基于FPGA的無線通信收發(fā)模塊設(shè)計(jì)方案

1 前言

　　近年來，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的迅速發(fā)展，系統(tǒng)級(jí)芯片SOC的設(shè)計(jì)得以高速發(fā)展，這已成為業(yè)界熱點(diǎn)。但是，由于SOC產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)、高成本和高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，對(duì)市場(chǎng)的變化非常敏感，這使得SOC在消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程仍然緩慢。與此同時(shí)，當(dāng)今的制造工藝能夠提供更多更高速的邏輯、更快的1/O和更低價(jià)位的新一代可編程邏輯器件，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)己然進(jìn)入嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，高性能FPGA也不再局限于引進(jìn)系統(tǒng)粘合邏輯，也可作為SOC平臺(tái)，而在過去，由于性能緣故，只有專用集成電路（ASIC）或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)才能達(dá)到相應(yīng)的要求。不僅如此，由于FPGA的現(xiàn)場(chǎng)可編程特征，它己成為更具靈活性和廣泛性發(fā)展前景的工業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

　　FPGA可輕易地被修改變更、修復(fù)缺陷，或在用戶需要升級(jí)和配合市場(chǎng)發(fā)展時(shí)去創(chuàng)制未來的衍生產(chǎn)品。這一趨勢(shì)在工業(yè)無線通信設(shè)計(jì)方面更加明顯。當(dāng)考慮到上市時(shí)間、實(shí)施靈活性及未來過時(shí)等問題時(shí)，采用FPGA作為專用芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)最佳的項(xiàng)目實(shí)施方案。

　　基于摩爾斯信號(hào)的通信是人類最早的無線通信方式，它仍應(yīng)用在海事移動(dòng)通信、航空移動(dòng)通信、廣播、衛(wèi)星通信當(dāng)中。由于摩爾斯電碼信號(hào)通信的傳統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，它在海事移動(dòng)通信中仍占主導(dǎo)地位，特別是船與船、船與岸、岸與船之間的摩爾斯通信更是占據(jù)通信業(yè)務(wù)總量的80%以上。

　　基于PC機(jī)的MORSE電碼信號(hào)自動(dòng)處理己經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但在海事移動(dòng)通信中，它還是受到一些客觀條件的約束，缺泛方便性和靈活性。本文從基于FPGA平臺(tái)的專用芯片設(shè)計(jì)技術(shù)入手，分析和設(shè)計(jì)了一種摩爾斯電碼的無線通信發(fā)射模塊設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　2 可編程邏輯電路設(shè)計(jì)方法

　　基于可編程邏輯電路的設(shè)計(jì)基本方法，一種是傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方法，它是采用自下而上(bottom-up)的設(shè)計(jì)方法。另一種就是20世紀(jì)80年代開始興起的EDA(Electronic Design Automation)硬件電路設(shè)計(jì)方法。

　　隨著大規(guī)模專用集成電路的開發(fā)和研制，為了提高開發(fā)效率和增加己有開發(fā)成果的可繼承性，以及縮短開發(fā)時(shí)間，各種新興的EDA工具開始出現(xiàn)，特別是硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變革，新興的EDA設(shè)計(jì)方法采用了自上而下(top-down) 的設(shè)計(jì)方法。所謂自上而下的設(shè)計(jì)方法就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。利用語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)硬件電路的自上而下設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)層次：第一個(gè)層次為行為描述，它是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的描述；第二層次是寄存器傳輸描述RTL，又稱為數(shù)據(jù)流描述； 第三層是邏輯綜合。

　　利用邏輯綜合工具，可將RTL方式描述的程序轉(zhuǎn)換成為用基本邏輯元件表示的文件一門級(jí)網(wǎng)表，也可將綜合結(jié)果以邏輯原理圖方式輸出，也就是說邏輯綜合結(jié)果相當(dāng)于在人工設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)要求畫出了系統(tǒng)的邏輯電原理圖。再對(duì)邏輯綜合結(jié)果在門電路級(jí)上進(jìn)行仿真，并檢查定時(shí)關(guān)系，如果一切正常，那么系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基本結(jié)束。自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的過程如圖一所示。

圖一：自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的過程

　　由邏輯綜合工具產(chǎn)生門級(jí)網(wǎng)表后，在最終完成硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還可以有兩種選擇：一種是由自動(dòng)布線程序?qū)⒕W(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASIC芯片的制造工藝，定制ASIC芯片；第二種是將網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PLD編程碼點(diǎn)，利用PLD器件完成硬件電路的設(shè)計(jì)。

　　3 基于FPGA的摩爾斯碼功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摩爾斯電碼被視為一種開關(guān)鍵控的數(shù)據(jù)模式，摩爾斯電碼中的‘劃’比‘點(diǎn)’的時(shí)間長(zhǎng)3～4倍，不同的‘點(diǎn)’和‘劃’組合形成長(zhǎng)短不一的摩爾斯電碼，不同的摩爾斯電碼表示不同的電報(bào)符號(hào)。發(fā)信者先將所要傳遞的文字翻譯成電報(bào)符號(hào)，再利用電報(bào)機(jī)發(fā)送出去，收信者將收到的電報(bào)符號(hào)翻譯成報(bào)文，以此實(shí)現(xiàn)無線文字的傳播。目前通過微機(jī)模擬的方法實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼信號(hào)的自動(dòng)處理，使無線摩爾斯碼信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)的方案已得到解決，利用微機(jī)處理摩爾斯的方案是先通過軟件編程的方法將ASCLL碼進(jìn)行摩爾斯編碼，然后通過微機(jī)并口發(fā)送摩爾斯電碼信號(hào)，接收時(shí)，先通過聲頻卡來識(shí)別接收摩爾斯電碼信號(hào)，最后通過軟件解碼成ASCLL碼，此方法在成本相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中缺乏方便性和靈活性。

　　根據(jù)海洋通信業(yè)務(wù)的要求，MORSE碼處理系統(tǒng)功能定義為:其一、根據(jù)指令自動(dòng)編碼、串行發(fā)送MORSE碼。即根據(jù)指令可自動(dòng)提取ASCLL碼，再將ASCLL碼自動(dòng)編碼成摩爾斯編碼，將編好的MORSE碼自動(dòng)串行發(fā)送輸出。其二、根據(jù)指令自動(dòng)接收、解碼摩爾斯碼，并將ASCLL碼送入系統(tǒng)。即根據(jù)指令自動(dòng)接收摩爾斯碼輸入，將接收的摩爾斯碼自動(dòng)解碼成ASCLL碼。將ASCLL碼存儲(chǔ)至目標(biāo)地址或送入系統(tǒng)處理。

　　通過對(duì)摩爾斯碼特點(diǎn)的研究可知，在設(shè)計(jì)摩爾斯碼收發(fā)模塊中必須要有能接收和發(fā)送摩爾斯碼信息幀的串行異步通信模塊。首先，該串行通信模塊在指令的控制下，要具有摩爾斯碼的自動(dòng)發(fā)送能力，同時(shí)具有MORSE碼的識(shí)別接收能力，因?yàn)槟査勾a串行異步幀的起始位和停止位都不同于ASCLL碼串行異步幀，并且不同的摩爾斯碼串行幀長(zhǎng)度也不一樣。二是摩爾斯碼的解碼和編碼問題，因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)核是以ASCLL碼為信息交換碼的。