【正文】 此需要按照層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法來實(shí)施。這就允許多個(gè)設(shè)計(jì)者同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)硬件系統(tǒng)中的不同模塊，并為自己所設(shè)計(jì)的模塊負(fù)責(zé)；然后由上層設(shè)計(jì)師對(duì)下層模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證。 在工程 實(shí)踐中，還存在軟件編譯時(shí)長(zhǎng)的問題。這里面存在兩個(gè)問題：首先，軟件編譯一次需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)周的時(shí)間，這是開發(fā)所不能容忍的；其次，重新編譯和布局布線后結(jié)果差異很大，會(huì)將已滿足時(shí)序的電路破壞。 FPGA 廠商意識(shí)到這類需求，由此開發(fā)出了相應(yīng)的邏輯鎖定和增量設(shè)計(jì)的軟件工具。 Planahead 允許高層設(shè)計(jì)者為不同的模塊劃分相應(yīng) FPGA 芯片區(qū)域，并允許底層設(shè)計(jì)者在所給定的區(qū)域內(nèi)獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，等各個(gè)模塊都正確后，再進(jìn)行設(shè)計(jì)整合。 Planahead 將結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法、團(tuán)隊(duì)化合作設(shè)計(jì)方法以及重用繼承設(shè)計(jì)方法三者完美地結(jié)合在一起，有效地提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。在設(shè)計(jì)初期，他們不僅要評(píng)估每個(gè)子模塊所 消耗的資源，還需要給出相應(yīng)的時(shí)序關(guān)系；在設(shè)計(jì)后期，需要根據(jù)底層模塊的實(shí)現(xiàn)情況完成相應(yīng)的修訂。典型 FPGA 的開發(fā)流程包括功能定義 /器件選型、設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)、布線后仿真、板級(jí)仿真以及芯片編程與調(diào)試等主要步驟 : 1） 功能定義 /器件選型 在 FPGA 設(shè)計(jì)項(xiàng)目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對(duì)工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進(jìn)行 權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和合適的器件類型。 2） 設(shè)計(jì)輸入 設(shè)計(jì)輸入是將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并輸入給EDA 工具的過程。原理圖輸入方式是一種最直接的描述方式，在可編程芯片發(fā)展的早期應(yīng)用比較廣泛，它將所需的器件從元件庫中調(diào)出來，畫出原理圖。更主要的缺點(diǎn)是可移植性差，當(dāng)芯片升級(jí)后，所有的原理圖都需要作一定的改動(dòng)。普通 HDL 有 ABEL、 CUR 等，支持邏輯方程、真值表和狀態(tài)機(jī)等表達(dá)方式，主要用于簡(jiǎn)單的小型設(shè)計(jì)。這兩種語言都是美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)的標(biāo)準(zhǔn)，其共同的突出特點(diǎn)有：語言與芯片工藝無關(guān)，利于自頂向下設(shè)計(jì)，便于模塊的 劃分與移植，可移植性好，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率很高。也可以用 HDL 為主，原理圖為輔的混合設(shè)計(jì)方式，以發(fā)揮兩者的各自特色。仿真前，要先利用波形編輯器和 HDL等建立波形文件和測(cè)試向量 (即將所關(guān)心的輸入信號(hào)組合成序列 )，仿真結(jié)果將會(huì)生成報(bào)告文件和輸出信號(hào)波形，從中便可以觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的變化。常用的工具有 Model Tech 公司的 ModelSim、 Sysnopsys 公司的 VCS和 Cadence 公司的 NCVerilog 以及 NCVHDL 等軟件。綜合優(yōu)化根據(jù)目標(biāo)與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計(jì)平面化，供 FPGA 布局布線軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。真實(shí)具體的門級(jí) 電路需要利用 FPGA 制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標(biāo)準(zhǔn)門級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。由于門級(jí)結(jié)構(gòu)、 RTL 級(jí)的 HDL 程序的綜合是很成熟的技術(shù)，所有的綜合器都 可 以 支 持 到 這 一 級(jí) 別 的 綜 合 。 5) 綜合后仿真 綜合后仿真檢查綜合結(jié)果是否和原設(shè)計(jì)一致。但這一步驟不能估計(jì)線延時(shí)，因此和布線后的實(shí)際情況還有一定的差距，并不十分準(zhǔn)確。在功能仿真中介紹的軟件工具一般都支持綜合后仿真。