高性能收发信机中逻辑控制部分的设计与实现.docx
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高性能收发信机中逻辑控制部分的设计与实现
高性能收发信机中逻辑控制部分的设计与实现
摘要
本文内容为作者在工信部电子信息产业发展基金资助的“宽带无
线接入平台中高性能射频前端的开发”项目中所承担的工作。
射频前
端是通用射频仪器研发的瓶颈，其难度在于同时支持多制式、宽频段、
高精度和大动态范围。
本项目中的射频前端子系统硬件平台由射频通
路模块，宽带频率综合器模块和数字逻辑控制模块构成。
为支持多制
式以及与基带处理之间的大数据量传输，需要有高速总线接口和灵活
的控制与配置逻辑，这也是作者在毕设期间的主要研究内容。
作者设计并实现了收发信机逻辑控制部分中PCI接口模块，高速
串行通信RocketIO模块和FPGA动态配置模块，工作涵盖需求分析、
概要设计、详细设计、FPGA开发、仿真到现场调试。
最终为射频前
端和基带板间提供了线速率ZGbps的IQ数据传输链路，为射频前端
和主控系统提供了速率为60MByte/s的控制链路。
本文的主要内容如下:
一、介绍课题来源及研究意义。
二、介绍了FPGA原理以及本项目采用的XllinxVS系列FPGA
的特点、开发流程和设计技巧。
三、分析了射频前端控制部分功能需求，针对实际需求提出采用
两块FPGA芯片实现的方案，并对整体功能进行了划分。
四、设计并实现了收发信机逻辑控制部分功能，包括完成芯片功
能架构、主要功能模块以及模块之间的通信接口设计。
五、完成系统关键模块的仿真，并给出了部分功能的实测结果。
六、对整篇论文进行了总结及展望。
关键词:
Pci总线rocketiofPga设计动态下载
岁
邮电大学硕士研究生学位论文摘要
4，AceomPlishthedesignandrealizationoftheRFUniversal
Instrument.ThedesignPartincludesstrueturedrawingofthechiP
funetions，eommunieationinterfaeebetweenmodulesandthedetail.
5，Simulatethekeymodulesofthesystemineludingintroduetionto
theProcessofsimulationPlatformbuildingandthenanalyzethe
simulationresults.Intheend，testthekeymodulesandgivetherePorts.
6，SummarizetheworksofthisthesisandmakeanexPeetation.
KEYWORDS:
PeirocketiofPgadynamicdownload
电大学硕士研究生学位论文目录
第一章
1.1
1.2
1.3
第二章
2.1
2.2
2.3
2.4
第三章
3.1
3.2
3.3
3.4
第四章
4.1
4.2
4.4
4.6
第五章
绪论........................................................................................................................……1
选题背景及意义....................................................................................................……1
本人的主要工作....................................................................................................……2
论文的结构和内容................................................................................................……2
FPGA芯片特点和开发技术研究.........................................................................……4
FPGA的原理...........................……“...........................................………..................……4
VSSX系列XilinxFPGA的特点............................一~........一.......................……，…5
FPGA开发流程....................................……，..........................................................……7
本章小结..............................................................................................................……10
收发信机逻辑控制部分的概要设计..................................................................……n
PXI模块化通信系统概述...................................................................................……n
射频系统逻辑控制板卡功能..............................................................................……12
射频系统逻辑控制板卡逻辑控制部分功能需求..............................................……13
3.3.1RF3S400A芯片功能需求........……，........................................................……14
3.3.2RFVSSX35T芯片功能需求.....……，........................................................……14
本章小结..............................................................................................................……巧
收发信机系统逻辑控制部分详细设计..............................................................……16
PCI总线实现方案...............................................................................................……16
PCI协议分析.......................................................................................................……17
4.2.1PCI总线特点介绍...................................................................................……17
4.2.2PCI总线命令............................……，........................................................……18
4.2.3PCI总线操作规则分析......……，..............................................................……19
4.2.4PCI配置寄存器.......................................................................................……21
PCI接口详细设计二，............................................................................................……22
4.3.1PCllPCore接口定义..............................................................................……22
4.3.2PCI配置寄存器设置.....……，...................................................................……24
4.3.3PCI总线状态机......................................................................................……，25
