基于FPGA的多通道校準(zhǔn)算法的同步實現(xiàn)

　　數(shù)字信號處理模塊是接收機系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)要求數(shù)字信號處理模塊能實時處理ADC變換后的數(shù)字信號，并用軟件的方法來實現(xiàn)大量的無線電功能，這些功能包括：多通道校準(zhǔn)、編解碼、調(diào)制解調(diào)、濾波、同步、盲均衡、檢測、數(shù)據(jù)加密、傳輸加密糾錯、跳擴頻及解擴和解跳、通信環(huán)境評估、信道選擇等，而單個DSP根本無法完成這些功能。目前可用的一些高速DSP的性能最快的也不超過5GIPS ，與實際需求相差巨大。這種處理資源的匱乏，被稱之為DSP 瓶頸[1]，因此我們在本系統(tǒng)中主要采用Xilinx的FPGA芯片實現(xiàn)后端數(shù)字信號處理。

　　時鐘同步

　　FPGA硬件設(shè)計中，時鐘是整個設(shè)計最重要、最特殊的信號，異步信號輸入總是無法滿足數(shù)據(jù)的建立保持時間，所以需要把所有異步輸入都先進行同步化。時鐘同步的重要性如下：

　　● 系統(tǒng)內(nèi)大部分器件的動作都是在時鐘的跳變沿上進行，這就要求時鐘信號時延差要非常小，否則就可能造成時序邏輯狀態(tài)出錯;

　　● 時鐘信號通常是系統(tǒng)中頻率最高的信號;

　　● 時鐘信號通常是負載最重的信號，所以要合理分配負載。出于這樣的考慮在FPGA這類可編程器件內(nèi)部一般都設(shè)有數(shù)量不等的專門用于系統(tǒng)時鐘驅(qū)動的全局時鐘網(wǎng)絡(luò)。

　　對于一個設(shè)計項目來說，全局時鐘(或同步時鐘)是最簡單和最可預(yù)測的時鐘。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計項目中采用全局時鐘。FPGA都具有專門的全局時鐘引腳，它直接連到器件中的每一個寄存器。這種全局時鐘提供器件中最短的時鐘到輸出的延時。

　　但在許多應(yīng)用中會出現(xiàn)兩個或兩個以上非同源時鐘，系統(tǒng)設(shè)計將面臨復(fù)雜的時間問題，數(shù)據(jù)的建立和保持時間很難得到保證。對于需要多時鐘的時序電路，最好將所有非同源時鐘同步化，即選用一個頻率是它們的時鐘頻率公倍數(shù)的高頻主時鐘。各個功能模塊要使用統(tǒng)一的復(fù)位電路。在使用帶時鐘的觸發(fā)器、計數(shù)器等有復(fù)位端的庫器件時，一般應(yīng)盡量使用有同步復(fù)位的器件。注意復(fù)位時應(yīng)保證各個器件都能復(fù)位，以避免某些寄存器的初始狀態(tài)不確定而引起系統(tǒng)工作不可靠。

　　基于以上分析，在本設(shè)計中，將64M的高頻時鐘作為系統(tǒng)時鐘，輸入到所有觸發(fā)器的時鐘端。時鐘使能信號Clk_en將控制所有觸發(fā)器的使能端。即原來接8M時鐘的觸發(fā)器，接64M時鐘，同時Clk_en將控制該觸發(fā)器使能;原接64M時鐘的觸發(fā)器， 還接64M時鐘，Clk_en也將控制該觸發(fā)器使能。這樣，就可以將任何非同源時鐘同步化。

　　多通道校準(zhǔn)同步算法

　　下面以M元陣為例來說明多通道校準(zhǔn)過程。接收機開機時，先將選擇開關(guān)S切換到位置2(見圖1)，進入校準(zhǔn)狀態(tài)。注入信號s(t)經(jīng)功分器進入各陣元通道，陣元通道輸出為基帶數(shù)字信號xm(t)。將第一條通道作為參考通道，第一條通道的輸出延時τ后作為參考信號，與其他陣元通道的輸出一起送入相應(yīng)的自適應(yīng)校正濾波器。自適應(yīng)校正濾波器將會對陣元通道的傳輸特性進行補償，使各個陣元通道的傳輸特性趨近參考通道。這里采用LMS自適應(yīng)算法，待自適應(yīng)算法收斂后，穩(wěn)態(tài)權(quán)矢量將作為自適應(yīng)校正濾波器的系數(shù)固定下來，至此陣元通道的校正結(jié)束。最后，將選擇開關(guān)S切換到位置1就可進入正常通信狀態(tài)。

　　按圖1所示的模型可知，用L階橫向FIR濾波器模擬通道響應(yīng)，通過在濾波器的系數(shù)上加上小的幅度擾動δ和相位擾動Φ來模擬通道間的失配，這樣可得第m個待校準(zhǔn)通道模擬濾波器的傳輸函數(shù)為：