布局將邏輯網(wǎng)表中的硬件原語和底層單元合理地配置到芯片內(nèi)部的固有硬件結(jié)構(gòu)上，并且往往需要在速度最優(yōu)和面積最優(yōu)之間作出選擇。目前， FPGA的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，特別是在有時(shí)序約束條件時(shí)，需要利用時(shí)序驅(qū)動(dòng)的引擎進(jìn)行布局布線。由于只有 FPGA 芯片生產(chǎn)商對(duì)芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。時(shí)序仿真包含的延遲信息最全，也最精確，能較好地反映芯片的實(shí)際工作情況。因此在布局布線后，通過對(duì)系統(tǒng)和各個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，分析其時(shí)序關(guān)系，估計(jì)系統(tǒng)性能，以及檢查和消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)是非常有必要的。 8) 板級(jí)仿真與驗(yàn)證 板級(jí)仿真主 要應(yīng)用于高速電路設(shè)計(jì)中，對(duì)高速系統(tǒng)的信號(hào)完整性、電磁干擾等特征進(jìn)行分析，一般都以第三方工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。芯片編程是指產(chǎn)生使用的數(shù)據(jù)文件 ( 位數(shù)據(jù)流文件， Bitstream Generation)，然后將編程數(shù)據(jù)下載到 FPGA 芯片中。邏輯分析儀 (Logic Analyzer， LA)是 FPGA 設(shè)計(jì)的主要調(diào)試工具，但需要引出大量的測(cè)試管腳，且 LA 價(jià)格昂貴。湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 CDMA 擴(kuò)頻通信 傳輸任何信息都需要一定的帶寬，稱為信息帶寬。為 了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬。如使用調(diào)幅信號(hào)傳輸，因?yàn)檎{(diào)制過程中將產(chǎn)生上下兩個(gè)邊帶，信號(hào)帶寬需要達(dá)到信息帶寬的兩倍，而在實(shí)際傳輸中，人們采用壓縮限幅技術(shù)，把廣播語音的帶寬限制在大約為24500Hz=9KHz 左右；采用邊帶壓縮技術(shù)，把普通電視信號(hào)包括語音信號(hào)一起限制在=8MHz 左右。擴(kuò)頻通信屬于寬帶通信技術(shù)，通常的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與信息帶寬之比將高達(dá)幾百甚至幾千倍。 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（ Spread Spectrum Communication），它的基本特點(diǎn)是其傳輸信息所用信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。換句話說，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率 C 一定時(shí)，信號(hào)帶寬 W和信噪比 S/N是可以互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。 2) 擴(kuò)頻增益和抗干擾容限 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息，這樣的系統(tǒng)帶來的好處是大大提 高了抗干擾容限。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 W與信息帶寬 之比稱湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 為處理增益 PG ，即： FWGP ?? 它表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。231。231。231。通常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息 (待傳輸信息 )的帶寬擴(kuò)展到 數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。在一個(gè)二進(jìn)制碼位的時(shí)段內(nèi)用一組新的多位長(zhǎng)的碼型予以置換，新 碼型的碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出原碼的帶寬，從而將信號(hào)的帶寬進(jìn)行了擴(kuò)展。通常，商用擴(kuò)頻系統(tǒng) PN 碼碼長(zhǎng)應(yīng)不低于 12 位，一般取 32位，軍用系統(tǒng)可達(dá)千位。當(dāng)選取上述任意一個(gè)序列后，如 M 序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，并劃分為若干組，各組分別代表不同用戶，組內(nèi)兩個(gè)碼型分別表示原始信息1和 0。 微波無線擴(kuò)頻通信的原理見圖 。一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。根據(jù)擴(kuò)展頻譜的方式不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴(kuò)頻（ DS）、跳頻（ FH）、跳時(shí)（ TH）、線性調(diào)頻以及以上幾種方法的組合。在收端，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)同樣的 PN 碼解調(diào)以后，信息碼被恢復(fù)；信息碼經(jīng)調(diào)制、擴(kuò)頻傳輸、解調(diào)然后恢復(fù)的過程，類似與 PN 碼進(jìn)行了二次 模二相加 的過程。 