基于FPGA的無線通信收發模塊設計方案

1 前言

　　近年來，隨著半導體工藝技術和設計方法的迅速發展，系統級芯片SOC的設計得以高速發展，這已成為業界熱點。但是，由于SOC產品設計具有開發周期相對較長、高成本和高風險等特點，對市場的變化非常敏感，這使得SOC在消費電子、汽車電子、工業設計領域的發展進程仍然緩慢。與此同時，當今的制造工藝能夠提供更多更高速的邏輯、更快的1/O和更低價位的新一代可編程邏輯器件，現場可編程門陣列(FPGA)己然進入嵌入式應用領域，高性能FPGA也不再局限于引進系統粘合邏輯，也可作為SOC平臺，而在過去，由于性能緣故，只有專用集成電路（ASIC）或專用標準產品(ASSP)才能達到相應的要求。不僅如此，由于FPGA的現場可編程特征，它己成為更具靈活性和廣泛性發展前景的工業設計平臺。

　　FPGA可輕易地被修改變更、修復缺陷，或在用戶需要升級和配合市場發展時去創制未來的衍生產品。這一趨勢在工業無線通信設計方面更加明顯。當考慮到上市時間、實施靈活性及未來過時等問題時，采用FPGA作為專用芯片設計是一個最佳的項目實施方案。

　　基于摩爾斯信號的通信是人類最早的無線通信方式，它仍應用在海事移動通信、航空移動通信、廣播、衛星通信當中。由于摩爾斯電碼信號通信的傳統性、經濟性和有效性，它在海事移動通信中仍占主導地位，特別是船與船、船與岸、岸與船之間的摩爾斯通信更是占據通信業務總量的80%以上。

　　基于PC機的MORSE電碼信號自動處理己經實現，但在海事移動通信中，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平臺的專用芯片設計技術入手，分析和設計了一種摩爾斯電碼的無線通信發射模塊設計方案，并對設計進行了仿真驗證。

　　2 可編程邏輯電路設計方法

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

　　隨著大規模專用集成電路的開發和研制，為了提高開發效率和增加己有開發成果的可繼承性，以及縮短開發時間，各種新興的EDA工具開始出現，特別是硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的出現，使得傳統的硬件電路設計方法發生了巨大的變革，新興的EDA設計方法采用了自上而下(top-down) 的設計方法。所謂自上而下的設計方法就是從系統總體要求出發，自上而下地逐步將設計內容細化，最后完成系統硬件的整體設計。利用語言對系統硬件電路的自上而下設計一般分為三個層次：第一個層次為行為描述，它是對整個系統的數學模型的描述；第二層次是寄存器傳輸描述RTL，又稱為數據流描述； 第三層是邏輯綜合。

　　利用邏輯綜合工具，可將RTL方式描述的程序轉換成為用基本邏輯元件表示的文件一門級網表，也可將綜合結果以邏輯原理圖方式輸出，也就是說邏輯綜合結果相當于在人工設計硬件電路時，根據系統要求畫出了系統的邏輯電原理圖。再對邏輯綜合結果在門電路級上進行仿真，并檢查定時關系，如果一切正常，那么系統的硬件設計基本結束。自上而下設計系統硬件的過程如圖一所示。

圖一：自上而下設計系統硬件的過程

　　由邏輯綜合工具產生門級網表后，在最終完成硬件設計時，還可以有兩種選擇：一種是由自動布線程序將網表轉換成相應的ASIC芯片的制造工藝，定制ASIC芯片；第二種是將網表轉換成相應的PLD編程碼點，利用PLD器件完成硬件電路的設計。

3 基于FPGA的摩爾斯碼功能結構設計

　　摩爾斯電碼被視為一種開關鍵控的數據模式，摩爾斯電碼中的‘劃’比‘點’的時間長3～4倍，不同的‘點’和‘劃’組合形成長短不一的摩爾斯電碼，不同的摩爾斯電碼表示不同的電報符號。發信者先將所要傳遞的文字翻譯成電報符號，再利用電報機發送出去，收信者將收到的電報符號翻譯成報文，以此實現無線文字的傳播。目前通過微機模擬的方法實現摩爾斯碼信號的自動處理，使無線摩爾斯碼信號數據進入計算機信息網的方案已得到解決，利用微機處理摩爾斯的方案是先通過軟件編程的方法將ASCLL碼進行摩爾斯編碼，然后通過微機并口發送摩爾斯電碼信號，接收時，先通過聲頻卡來識別接收摩爾斯電碼信號，最后通過軟件解碼成ASCLL碼，此方法在成本相對較高，在實際應用中缺乏方便性和靈活性。

