一款基于FPGA的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)

利用賽靈思Spartan-6器件和一些外設(shè)組件輕松為學(xué)生和新手構(gòu)建一款有趣的演示平臺(tái)。

我們近期打算北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)一款數(shù)字設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)，它能展現(xiàn)FPGA在通信和信號(hào)處理領(lǐng)域的實(shí)際效用。這個(gè)平臺(tái)要直觀(guān)易用，能幫助學(xué)生了解數(shù)字設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，同時(shí)還要便于學(xué)生針對(duì)自己獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行定制。

當(dāng)時(shí)我們電子工程系進(jìn)就能否用FPGA的I/O引腳作為比較器或直接采用1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器展開(kāi)了一場(chǎng)激烈辯論。我們決定驗(yàn)證一下前提條件，試圖在XRadio平臺(tái)設(shè)計(jì)中采用FPGA比較器。該平臺(tái)就是我們采用賽靈思低成本Spartan?-6 FPGA和一些常見(jiàn)外設(shè)組件設(shè)計(jì)而成的一個(gè)全數(shù)字FM無(wú)線(xiàn)電接收器。去年賽靈思大學(xué)計(jì)劃（XUP）總監(jiān)Patrick Lysaght剛好來(lái)北京理工大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)，我們借機(jī)向其演示了這款能正常工作的無(wú)線(xiàn)電。這款設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性給他留下了深刻印象，他鼓勵(lì)我們?cè)谌驅(qū)W術(shù)社區(qū)上分享XRadio設(shè)計(jì)經(jīng)歷。

系統(tǒng)架構(gòu)

我們幾乎完全用FPGA來(lái)構(gòu)建XRadio平臺(tái)，省略了放大器或分立濾波器等傳統(tǒng)模擬組件的使用（如圖1所示）。首先，我們將用電線(xiàn)連接成的簡(jiǎn)單耦合電路鏈接至FPGA的I/O引腳，創(chuàng)建出基本天線(xiàn)。該天線(xiàn)用于發(fā)射RF信號(hào)到FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)數(shù)字下變頻和頻率解調(diào)實(shí)現(xiàn)FM接收器的信號(hào)處理。我們隨后通過(guò)I/O引腳向耳機(jī)輸出音頻信號(hào)。我們添加機(jī)械旋轉(zhuǎn)增量解碼器來(lái)控制XRadio的調(diào)頻和音量。我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)可讓調(diào)頻和音量信息顯示在7段LED模塊上。

圖2顯示了FPGA的頂層邏輯方框圖。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，耦合到FPGA輸入緩沖器的RF信號(hào)量化為1位數(shù)字信號(hào)。量化的信號(hào)乘以數(shù)控震蕩器（NCO）生成的本地震蕩信號(hào)，倍頻后的信號(hào)經(jīng)濾波可得到正交IQ（同相正交）基帶信號(hào)。它隨后通過(guò)頻率解調(diào)器和低通濾波器從IQ信號(hào)獲得音頻數(shù)據(jù)流。

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實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

我們要解決的第一大難題就是如何將天線(xiàn)接收到的信號(hào)耦合到FPGA。在首次試驗(yàn)性設(shè)計(jì)中，我們將FPGA I/O配置為標(biāo)準(zhǔn)單端I/O，然后我們用電阻R1和R2構(gòu)建分壓器，以在FPGA引腳處的VIH和VIL之間生成偏置電壓。天線(xiàn)接收的信號(hào)可通過(guò)耦合電容C1來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入緩沖器。由內(nèi)部240MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的D觸發(fā)器的兩級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣。觸發(fā)器輸出端獲得等間隔的1位采樣數(shù)據(jù)流。

數(shù)據(jù)流隨后進(jìn)入脈寬調(diào)制（PWM）模塊，在其輸出端上生成脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，可得到驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的比例模擬值。我們將控制器模塊連接到機(jī)械旋轉(zhuǎn)增量編碼器和LED。該模塊從增量編碼器獲得脈沖信號(hào)，以調(diào)節(jié)NCO的輸出頻率以及PWM模塊控制的音頻音量。

為了測(cè)試這個(gè)電路，我們將結(jié)果饋送給另一個(gè)FPGA引腳并用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，看看FPGA是否能準(zhǔn)確接收信號(hào)。不過(guò)，它工作得并不好，因?yàn)榉治銎黠@示Spartan-6 FPGA的輸入緩沖器有一個(gè)較小的120毫伏磁滯電壓。雖然磁滯一般來(lái)說(shuō)有利于避免噪聲，但在本應(yīng)用中我們并不希望有磁滯。我們必須想辦法提高信號(hào)強(qiáng)度。

該設(shè)計(jì)大幅降低了信噪比，這是因?yàn)?位采樣生成的噪聲量化的結(jié)果。不過(guò)4個(gè)臺(tái)在背景噪聲下仍能正常收到。因此我們能證明這樣一個(gè)理論，那就是FPGA的I/O引腳能用作比較器或XRadio中的1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

為了解決這一問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)差分輸入緩沖器（IBUFDS）原語(yǔ)在正負(fù)終端之間靈敏度極高。我們的測(cè)試顯示低至1 mV的峰至峰差分電壓足以讓IBUFDS在0和1之間擺動(dòng)。圖3顯示了所設(shè)計(jì)的輸入電路。在本實(shí)現(xiàn)方案中，電阻R1、R2和R3在IBUFDS的終端P和終端N處生成普通電壓。接收到的信號(hào)通過(guò)耦合電容C1饋送給終端P（sidefile:///app/ds/）。AC信號(hào)經(jīng)N側(cè)的C2電容濾波后，其可用作AC基準(zhǔn)信號(hào)。就此電路而言，F(xiàn)PGA將FM廣播信號(hào)成功轉(zhuǎn)換為1位數(shù)據(jù)流。

無(wú)線(xiàn)電能收到強(qiáng)度不同的大約7個(gè)FM頻道，包括103.9MHz北京交通臺(tái)。該設(shè)計(jì)大幅降低了信噪比，這是因?yàn)?位采樣生成的噪聲量化的結(jié)果。不過(guò)4個(gè)臺(tái)在背景噪聲下仍能正常收到。因此我們能證明這樣一個(gè)理論，那就是FPGA的I/O引腳能有效用作比較器或XRadio中的1位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。