　　設(shè)注入的信號是s(t)，href(t)和hm(t)分別為參考通道和待校準(zhǔn)的第m條通道的沖激響應(yīng)，hmc(t)為第m條通道的校準(zhǔn)濾波器的沖激響應(yīng)，那么參考通道的輸出(暫不考慮延時τ)、第m條待校準(zhǔn)通道校準(zhǔn)前的輸出和校準(zhǔn)后的輸出分別為：

　　自適應(yīng)濾波器采用MMSE準(zhǔn)則，其中，準(zhǔn)則選擇是否合理決定了天線陣暫態(tài)響應(yīng)的速度和實現(xiàn)電路的復(fù)雜度。可以證明，這個準(zhǔn)則的結(jié)果可以分解為一個相同的線性矩陣濾波器和一個不同的標(biāo)量處理器的積，且都收斂于最優(yōu)維納解。因此，當(dāng)自適應(yīng)濾波器收斂到穩(wěn)態(tài)即最優(yōu)解后，最佳權(quán)值應(yīng)該為：

　　由，可得：

　　從而通道特性得到了校準(zhǔn)。

　　本文中的多通道校準(zhǔn)算法是在FPGA中實現(xiàn)的，選擇FPGA而不選擇DSP器件的原因是FPGA的引腳眾多且可以定制，這樣就可以在相對較低的工作頻率下做到很高的數(shù)據(jù)吞吐率，而這是DSP難以做到的。

　　FPGA實現(xiàn)

　　在本設(shè)計中應(yīng)該綜合考慮各方面因素，選擇一種最佳模塊結(jié)構(gòu)和模塊規(guī)模。本設(shè)計中的結(jié)構(gòu)化層次是由一個頂層模塊和若干個子模塊組成，每個子模塊根據(jù)需要再包含自己的子模塊，以此類推，共5層，如圖2所示。

　　本設(shè)計中，整個通道失配校準(zhǔn)模塊共需要90個乘法器。這些乘法器如果采用FPGA的邏輯資源直接構(gòu)建，不僅難以保證理想的運算速度，而且硬件開銷非常巨大。而FPGA芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了18×18位的硬件乘法器模塊，其速度快，實現(xiàn)簡單，能有效節(jié)省FPGA的邏輯資源。由于系統(tǒng)設(shè)計時選用的FPGA芯片型號為Xilinx公司的xc2v8000ff1152-5，它集成了幾百個硬件乘法器，因此可以全部使用硬件乘法器來完成相應(yīng)的乘法運算。

　　采用VHDL語言編寫實現(xiàn)程序，開發(fā)環(huán)境為ISE 8.2i，綜合工具為Synplify Pro v8.1，仿真工具為ModelSim SE 6.3f。圖3所示的是程序經(jīng)Synplify Pro v8.1綜合后得到的LMS自適應(yīng)校正濾波器頂層模塊RTL視圖。RTL視圖即寄存器傳輸級視圖，該圖高度抽象為模塊化結(jié)構(gòu)，它是在對源代碼編譯后再現(xiàn)設(shè)計的寄存器傳輸級原理圖。

　　所有算法模塊均在全局使能信號clk_en不同狀態(tài)的控制下進行工作，從而使算法運行達到8M周期，直至找到最佳權(quán)值，最終完成多通道校準(zhǔn)的任務(wù)，實現(xiàn)多個通道的幅相一致性。

　　表1為多通道校準(zhǔn)算法的FPGA資源占用列表，從系統(tǒng)資源占用情況可以看出：多通道校準(zhǔn)算法FPGA實現(xiàn)過程中，如果再加上前后端處理程序一起編譯，則輸入輸出端口將減少，資源占用也將減少，并不影響系統(tǒng)實現(xiàn)。其它各種資源占用量都較少，完全符合FPGA設(shè)計要求。

　　FPGA布局布線后的仿真波形如圖4、圖5所示。

　　從仿真結(jié)果(圖4，圖5)和ISE 8.2i的綜合報告可知，該校正模塊的最高時鐘頻率達到102.5MHz。

　　最后，由MATLAB仿真和FPGA布局布線后仿真得到的權(quán)值，經(jīng)過MATLAB仿真形成新的方向圖，如圖6所示，可以看出，兩種方向圖基本一致。因此，基于FPGA的多通道校準(zhǔn)同步算法的實現(xiàn)完全符合系統(tǒng)要求。

　　結(jié)語

　　由于數(shù)據(jù)時鐘的同步是FPGA 芯片設(shè)計實現(xiàn)的一個常見問題，也是一個重點和難點，很多設(shè)計不穩(wěn)定都是源于數(shù)據(jù)時鐘的同步有問題。而本文提出了解決這一問題的時鐘同步方法，并在硬件上很好地實現(xiàn)了多通道校準(zhǔn)算法，極大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。