位同步的FPGA实现论文完整打印版.docx
《位同步的FPGA实现论文完整打印版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《位同步的FPGA实现论文完整打印版.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
位同步的FPGA实现论文完整打印版
本科毕业设计（论文）资料
题目名称：
位同步的FPGA实现
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
电子信息工程
摘要
同步是通信系统中很重要的一个过程，它可以使通信系统更稳定、更可靠、更准确，它是数字通信系统有顺序进行的技术支撑。
同步分为位同步、帧同步和载波同步，我们对数字通信信号的同步除了载波同步和帧同步之外，还要进行位同步。
位同步也就是保证接收端准确有效抽样判决数字基带信号序列的基础，一般位同步信号从解调后的基带信号中提取出来，同时也可以从已调频带信号当中直接提取位同步信号，一般可以进行一元中央位置采样的决定，最好是在接收元素结束时间采样的决定。
位同步有插入导频法（一种外同步法）和直接法（一种自同步法），本文运用了数字锁相法提取位同步电路的方案，以大规模可编程逻辑器件FPGA为主控制器，以VHDL硬件描述语言为主要语言对其进行在线编程，在QuartusⅡ软件工具中进行仿真和调试，以达到功耗低、成本低、效率高的技术要求。
关键词：
位同步；数字锁相电路；FPGA；VHDL；QuartusⅡ
ABSTRACT
Synchronizationisaveryimportantprocessin忽略municationsystem,itcanmakethesystemmorestable,morereliable,moreaccurate,itisthedigital忽略municationsystemhasthetechnicalsupportoftheorder.Synchronizationisdividedintobitsynchronization,framesynchronizationandcarriersynchronization,weonthedigital忽略municationsignalinadditiontoframeandcarriersynchronizationandbitsynchronization.Bitsynchronizationisthebasistoensurethecorrectandeffectivedecisionreceiversamplingdigitalbasebandsignalsequence,generalsynchronizationsignalisextractedfromthebasebanddemodulatedsignals,butalsocandirectlyextractbitsynchronizationsignalfromthefrequencybandsignalhas,ingeneralcanbeacentralpositionsamplingdecisions,preferablyinthereceivingelementsintheendtimesamplingdecision.Bitsynchronizationisthepilotinsertionmethod（akindofexternalsynchronizationmethod）anddirectmethod（aselfsynchronizingmethod）,thispaperusesdigitalPLLmethodofbitsynchronizationcircuitextraction,withthelarge-scaleprogrammablelogicdeviceFPGAasthemaincontroller,usingtheVHDLhardwaredescriptionlanguageisthemainlanguageoftheonlineprogramming,simulationanddebugginginQuartusⅡsoftwaretools,tomeettherequirementsoflowpowerconsumption,lowcost,highefficiencytechnology
Keywords:
Bitsynchronization（symbolextractionprocess）;digitalphaselockedloop
circuit（bitsynchronizationcircuit）;FPGA;VHDL;QuartusⅡ
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
第2章同步技术3
2.1同步技术3
2.2同步的分类3
2.3位同步3