各種形式人為的干擾 (如電子對(duì)抗中 )或其他窄帶或?qū)拵?(擴(kuò)頻 )系統(tǒng)的干擾，只要波形、時(shí)間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號(hào)將被壓縮。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，遠(yuǎn)高于普通的微波通信（如通常所說的一點(diǎn)多址）的效果，完全能滿足目前國(guó)內(nèi) SCADA 系統(tǒng)對(duì)通信傳輸質(zhì)量的要求。根據(jù)擴(kuò)頻增益不同，甚至在負(fù)的信噪比條件下，也可以將信號(hào)從噪聲的淹沒中提取出來，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能 夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。為此，世界各地都設(shè)計(jì)了頻譜管理機(jī)構(gòu)，用戶只能使用申請(qǐng)獲得的頻率，依靠頻道劃分來防止信道之間發(fā)生干擾。 3) 抗多徑干擾 在無線通信中，抗 多徑干擾問題一直是難以解決的問題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性；在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。擴(kuò)頻通信容易采用碼分多址、語音壓縮等多項(xiàng)新技術(shù)，更加適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化的話音、圖像信息傳輸；擴(kuò)頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設(shè)備高度集成，安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，也十分小巧可靠，便于安裝， 便于擴(kuò)展，平均無故障率時(shí)間也很長(zhǎng)；另外，擴(kuò)頻設(shè)備一般采用積木式結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實(shí)施，利于擴(kuò)容，有效地保護(hù)前期投資。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。只有實(shí)現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作。同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于載頻同步來說，主要是針對(duì)相于解調(diào)的相位同步而言。因此，這里我們只重點(diǎn)討論 PN 碼碼元和序列的同步。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在許多事先無法估計(jì)的不確定因素，如收發(fā)時(shí)鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時(shí)刻不確定、信道傳輸時(shí)延及干擾等，尤其在移動(dòng)通信中，這些不確定因素湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 都有隨機(jī)性，不能 預(yù)先補(bǔ)償，只能通過同步系統(tǒng)消除。 PN 碼序列同步是擴(kuò)頻系統(tǒng)特有的，也是擴(kuò)頻技術(shù)中的難點(diǎn)。若實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。 CDMA 系統(tǒng)中的 PN碼同步過程分為 PN 碼捕獲（精同步）和 PN碼跟蹤（細(xì)同步）兩部分。 PN 碼跟蹤則自動(dòng)調(diào)整本地碼相位，進(jìn)一步縮小定時(shí)誤差，使之小于碼片間隔的幾分之一，達(dá)到本地碼與接收 PN 碼頻率和相位精確同步。 接收信號(hào)經(jīng)寬帶濾波器后，在乘地器中與本地 PN 碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。一旦捕獲到有用信號(hào)，啟 動(dòng)跟蹤器件，用以調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號(hào)保持精確同步。 同步過程包含捕獲和跟蹤兩個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整。在 CDMA 系統(tǒng)接收端，一般解擴(kuò)過程都在載波同步前進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測(cè)。2N個(gè)輸出中哪個(gè)輸出最大，該輸出對(duì)應(yīng)的相關(guān)處理解擴(kuò)器所用的擴(kuò)頻 PN序列相位狀態(tài)，就是發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)頻 PN 序列相位，從而完成擴(kuò)頻 PN 序列捕獲。 本設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)相關(guān)法，所以這里重點(diǎn)介紹 滑動(dòng)相關(guān)法 。接收信號(hào)與本地 PN碼相乘后積分，求出它們的互相關(guān)值，然后與門限檢測(cè)器的某一門限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號(hào)。一旦確認(rèn)捕獲完成，捕獲指示信號(hào)的同步脈沖控制搜索控制鐘，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN 碼重復(fù)頻率和相位，使之與收到的信號(hào)保持同步?