4.3.4PCI总线转助calBus时序设计............................................................……27
4.3.5助calbus接口设计...................................……，....................................……，.…31
4.3.6PCIDMA设计实现.…，............................................................................……33
动态下载功能详细设计.......................................................……，........................……36
4.4.1配置管脚定义................……，...................................................................……37
4.4.2配置过程分析................……，...................................................................……38
4.4.3动态配置模块设计...................……，..……，，.，..…，…，.…，.，，，.，..…，，…，............……39
高速串行通信接口设计......................................................................................……41
4.5.1Rocket10工作原理二，..............................................................................……41
4.5.2Aurora协议分析......................................................................................……44
4.5.3高速串行通信用户接口设计..................................................................……46
本章小结........................……，.....……，..................……，..........................................……51
关键模块仿真和实测................……，...................................................................……52
邮电大学硕士研究生学位论文目录
52555960605255555758606263仿真平台搭建......一.......……‘..…，..…~...................................................................……
高速串行通信接口模块仿真...............................................……”.......................……
测试工具.....................................................................................一.......................……
FPGA下载在线测试............................................................……“.......................……
5.4.，PCI通信接口模块测试结果.....................................“...…...............……，……
5.4.2动态下载功能模块测试结果................................……”二“......................……
5.4.3高速串行通信模块测试结果....................................……“......................……
本章小结..............................................................................................................……
总结与展望........................................................................................................……，「.
设计经验总结....................................................................................................……‘二
展望..................................................................................................……，.............……
，工2内、︶4
.…
勺户︸勺，、一洲、︸
5.5
第六章
6.1
6.2
参考文献
致谢.......................................................................................……，..……，..................……
电大学硕士研究生学位论文摘要
DESIGNANDIMPLEMENI火TIONOFHIGH
PERFORMANCETRANSCEIVER
LOGICCONTROLSYSTEM
ABSTRACT
ThethesisPresentstheworkoftheProjeetofRFUniversal
InstrumentFundedbyDePartmentofEleetronieInformationIndustry
DeveloPment.TheRFUniversalInstrumenthardwarecanbebuilduP
withRFmodulator，broadbandfrequeneysynthesizer，RFsystemlogie
controller，basebandsignalProeessor，centerProcessorandPXIbackPlane.
朴anseeiverRFsubsystemhardwarePlatfo而15abottleneekofRF
equiPmentwhiehsuPPortinghighPreeision，largedynamierangeand
broadbandRFsPeetrum.TransceiverlogiecontrolPart15thecoreofRF
equiPment，and15veryimPortanttorealization.
AnthormainlydesignandimPlementePCIbusinterfaee，FPGA
dynamieconflgurationandRoeketIOhighsPeedserialcommunication
module.叭勺rkrangingftomneedsanalysis，outlinedesign，detailed
design，FPGAlogiedesign，simulationanddebugging.Provides
transmissionandeontrollinkswithhighthroughPutandlow一lateney.
LoadtheProgramtoFPGAdynamieally.ThedeveloPmentwork
deseribedforRFsubsystemProvidesanimPortantguaranteeforsueeess.
ThecontentsofthisthesisaredeSCribedasfollows:
1，Introducetheoriginofthetaskandthemeaningofthereseareh.
2，IntrodueethePrineiPleofFPGAandXilinx，5latestfeaturesofVS
seriesFPGAchiPsandlearntheFPGAdeveloPmentProcessanddesign
SkillS.
3，ThewholedesignsehemeoftheRFsystemlogiecontroller15
introdueed.AceomPlishtherequirementsanalyzingoftheRFUniversal
Instrument，ProPoseimPlementationoftheProgrambasedondualFPGA
ehiPs.