2.3.1位同步方法4
2.3.2位同步系统性能指标5
第3章基于FPGA设计流程的介绍7
3.1FPGA器件概述7
3.2FPGA设计操作流程7
第4章微分型位同步的FPGA实现11
4.1微分型位同步原理11
4.2微分鉴相模块的VHDL实现12
4.3双相时钟信号的VHDL实现16
4.4单稳触发器的VHDL实现17
4.5控制及分频模块的VHDL实现19
第5章系统仿真与结果分析21
5.1顶层模块的VHDL实现21
5.2系统的整体仿真与结果分析25
结论26
参考文献27
致谢28
第1章绪论
在数字通信系统中，要准确的恢复信号，接收端和发送端就必须保持严格同步。
在数字通信系统中，同步又称为定时，是指收发双方在时间上保持步调一致。
同步系统性能的优劣将直接影响数字通信的质量，甚至会影响数字通信能否正常运行。
可以说同步系统是保证数字通信系统正常工作的前提。
早在1970那一年，胎膜早破（可编程只读存储器）是最古老的PLD的出现，它是可编程的只读存储器，它不能被擦除和重写，只能写一次，而在20世纪70年代中期，又出现了PLA（ProgrammableLogicArray），也就是可编程逻辑阵列。
可编程阵列逻辑PAL（可编程逻辑阵列）1977美国AMD装置第一，这是一个熔丝编程。
大约在1985年，Lattice公司率先发明GAL（GenericArrayLogic），也就是通用阵列逻辑器件，该装置可电擦除，可编程，设置加密位PLD等，然而Altera公司推出最晚的却是可擦除可编程逻辑器件—EPLD（ErasablePLD），它是在20世纪80年代中期推出的。
880年底，格是在系统可编程技术提出了ISP（在系统编程），它还推出了一系列的在系统可编程逻辑器件（EPLD器件）。
1985现场可编程的概念被首次提出，赛灵思公司，在同一时间，世界上第一个生产的FPGA（现场可编程门阵列，现场可编程门阵列）装置。
而在1995年，Xilinx公司又推出了XC4025，它的可用门数达到了25000门。
PLD的分类:
（1）PROM即可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory）
（2）可编程逻辑阵列PLA（ProgrammablelogicarrayPLA）
（3）可编程逻辑阵列PAL（ProgrammablelogicarrayPAL）
（4）通用逻辑阵列GAL（GenericarraylogicGAL）
（5）即可擦除可编程器件EPLD（ErasableProgrammableLogicDevice）
（6）复杂可编程逻辑器件CPLD（忽略plexPLD）
（7）即现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGatesArray）
现场可编程门阵（FPGA）是PAL、GAL、EPLD等可编程器件的进一步发展的产物。
它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，不仅克服了原本可编程器件门电路门数量有限等缺点，还解决了定制电路的不足。
在第二十世纪中叶80年代，FPGA是一种高密度可编程逻辑器件，数组类型，它和我们以前所介绍的可编程逻辑器件是有所不同的。
FPGA由逻辑功能块排成阵列组成，还有可编程的互连资源连接等这些逻辑功能块以及还有相应的输入\输出单元来共同实现不同的设计。
这其中，FPGA的功能是由逻辑结构的配置数据而决定。
同时，存储在片上SRAM或熔断器的配置数据。
基于SRAM的FPGA器件，同时，存储在片上SRAM或熔断器的配置数据。
用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。
QuartusⅡ8.0是Altera公司新近推出的EDA软件工具，其设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程，其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。
第三方的综合工具，如LeonardoSpectrum、SynplifyPro、FPGA忽略pilerⅡ有着更好的综合效果，因此通常建议使用这些工具来完成VHDL/Verilog源程序的综合。
QuartusⅡ可以直接调用这些第三方工具。
同样，QuartusⅡ具备仿真功能，也支持第三方工具，如Modelsim。
此外，QuartusⅡ为AlteraDSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境，它与MATLAB和DSPBuilder结合可以进行基于FPGA的DSP系统开发，是DSP硬件系统实现的关键EDA工具。
QuartusⅡ还可以与SOPCBuilder结合，实现SOPC系统开发
本文主要研究一种位同步电路的FPGA实现，其研究的主要内容是：