　　根據海洋通信業務的要求，MORSE碼處理系統功能定義為:其一、根據指令自動編碼、串行發送MORSE碼。即根據指令可自動提取ASCLL碼，再將ASCLL碼自動編碼成摩爾斯編碼，將編好的MORSE碼自動串行發送輸出。其二、根據指令自動接收、解碼摩爾斯碼，并將ASCLL碼送入系統。即根據指令自動接收摩爾斯碼輸入，將接收的摩爾斯碼自動解碼成ASCLL碼。將ASCLL碼存儲至目標地址或送入系統處理。

　　通過對摩爾斯碼特點的研究可知，在設計摩爾斯碼收發模塊中必須要有能接收和發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發送能力，同時具有MORSE碼的識別接收能力，因為摩爾斯碼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度也不一樣。二是摩爾斯碼的解碼和編碼問題，因為計算機內核是以ASCLL碼為信息交換碼的。

　　由此而來，只要設計出具有接收和發送MORSE碼串行信息幀功能，并且具有解碼和編碼摩爾斯碼功能的串行通信子模塊，并將其嵌入在系統總線上，則用計算機直接處理MORSE碼就成為可能。據此分析，可以得出摩爾斯碼收發模塊的設計要求，一方面能從串行接收端將摩爾斯碼解碼成并行的ASCLL碼，另一方面能將并行的ASCLL碼編碼成串行摩爾斯碼。由此，本文設計的基于FPGA的摩爾斯碼收發模塊內部組成框圖如圖二所示。

圖 二：基于FPGA的摩爾斯碼收發模塊內部組成框圖

　　該處理系統的主要功能模塊有：

• 　　核心控制模塊
• 　　總線控制模塊
• 　　可編程中斷處理模塊
• 　　可編程并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）
• 　　可編程串行接口單元（SIU）
• 　　可編程定時計數器0～3（Timer0~Timer3）
• 　　可編程摩爾斯碼異步收發模塊

　　中斷處理模塊有4個外中斷源（int0~int3）和6個內中斷源（TF0~TF3、T1/R1、mT1/mR1），SIU是系統的通用串行接口，它有4種工作模式，工作模式1～3是通用串行異步接收發送USART（Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmitter）工作方式。當SIU工作于工作模式1或3時，Timer1是其波特率發生器。

4 仿真與驗證

　　設計的驗證包括功能仿真、時序仿真和電路驗證。仿真驗證往往是借助第3方提供的EDA開發工具軟件包或專用仿真工具軟件來實現的。電路驗證還需要開發驗證平臺，對于系統級芯片驗證平臺的設計也是一項艱巨而不能回避的任務。

　　本文選用的是Altera公司的MaxPlusII作EDA開發工具，MaxPlusII編譯器支持功能仿真（前仿真）和時序仿真（后仿真）。完成源代碼（VHDL）設計輸入之后，若要進行功能仿真，則在MaxplusII/Compile下，通過選擇Processing菜單下的Functional SNF Extractor命令，打開功能仿真器網表文件（SNF）提取器，再進行編譯仿真；若要進行定時模擬（時序）仿真，則須在MaxPlusII/Compile下，選擇Processing菜單中的Timing SNF Extractor命令，打開定時模擬器網表文件提取器來進行編譯仿真。

　　電路驗證就是器件編程測試過程。對于常規的芯片設計，時序仿真結束后，仿真軟件就可以產生供器件編程使用的數據文件。對EPLD/CPLD來說，是產生熔絲圖文件，即JED文件，對于FPGA來說，是產生位流數據文件（Bitstream Generation），然后將編程數據下載到對應的具體可編程器件中去，然后對其進行實際環境的電路測試。

　　本文選擇CLK頻率為25MHZ，波特率為25M/16＝1562500bps。當發送字符‘7’，執行發送命令后，將啟動數據發送的進程，將字符‘7’的ASCLL碼值送入ASCLL碼發送緩存器，通過MaxPlusII的Simulator仿真器，進行時序仿真驗證，研究結果如圖三所示。從圖中可看出，串行信號端子輸出的“2長劃”，“3點”，經查表對應的就是摩爾斯數字‘7’，證明數據發送是正確的。另外當數據輸出結束后，立刻置高電平，即產生中斷信號mTI,字符‘7’的發送用時大約10us。

圖 三：仿真驗證數據

　　5? 創新點總結

　　本文的創新點在于提出了一種基于FPGA的無線通信收發模塊，并以當今海事通信中占重要地位的摩爾斯電碼為例，研究了摩爾斯電碼的數字化編碼方法，并通過大量的分析設計和實驗仿真，實現了基于FPGA處理摩爾斯電碼的收發模塊，仿真結果也驗證了本文所設計的摩爾斯電碼數字化編碼方法正確可行，工作運行可靠。