)生I、Q采樣點時，濾波器為調(diào)制器產(chǎn)生每秒20兆的采樣數(shù)據(jù)。這樣，濾波器充當(dāng)了一個1:4的插值器。相應(yīng)的計算量(采用對稱系數(shù))為2通道 x 16階對稱抽頭x每秒20兆采樣點 = 每秒640兆乘法-累加運算。這一速度大大超過大多數(shù)定點DSP芯片的運行速度。現(xiàn)在FPGA已成為一種很有吸引力的選擇，但是，還要挑選一種濾波器形式使之能最有效地映射到基于CLB的設(shè)計。
    現(xiàn)在有多種邏輯電路的配置或形式可實現(xiàn)FIR濾波器。最主要的有直接形式(即一種常用的軟件模型)、帶變量的轉(zhuǎn)置形式(已由專用濾波器芯片實現(xiàn))以及多相濾波器(適用于多速率應(yīng)用)。但這些形式都不能采用對稱系數(shù)的方法來減少乘法計算量。設(shè)計多速率濾波器的一個技巧是在采樣點-系數(shù)平面標(biāo)出信號流軌跡。
    縱軸表示采樣點，水平軸表示系數(shù)，畫出的數(shù)據(jù)軌跡顯示了90度翻轉(zhuǎn)后濾波器的響應(yīng)圖。因為系數(shù)對稱，只需列出一半濾波器系數(shù)。插入系數(shù)為K，即在輸入采樣點間填入K-1個零點，從而得到32抽頭FIR的V形軌跡。雖然輸入數(shù)據(jù)采樣點間隔為200 ns，但新的軌跡點必須每隔50ns一點。
    由該圖可以得出兩種計算模型。第一種是轉(zhuǎn)置形式的變形，其中非零輸入采樣值與所有32個系數(shù)的乘積在部分和寄存器中相加。32個乘積相加后并且濾波器的完全響應(yīng)輸出后，乘法-累加器電路可用于計算新軌跡。在此，每隔200ns進(jìn)行32次MAC運算。第二種模型是延遲相加，即FIR濾波器的直接形式。正如在濾波器軌跡中所看到的，需要八個存儲的采樣值計算一個濾波響應(yīng)。通過計算五個連續(xù)濾波器響應(yīng)我們可觀察到表1給出的模型。
    由同樣的八個采樣點輸入組可計算出四個連續(xù)的20MHZ響應(yīng)。只使用了兩組濾波器系數(shù)。濾波器系數(shù)與每個采樣數(shù)據(jù)組的第三和第四個響應(yīng)( y d和y e )順序相反。這些響應(yīng)方程能映射到有效的FPGA電路中嗎？當(dāng)然能！關(guān)鍵就是應(yīng)用分布式計算技術(shù)，所有現(xiàn)行的設(shè)計工具都不具備這種算法。實現(xiàn)響應(yīng)方程組以前，可先作一下簡化。
5 MHz載波
    載波調(diào)制的簡單方程為：Y(k) = yI(k)cos(wC*t) + yQ(k)sin(wC*t)，其中wC為載波頻率= 2p(5 MHz), I和Q表示同相和正交的碼元分量。
    此方程每50 ns執(zhí)行一次。一個碼元周期內(nèi)(200 ns)僅有四個載波值。這些值可以方便地定義為：cos(wC*t) = 1, 0, -1, 0和sin(wC*t)= 0, 1, 0, -1 ，1。
    調(diào)制輸出既不需要任何乘法或加法，也不需要每隔50ns計算一次I、Q濾波器響應(yīng)。50 ns計算一個I響應(yīng)接著在下一個50 ns計算一個Q響應(yīng)，然后再計算I響應(yīng)、Q響應(yīng)，周而復(fù)始。
分布式計算(DA)技術(shù)
    DA是專門針對乘積和方程的一種計算技術(shù)，方程中的一項乘積因子是常數(shù)。DA設(shè)計可實現(xiàn)門級高效率、串行位算法及高性能位并行運算，它是經(jīng)典的串/并綜合方案。DA技術(shù)可應(yīng)用于很多重要的線性、時不變數(shù)字信號處理算法，如濾波器(FIR和IIR)、變換(快速傅立葉變換[FFT])及矩陣向量乘積，如8 x 8離散余弦變換(DCT)。
    二十多年前就有了DA技術(shù)，已經(jīng)證實它不適于可編程DSP的定點指令集結(jié)構(gòu)。然而，DA非常適于FPGA實現(xiàn)，尤其是如Xilinx CLB的LUT邏輯模塊。用Xilinx XC3000系列的FPGA設(shè)計DA FIR濾波器早在1992年就已提出。
    DA電路中沒有獨立的乘法器。乘法是由LUT完成的。DA預(yù)存一個方程式中所有部分乘積項的和，并且根據(jù)所有輸入變量位查表(此處為DALUT)運算。串行DA電路有一個獨立的DALUT，它從最低的有效位開始查表。部分乘積的輸出和存儲在累加器中，這種方法讓我們想起了早期計算機中的移位相加子程序，連續(xù)的DALUT輸出累加到部分乘積的二進(jìn)制下移累加和中。這樣可得到一個真正的雙精度結(jié)果。
濾波器的實現(xiàn)
    平方根升余弦濾波器的數(shù)據(jù)通道由已可轉(zhuǎn)換為CLB的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊定義。每隔200ns將映射器輸出的3比特I、Q信號傳至并串轉(zhuǎn)換移位寄存器(PSR)。RAM移位寄存器(SR)鏈中存儲了七個先前的碼元。前三個濾波器響應(yīng)Y b , Y c , Y d與移位寄存器中的循環(huán)數(shù)據(jù)一起運算。PSR還需要一個反饋通道，但RAM SR在只讀時循環(huán)受到模塊尋址

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