理解位同步的概念及实现方法，建立位同步控制器模型，以FPGA为主控器，设计一个位同步控制器，并完成各模块电路测试激励程序的设计。
任务：
（1）掌握常用的位同步方法及实现原理；
（2）完成微分型位同步的设计与仿真；
（3）完成积分型位同步的设计与仿真；
（4）建立数字锁相环法仿真模型并完成功能仿真；
（5）完成数字锁相环法位同步的设计与仿真；
技术要求：
（1）完成测试激励信号源的设计；
（2）相位误差
；
（3）同步带宽
；
第2章同步技术
2.1同步技术
在数字通信系统中，要准确的恢复信号，接收端和发送端就必须保持严格同步。
在数字通信系统中，同步又称为定时，是指收发双方在时间上保持步调一致。
同步系统性能的优劣将直接影响数字通信的质量，甚至会影响数字通信能否正常运行。
可以说同步系统是保证数字通信系统正常工作的前提。
2.2同步的分类
同步是通信系统中很重要的一个过程，它可以使通信系统更稳定、更可靠、更准确，它是数字通信系统有顺序进行的技术支撑。
同步分为位同步、帧同步和载波同步。
（1）载波同步
目前，在广泛采用的相移键控（2PSK，DPSK，MPSK）、最小频移键控（MSK）、正交幅度调制（QAM）等数字调制系统中，接收端解调时都必须提供与发送端调制载波同频同相的相干载波，获取该相干载波的过程称为载波同步（或载波提取）。
（2）位同步
无论是基带传输，还是频带传输，都需要位同步。
在数字通信系统中，任何消息都是由一连串数字信号码元序列来传送的。
但是由于传输信道不理想和受到噪声的干扰，数字信号必然会产生波形失真。
接受时需要知道每个码元的起止时刻，以便在最佳的时刻进行抽样判决。
这就要求接收端必须产生一个与接受码元具有相同频率和相同相位（位置）的位定时脉冲序列，即位同步（或码元同步），该码元定时脉冲序列称为位同步脉冲（或码元同步脉冲）
（3）帧同步
在前面介绍的数字时分多路复用系统中，各路信码都是在规定的时隙内传送，形成规定的帧结构，例如PDH基群、二次群、三次群和四次群帧结构。
在这些帧结构中，都包括帧同步信号，用于接收端识别出每帧的起始时刻和分接定位以便正确分接。
在接收端获得这些帧同步信号的过程称为帧同步（或群同步）。
2.3位同步
位同步也就是保证接收端准确有效抽样判决数字基带信号序列的基础，一般位同步信号从解调后的基带信号中提取出来，同时也可以从已调频带信号当中直接提取位同步信号。
对位同步的要求有：
①让接收端产生出来的位同步脉冲频率正好等于发送端的码元速率；②让接收器在正确的时刻接受接受象征例句。
一般可以进行一元中央位置采样的决定，最好是在接收元素结束时间采样的决定。
插
入导频法（一种外同步法）和直接法（一种自同步法），是我们位同步的主要方法。
2.3.1位同步方法
（1）自同步法
自同步法是数字通信系统中应用最多、最常用的位同步方法。
使用这种方法，接收端可以接收来自好的位同步信号提取的数字信号。
它包含滤波法和数字锁相法，本文章主要运用的就是数字锁相法原理实现位同步的。
①滤波法
1）波形变换-滤波法
二进制数字信号，如果是不归零的随机序列，它的功率谱中不包含有同步时钟频率
，等部分，不管是单极性的或是双极性的。
不能直接从中滤出
的同步信号分量。
但我们可以某些变换的信号，其中包含一个数字信号的同步信息，然后使用过滤器除去它，原理框图如图2.1所示。
图中的波形变换可以是微分，整流电路。
图2.1波原理变换滤波方法
2）包络检波-滤波法
在数字微波中继通信系统中，经常采用从中频PSK信号中直接提取位同步信息的方法。
需要从数字基带信号解调的载波恢复位同步信息的提取，并提取位同步信息可同时进行从中频PSK信号。
其原理框图如图2.2所示。
图2.2包络检波法原理框图
②锁相法
所谓数字锁相法是指采用锁相环来提取未能同步信号的方法。
数字锁相环提取位同步电路的原理框图如图2.3框图所示，它是由信号钟、分频器、相位比较器和控制器等组成。
高稳定度的晶体振荡器和脉冲整形电路是信号的主要组成部分。
要想晶体振荡器频率为
，则接受码元的速率刚好是
，在经过整形电路之后，输出周期性脉冲序列，其周期为
。
控制器由扣除门（常开）、附加门（常闭）和或门等组成，作用是对信号钟
输出的脉冲序列实行扣除（或者添加）脉冲，它是根据相位比较器输出的控制
图2.3数字锁相环的原理框图
脉冲（包括超前脉冲或者是滞后脉冲）来对信号钟输出的脉冲序列实施扣除或者添加脉冲。
分频器是一个计数器，当控制器在每个输出的N个脉冲，它会输出一个脉冲。
控制器和分频器连接在一起的相位同步信号调整的结果应用于相位检测器。
周期T调整之前和之后的相移取决于时钟信号，每个时间步是，相应的最小相位调整
相位比较器是将接收脉冲序列和位同步信号进行相位比较，这个过程是用于判别位同步信号到底是超前还是滞后，如果是超前就输出超前脉冲，如果是滞后就输出滞后脉冲。
（2）插入导频法