卢
大学硕士研究生学位论文第一章
第一章绪论
1.1选题背景及意义
第三代移动通信系统的市场增长和系统升级极大的刺激了对通信测试仪器
的需求。
提高移动通信服务质量成为重要竞争点，使得设备厂商和运营商都增加
了在测试仪器上的投资。
通信测试仪器产品的特点是种类繁多、制式不同、专业性强、技术含量高，
市场前景非常广阔，竞争也异常激烈。
移动通信测试设备一般针对以下四个方面
进行测试:
一、基站的测试，包括接收机和发射机的测试;二、空中接口的测试。
主要包括同信道和相邻信道的信号干扰测试;三、信令和协议规程的测试;四、
用户终端的测试。
用户终端测试仪通常称为终端综合测试仪，其模拟相应的GSM
或3G网络，用于对用户终端进行测试，一般用于从简单的功能测试到维修，并
能以简单的方式进行手动和自动测量。
通信测试仪表由于技术含量高，难度大，市场进入门槛高，主要由国外厂商
占据。
近年来，我国通信仪表行业有了长足的发展，在新产品的开发研制能力、
产品科技含量和推广应用等方面，都取得了可喜的成绩。
但由于目前我国专门从
事对通信仪表行业发展进行基础性、前瞻性、战略性及重大专项研究的力量薄弱
而分散，导致仪表行业整体技术水平不高。
因此建立一批通信仪表的科研和工程
发展中心，在未来5至10年内扶植发展一批生产基地和大型企业对于通信仪表
的国产化至关重要。
由以上分析可以看出，随着3G等移动通信在中国的不断发展和应用，射频
通用仪表设备有着广阔的市场前景，在该领域进行自主开发具有很深远的现实意
义。
在导师的指导下，作者参与工信部电子信息产业发展基金项目“宽带无线接
入平台中高性能射频前端的开发”的研发工作，该项目能够填补国内通信测试领
域的空白，打破国外企业对核心射频技术的垄断，对带动相关移动通信产业的发
展将起到重要的作用。
电大学硕士研究生学位论文第二章
第二章FPGA芯片特点和开发技术研究
本文所描述的高性能逻辑控制部分的设计和实现工作全部是基于Xilinx
Virtexs和sp斌an3FPGA芯片进行的。
涉及到可编程语言输入，逻辑综合，布
局布线，时序收敛，仿真，和下载现场测试等全部FPGA开发流程的知识，需要
运用到复杂的即GA设计技术，是论文设计和实现工作的技术基础。
因此本章介
绍FPGA的原理，开发流程以及VS芯片特点，便于读者更好的理解论文的工作。
2.1FPGA的原理
FpGA是英文Fieldpro歹ammableGate腼ay的缩写，即现场可编程门阵列，
它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
FPGA采
用了逻辑单元阵列LCA（助gicCellAiray）这样一个新概念，内部包括可配置逻
辑模块CLB（Confi即rableLDgieBlock）、输出输入模块IOB（InputoutPutBlock）
和内部连线（Interconnect）三个部分。
可以支持一片PROM编程多片FPGA;
串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理
器的外设，由微处理器对其编程。
[ll
FPGA一般可由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成，
这三种可编程电路是:
可编程逻辑块（cLB）、输入输出模块（IOB）和互联资源
（IR）lzl，其结构框图如图2一1所示:
口口口口口口口D
口口口口口口口口
D口口口口口口口
图2-1FPGA结构框图I2]
大学硕士研究生学位论文第二章
CLB是FPGA的基本逻辑块，FPGA内绝大部分逻辑都由CLB提供。
如图
2一1所示，为CLB的一个结构示意图。
CLB主要由逻辑函数发生器、触发器、
数据选择器等电路组成。
逻辑函数发生器G和F均为查找表结构，其工作原理
类似于ROM，即通过输入地址数据查找表中的存储数据以得到任意组合逻辑的
输出。
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