短波扩频通信系统中数字相关器的FPGA设计与实现

有运行时序，所以为了保证各模块依次先后运作，并得出正确的结果，就需要一个指挥控制模块对各模块进行准确的控制。这里采用两个工作在８０ＭＨｚ和４０ＭＨｚ时钟下的主从计数器对相关部分和希尔波特变换部分各模块进行控制。在一个样点间隔内，根据计数器不同的计数值，利用不同的组合逻辑电路产生各个模块的使能、清零等信号，保证各模块在正确的时序下运行。为了提高ＦＰＧＡ处理的效率，希尔波特变换部分和相关部分实际上是并行工作的。在同一个样点间隔时间内，希尔波特变换部分处理的是当前输入的样点数据，而相关部分是在处理上一个样点间隔内希尔波特变换部分输出的结果。这两部分之间之所以能够进行相互协调和并行运行，就是由于有来自总体控制模块的各种控制信息。
　　
　　２．３．２接口部分
　　
　　ＦＰＧＡ有两个接口，一个与Ａ／Ｄ接口，另一个与ＤＳＰ接口。在与Ａ／Ｄ的接口部分中，有三个输入端ｄａｔａ＿ｉｎ、ＦＳ和ＳＬＣＫ，ｄａｔａ＿ｉｎ用来串行输入Ａ／Ｄ转换来的样点值；ＦＳ为帧同步信号，它在输入到ＦＰＧＡ后用来驱动ＦＰＧＡ内部的总体控制模块；ＳＣＬＫ为移位时钟，它控制Ａ／Ｄ与ＦＰＧＡ之间数据串行传输的移位。在与ＤＳＰ的接口部分中，ｄａｔａ＿ｏｕｔ[１５．．０]用来输出ＦＰＧＡ运算的结果，与ＤＳＰ的数据总线挂接在一起，在ＦＰＧＡ内部设置一个三态门，开门信号就是ＦＰＧＡ的片选信号ＣＥ。当ＣＥ不选通的时候，三态门输出为高阻状态，不会影响ＤＳＰ的数据总线。在每一个样点间隔的时间内，ＦＰＧＡ运算出相关值的实部和虚部，将它们分别锁存在四个１６ｂｉｔ锁存器中，并将与ＤＳＰ相连的ｄａｔａ＿ｒｅａｄｙ信号置高电平，表示数据已经准备好。ＤＳＰ检测到ｄａｔａ＿ｒｅａｄｙ为高后会进行读操作，用地址总线的高几位产生出片选信号将ＦＰＧＡ选通，通过地址总线的低两位Ａ０、Ａ１来选择四个锁存器的其中一个，依次读取实部和虚部两个３２位数的高１６位和低１６位。ＦＰＧＡ内部会对ＤＳＰ的读操作计数，确认数据分四次读出后，则将ｄａｔａ＿ｒｅａｄｙ置低，直到下一次运算完毕后再抬高。
　　
　　３仿真和校验
　　
　　各子模块设计好后，可以用图形方式或文本方式将各个模块连接起来，对顶层设计进行编译。这里选用的是Ｓｔｒａｔｉｘ系列中容量最小的一种：ＥＰ１Ｓ１０Ｆ７８０Ｃ７，编译后产生的编译报告如图５所示。
　　
　　无论是片内逻辑单元、片内ＲＡＭ还是ＤＳＰ嵌入块，所选的ＥＰ１Ｓ１０Ｆ７８０Ｃ７芯片都还有相当一部分余量。但是，如果是选用其它系列的芯片，没有嵌入式的ＤＳＰ模块，最后其所占用的片内逻辑单元会远不止这么多。
　　
　　编译完成后即可进行仿真和校验，这部分可分为三个过程。对于同一块数据，先在Ｑｕａｒｔｕｓ下进行仿真，产生出一系列相关值。然后在ＭＡＴＬＡＢ环境下利用其绘图方便的特性，完全按照ＦＰＧＡ中各模块处理数据的方法，编一段程序对数据进行处理，并画出处理结果的图形，如图６所示。理论上其处理结果应和Ｑｕａｒｔｕｓ的仿真结果完全一样，实际比较得出两者确实完全一样。最后在ＭＡＴＬＡＢ中从理论上运用纯软件的方法编一段程序，对数据进行处理，并画出处理后的相关峰图，如图７所示。
　　
　　可以比较出这两种图形所显示的相关峰的幅度与相对位置都基本一致。这就说明用ＦＰＧＡ对数据进行处理的结果和理论方法的处理结果是吻合的，这也就验证了ＦＰＡＧ设计的正确性。由于ＦＰＧＡ所进行的只是初相关，所以图７显示的相关峰幅度不大，数据送到ＤＳＰ后要进行二次相关等处理，然后用于信号的捕获和同步。
　　
　　本文阐述了短波扩频通信系统中用于信号同步捕获的数字相关器的ＦＰＧＡ实现，并对所选的Ｓｔｒａｔｉｘ系列器件进行了介绍。在３８４ｋｂｐｓ的采样速率下，由外部提供４０ＭＨｚ的时钟，此相关器工作性能稳定，运算结果正确，能很好地配合ＤＳＰ工作，完成对样点数据的希尔波特变换和相关处理。 《短波扩频通信系统中数字相关器的FPGA设计与实现(第3页)》