一般地，把位定时导频信号插入到数字基带信号功率谱的零点，这种方法叫做位同步插入导频法，它包含包络调制法还有时域插入位同步法，因为功耗高，成本高和效率底等特点，故插入导频法一般不采用，本文章主要是利用用数字锁相位同步法，所以在这里不做多余介绍。
2.3.2位同步系统性能指标
位判别同步系统的性能指标有很多，一般常见的有，相位误差、同步建立时间、同步保持时间和同步带宽等。
结合数字锁相原理，为了讨论相位的误差对误码率的影响，下面我们来分析这些主要的性能指标。
（1）相位误差
所谓的静态相位误差，是指也位同步信号的平均相位和最佳相位之间的相位差。
对于数字锁相法，来提取位同步信号的，位同步脉冲的相位在跳变时调整
是引起相位的误差的主要原因。
每调节一步，相位就会转变
，n为分频器分频的次数，因此最大的相位误差为：
（2.1）
显然，n越大，最大相位误差就越小。
（2）同步建立时间ts
同步建立时间就是指开机或者失去同步后再次重新建立同步所需要的最长时间，同步建立时间越短越好。
当一个同步脉冲的相位和相位差的PI（参考对
的时间是T/2），调整时间会最长。
这时需要的最大调整次数为
（2.2）
由于接收符号是随机的，为二进制码，每两个相邻的符号（01,10，11，00），带或不带零的情况在每个半。
在数据的两种数字锁相法提取零比脉冲参考相应的，平均每周期的脉冲，2秒内都有可能进行调整，所以同步建立时间：
（2.3）
（3）同步保持时间
当建立同步，如果输入信号中断，甚至“0”和“1”码，锁相环失的调节作用。
脉冲重复频率发送和接收双速范围，以其固有的差频，相位同步信号和传输，如果时间较长，相位漂移，漂移的要求，直到达到一个最大值。
从同步到失同步所用的时间，叫做同步保持时间：
（2.4）
（4）同步带宽
同步带宽是指的最大频率，振荡器调整到同步状态允许差。
由于数字锁相环，几乎每2周（2T）调整的时间，所以每次可以调整时间
，所以在一个符号周期平均可以调整时间T/2N。
对于数字锁相法，同步带宽为：
（2.5）
第3章基于FPGA设计流程的介绍
3.1FPGA器件概述
现场可编程门阵（FPGA）是PAL、GAL、EPLD等可编程器件的进一步发展的产物。
它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，不仅克服了原本可编程器件门电路门数量有限等缺点，还解决了定制电路的不足。
在第二十世纪中叶80年代，FPGA是一种高密度可编程逻辑器件，数组类型，它和我们以前所介绍的可编程逻辑器件是有所不同的。
FPGA由逻辑功能块排成阵列组成，还有可编程的互连资源连接等这些逻辑功能块以及还有相应的输入\输出单元来共同实现不同的设计。
这其中，FPGA的功能是由逻辑结构的配置数据而决定。
同时，存储在片上SRAM或熔断器的配置数据。
基于SRAM的FPGA器件，同时，存储在片上SRAM或熔断器的配置数据。
用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。
EDA技术是依赖的FPGA设计的发展，有许多EDA软件支持XilinxFPGA的开发设计，最广泛的是ISE，以下是ise8。
XilinxFPGA的设计的一般过程如图3-1框图所示。
XilinxFPGA的开发设计过程包括：
程序设计输入，功能仿真，逻辑综合，时序仿真和设计和配置设备。
3.2FPGA设计操作流程
（1）功能定义/器件选型
在FPGA设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。
一般都采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接使用EDA元件库为止。
（2）设计输入
设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并输入给EDA工具的过程。
常用的方法有硬件描述语言（HDL）和原理图输入方法等。
原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编程芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。
这种方法虽然直观并易于仿真，但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重用。
更主要的缺点是可移植性差，当芯片升级后，所有的原理图都需要作一定的改动。
目前，在实际开发中应用最广的就是HDL语言输入法，利用文本描述设计，可以分为普通HDL和行为HDL。
普通HDL有ABEL、CUR等，支持逻辑方程、真值表和状态机等表达方式，主要用于简单的小型设计。
而在中大型工程中，主要使用行为HDL，其主流语言是VerilogHDL和VHDL。
这两种语言都是美国电气与电子工程师协会（IEEE）的标准，其共同的突出特点有：
语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。
