UWB模塊的配置功能FPGA的實(shí)現(xiàn)

1 引 言

超寬帶（UWB）技術(shù)近年來發(fā)展迅速，它創(chuàng)新的使用模式為擁擠的無線電頻帶來了新的應(yīng)用理念。與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比，UWB技術(shù)具有頻譜寬、功耗低、安全性高、不易產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場前景。目前市場上主要的UWB廠商主要有Wisair公司、Wiquest公司等，其中Wisair公司推出的系列產(chǎn)品以其良好的可控性受到消費(fèi)廠商的青瞇。

DV9110M是Wisair推出的第二代基于Wimedia／MBOA標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)板，它體積小、集成度高，是一款多頻帶的OFDM收發(fā)器。它擁有兩層結(jié)構(gòu)，包括UWB子板和母板，其中UWB子板是核心，物理層和MAC層都位于子板之上，所有的外圍接口則位于母板上。通過配置管理，DV9110M可以實(shí)現(xiàn)6種不同的數(shù)據(jù)接口（最高數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)200 Mbps），最高480 Mbps的物理層速度以及發(fā)送模塊和接收模塊的配對。

2 軟件配置方式

Wisair提供了一種基于Windows的圖形界面軟件——Wisman，利用它主機(jī)可以通過USB接口讀取或修改UWB設(shè)備的參數(shù)，如RF頻率、包長、數(shù)據(jù)接口類型、物理層速率等，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的配置和管理；同時還可監(jiān)視發(fā)送和接收包的數(shù)目以及空中丟包率等，實(shí)時掌握UWB模塊的工作情況。

3 配置的FPGA實(shí)現(xiàn)

3．1 問題的提出

Wisman操作簡單，但由于DV9110M與主機(jī)通信的USB接口位于母板之上，因此使用Wisman時，必須采用兩層結(jié)構(gòu)。這樣用戶使用時再加上一層用戶板，則至少需要三層結(jié)構(gòu)，所占空間體積大，不利于系統(tǒng)集成。同時UWB母板使用5 V電源，使用時必須單獨(dú)對其供電，增加了系統(tǒng)消耗。這些都成為限制其推廣應(yīng)用的瓶頸。

事實(shí)上，對UWB模塊進(jìn)行配置，最終都是通過對位于UWB子板上的芯片進(jìn)行寄存器操作來實(shí)現(xiàn)的。對UWB子板而言，只需提供3．3 V工作電壓以及正確的寄存器配置時序，就可正常實(shí)現(xiàn)UWB模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，而這些依靠FPGA就可完成。這樣用戶使用時，只需一層FPGA板和一層UWB子板，大大改善了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3．2 FPGA實(shí)現(xiàn)

由于FPGA的工作電壓足3．3 V，因此，為UWB子板提供3．3 V電壓很容易。使用FPGA實(shí)現(xiàn)配置的關(guān)鍵在于對時序的控制。對UWB子板進(jìn)行寄存器的相關(guān)操作是通過異步并行通信來完成的。該接口主要包括8位數(shù)據(jù)線，8位地址線和讀寫控制信號。整個寄存器地址空間呈線性分布，并被劃分為若干頁，每一頁的最后一個地址FF用來控制頁跳轉(zhuǎn)。

配置寄存器的操作步驟如圖1所示。第一步，設(shè)定被訪問寄存器的頁地址，此時，地址總線賦予“FF”，數(shù)據(jù)總線賦予頁地址。第二步，對寄存器寫入?yún)?shù)值，此時地址總線設(shè)定為該寄存器的頁內(nèi)地址，數(shù)據(jù)總線設(shè)為該寄存器要配置的值。

由于是異步通信，因此必須保證最小的時序間隔：其中低有效的寫控制信號的持續(xù)時間必須大于76 ns，而相鄰兩次寫操作時間間隔必須大于60 ns。同時，為了配置成功，還應(yīng)保證在寫控制信號有效時，數(shù)據(jù)和地址信號保持穩(wěn)定，具體流程如圖2所示。

包含配置地址和數(shù)據(jù)信息的文檔位于Wisman安裝目錄下的Default_NoAck．txt中。默認(rèn)需要順序配置4195個寄存器。此外，對于特定接口（如以太網(wǎng)接口）以及特定參數(shù)（如物理層速率，調(diào)頻序列等）需要另行配置，共有8個相關(guān)寄存器。因此總共需要配置的寄存器為4 203個。由于配置一個寄存器需要獲知16位地址信息和8位數(shù)據(jù)信息，因此一個寄存器需要存儲的信息量為24位，而需要配置的寄存器達(dá)4 203個，如果將這些信息全固化入ROM中，將占用大量的FPGA資源，不利于系統(tǒng)其他功能的開發(fā)。為此，針對這4 203個寄存器，進(jìn)行分類優(yōu)化，一共可分為三個部分：

第一部分是前5個寄存器。這5個寄存器的地址和數(shù)據(jù)沒有規(guī)律，但由于數(shù)量很少，配置時枚舉即可。

第二部分包括41組寄存器，共4 052個。其中每組寄存器的起始地址都相同，偏移地址在起始地址的基礎(chǔ)上依次增加1。配置這部分寄存器時，只需用ROM存儲8位的數(shù)據(jù)信息，其地址信息則由該組寄存器的起始地址以及該寄存器的配置順序號決定。這樣24位寬的ROM變?yōu)?位寬，大大減少了資源。

第三部分包括148個寄存器，其地址和數(shù)據(jù)也沒有規(guī)律，對這部分寄存器信息用24位的ROM來存儲。

4 仿真結(jié)果與資源使用量

通過使用FPGA來代替軟件完成配置，一層子板就可實(shí)現(xiàn)UWB模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，其高度由20 mm變?yōu)?0 mm，降低了50％，大大壓縮了體積，有利于UWB模塊在使用時的設(shè)備集成；去掉了母板，用FPGA來提供UWB子板的電壓，節(jié)省了一個需單獨(dú)供電的5 V電源，而且節(jié)省了器件，降低了功耗；同時由于減少了母板的中轉(zhuǎn)，接口時鐘從25 MHz提高到30MHz，理論帶寬由200 MHz提高到240 MHz，提高了20％，在數(shù)據(jù)的無線傳輸過程中具有重大的意義。

最終仿真波形如圖3所示。

如果用Xilinx Virtex4系列的xc4lxl5器件來綜合，最后使用的資源如表1所列。

5 結(jié) 語

本方法在實(shí)際應(yīng)用過程中得到了驗(yàn)證，能夠穩(wěn)定地代替軟件行使UWB模塊的配置管理功能，并顯著提高了系統(tǒng)性能，極大方便了Wisair DV9110M的研發(fā)應(yīng)用。