；瑒?dòng)相關(guān)器簡(jiǎn)單，應(yīng)用 很 廣，缺點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè) PN 碼的時(shí)間差或相位差過大時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度 很 慢，導(dǎo)致搜索時(shí)間過長(zhǎng)，特別是對(duì)長(zhǎng) PN 碼的捕獲時(shí)間過長(zhǎng)，必須采取措施限定捕獲范圍，加快捕獲時(shí)間，改善其性能。至于短到什么程度，由滿足相關(guān)性要求限定。引導(dǎo)碼同步要求低、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，是適合各種應(yīng)用的同步方法。這類碼中最著名的是 JPL 碼。所謂跟蹤，是使本地碼的相位一直隨 接收到的偽隨機(jī)碼相位改變，與接收到的偽隨機(jī)碼保持較精確的同步。跟蹤是閉環(huán)運(yùn)行的，當(dāng)兩端相位出現(xiàn)差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小自動(dòng)調(diào)整，減小誤差，因此同步系統(tǒng)多采用鎖相技術(shù)。前者在確知發(fā)端信號(hào)載波頻率和相位的情況下工作，后者在不確知的情況下工作。常用的跟蹤環(huán)路有延遲鎖定環(huán)及 τ 抖動(dòng)環(huán)兩種，延遲鎖定環(huán)采用兩個(gè)獨(dú)立 的相關(guān)器， τ 抖動(dòng)環(huán)采用分時(shí)的單個(gè)相關(guān)器。其中所用的數(shù)字編碼序列是相關(guān)性很好的偽隨機(jī)碼。解擴(kuò)的時(shí)候，接收端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器和發(fā)送端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器的時(shí)間同步是至關(guān)重要的；同步系統(tǒng)的作用就是從收到的信息碼中提取同步信號(hào)，然后用這個(gè)同步的信號(hào)去調(diào)節(jié)接受端的偽碼發(fā)生器的相位，使之與發(fā)送端 的偽碼同步，才能正確地解擴(kuò)出原始信號(hào)。 第一部是搜索和捕獲偽隨機(jī)碼的初始相位，使之與發(fā)送端的碼相位誤差小于 1 切普（ chip），這就可保證解擴(kuò)后的信號(hào)通過相關(guān)器后面的窄帶濾波器，通常這一步稱為捕獲； 第二步是在同步捕獲的基礎(chǔ)上，使偽碼相位誤差進(jìn)一步減小，使所建立的同步保持下去，通常這一步成為跟蹤。 實(shí)驗(yàn)中為了簡(jiǎn)便起見，發(fā)送端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器和接收端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器使用同一個(gè)時(shí)鐘控制，這樣處理的結(jié)果就是發(fā)端的偽碼與收端的 偽碼的相位誤差肯定是整數(shù)個(gè)切普，所以在本同步系統(tǒng)中只要進(jìn)行同步的捕獲就可以了。它的基本原理是：當(dāng)接收端的偽碼與發(fā)送端的偽碼有相位誤差的時(shí)候，就把這個(gè)相位誤差轉(zhuǎn)換成一個(gè)控制信號(hào)，用它去控制接收端的偽碼發(fā)生器周期性地移動(dòng)一個(gè)相位增量，這個(gè)增量的大小一般是 1 切普。此時(shí)，就可以判斷初始同步完成。至于初始同步以后 的跟蹤，也是利用偽碼之間的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)的，常用的有延遲鎖定環(huán)和雙 Δ 值延遲鎖定環(huán)跟蹤方法。這里所介紹的系統(tǒng)中，為了能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，所以不僅僅包含接收端的滑動(dòng)同步的部分，還要包含發(fā)送端的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生部分，以及為了把 4路偽隨機(jī)碼合成 1路的相加器?？偲饋碚f，這個(gè)系統(tǒng)中主要包括偽隨機(jī)碼發(fā)生器、湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 相加器、相關(guān)檢測(cè) 器等 3 類相對(duì)獨(dú)立的單元。為了監(jiān)測(cè)收端和發(fā)端的偽碼是否同步，還要把收端的偽碼跟相應(yīng)的發(fā)端的偽碼通過一個(gè)異或門輸出，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)指示燈。在直接序列擴(kuò)頻序列的發(fā)端，偽隨機(jī)序列將信息序列的頻譜擴(kuò)展，在接收端，偽隨機(jī)序列將擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)為窄帶 信號(hào)，進(jìn)而完成信息的接收。用于擴(kuò)頻同步系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼常用的共兩種： m序列優(yōu)選對(duì)和 Gold碼序列。本項(xiàng)目中選用的是 127位偽隨機(jī)碼，由于只有 4 路信號(hào)，考慮到簡(jiǎn)便起見，選用的是 m序列優(yōu)選對(duì)。要產(chǎn)生 4 路不同的 127位的 m序列，需要選擇 4個(gè) 7階的特征多項(xiàng)式。 本系統(tǒng)中選用的是： [3， 7]、 [1， 2， 3， 7]、 [2， 3， 4， 7]、 [2， 4， 6， 7]