除了这IEEE标准语言外，还有厂商自己的语言。
也可以用HDL为主，原理图为辅的混合设计方式，以发挥两者的各自特色。
（3）功能仿真
功能仿真也称为前仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。
仿真前，要先利用波形编辑器和HDL等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。
如果发现错误，则返回设计修改逻辑设计。
常用的工具有ModelTech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS和Cadence公司的NC-Verilog以及NC-VHDL等软件。
（4）综合优化
所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述。
综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供FPGA布局布线软件进行实现。
就目前的层次来看，综合优化（Synthesis）是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而并非真实的门级电路。
真实具体的门级电路需要利用FPGA制造商的布局布线功能，根据综合后生成的标准门级结构网表来产生。
为了能转换成标准的门级结构网表，HDL程序的编写必须符合特定综合器所要求的风格。
由于门级结构、RTL级的HDL程序的综合是很成熟的技术，所有的综合器都可以支持到这一级别的综合。
常用的综合工具有Synplicity公司的Synplify/SynplifyPro软件以及各个FPGA厂家自己推出的综合开发工具。
（5）综合后仿真
综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。
在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。
但这一步骤不能估计线延时，因此和布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。
目前的综合工具较为成熟，对于一般的设计可以省略这一步，但如果在布局布线后发现电路结构和设计意图不符，则需要回溯到综合后仿真来确认问题之所在。
在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。
（6）实现与布局布线
布局布线可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线，并产生相应文件（如配置文件与相关报告），实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上，布局布线是其中最重要的过程。
布局将逻辑网表中的硬件原语和底层单元合理地配置到芯片内部的固有硬件结构上，并且往往需要在速度最优和面积最优之间作出选择。
布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的各种连线资源，合理正确地连接各个元件。
目前，FPGA的结构非常复杂，特别是在有时序约束条件时，需要利用时序驱动的引擎进行布局布线。
布线结束后，软件工具会自动生成报告，提供有关设计中各部分资源的使用情况。
由于只有FPGA芯片生产商对芯片结构最为了解，所以布局布线必须选择芯片开发商提供的工具。
（7）时序仿真
时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规（即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等）现象。
时序仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能较好地反映芯片的实际工作情况。
由于不同芯片的内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时带来不同的影响。
因此在布局布线后，通过对系统和各个模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计系统性能，以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。
在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。
（8）板级仿真与验证
板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第三方工具进行仿真和验证。
（9）芯片编程与调试
设计的最后一步就是芯片编程与调试。
芯
升级会员 