可編程模擬器件在接收機(jī)動態(tài)可重構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

　　可重構(gòu)結(jié)構(gòu)是一種可以根據(jù)具體運(yùn)算情況重組自身資源，實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)自身優(yōu)化、自我生成的計(jì)算技術(shù)。動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)可快速實(shí)現(xiàn)器件的邏輯重建，它的出現(xiàn)為處理大規(guī)模計(jì)算問題提供了一種兼具通用處理器靈活性和ASIC電路高速性的解決方案。

　　在筆者所從事的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)模擬器件的一些性能改變但又不能及時更新調(diào)整后端的數(shù)字基帶處理時，比如濾波器由于工作時間過長引起的溫漂特性所帶來的影響，此時就可以用可編程模擬器件替代一部分前端固定模擬器件，進(jìn)而可以實(shí)時的對FPGA模塊進(jìn)行動態(tài)可重構(gòu)操作，最終達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。

　　可編程模擬器件

　　可編程模擬器件是近年來嶄露頭角的一類新型集成電路。它屬于模擬集成電路，即電路的輸入、輸出甚至內(nèi)部狀態(tài)均為隨時間連續(xù)變化且幅值未經(jīng)過量化的模擬信號;同時，該類器件又是現(xiàn)場可編程的，即可由用戶通過改變器件的配置來獲得所需的電路功能。為支持上述可編程能力，可編程模擬器件需以可編程模擬單元(CAB)和可編程互連網(wǎng)絡(luò)(PIN)為核心，配合配置數(shù)據(jù)存儲器、輸入單元、輸出單元或輸入\輸出單元等共同構(gòu)成[1](見圖1)。

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　　圖1　可編程模擬器件組成框圖

　　多數(shù)可編程模擬器件在單一的+5V電源電壓下工作，額定功耗為100mW量級。由于采取了特殊的措施，其輸入、輸出線性范圍通?？蛇_(dá)到接近滿電源電壓量程;閉環(huán)帶寬已達(dá)到數(shù)百千赫到數(shù)十兆赫;頻率失真度、共模抑制比、內(nèi)部噪聲等指標(biāo)也已達(dá)到中、高精度運(yùn)算放大器的水平。

　　盡管模擬信號處理的精度低于數(shù)字信號處理方式，但仍能滿足許多重要應(yīng)用對計(jì)算精度的要求，而所需的電路規(guī)模較小，成本也較低。同時利用其可編程特性，還可以實(shí)現(xiàn)精確的自動調(diào)諧和自動增益控制，顯著提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　相位檢測器的實(shí)現(xiàn)

　　TRAC(完全可重配置模擬電路)是英國FAS公司的現(xiàn)場可編程模擬器件系列產(chǎn)品的總稱。它提供了一條從信號處理問題出發(fā)，可解決各種常見的信號處理問題。器件參考模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單元并加以擴(kuò)充，使器件內(nèi)部的每個可編程模擬單元均具備加、減、取負(fù)、對數(shù)、反對數(shù)、積分、微分等8種運(yùn)算功能，因此只需選定運(yùn)算的類型和給出必要的參數(shù)，便可以很方便地完成對有關(guān)單元的設(shè)計(jì)，根本無須考慮單元電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具體細(xì)節(jié)。其內(nèi)部各單元之間采取自左向右固定連接的形式，所有單元的輸入\輸出端均引出至器件引腳上，并且允許利用各單元均具備的“直通”和“關(guān)斷”功能或者利用外接的“短路線”來修改這種基本連接[1](見圖2)。

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　　圖2　TRAC器件結(jié)構(gòu)示意圖

　　在筆者所從事的認(rèn)知無線電硬件平臺設(shè)計(jì)中，由于需要從強(qiáng)信號背景環(huán)境中識別提取出微弱的信號，因而可利用TRAC器件構(gòu)成相敏檢測器，并將其作為鎖存放大器的一部分。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要電路像窄帶濾波器那樣工作，除去大部分不希望要的強(qiáng)信號而僅允許待測的微弱信號通過。

　　圖3所示為相位檢測器的基本框圖。輸入信號和參考開關(guān)信號具有相同的頻率和相位。從所示的開關(guān)輸出中可望得到一個全波整流信號，而且經(jīng)過低通濾波器后，便可得到和交流信號電位成比例的直流電壓輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，輸入信號可能非常小，因此還需要加入前置放大級以支持精確的檢測。因?yàn)橥ǔＰ枰谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)連續(xù)改變參考信號的頻率，同時測量相應(yīng)的直流輸出。同樣，若需要檢測某個單一頻率，則參考信號必須與待測輸入信號頻率相同。由于相位檢測器也對相位敏感，因此當(dāng)兩個信號相位相同時會得到最大的輸出電壓。

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　　圖3　相位檢測器框圖

　　相位檢測器和低通濾波器一樣需要利用兩片TRAC器件來實(shí)現(xiàn)。而外部元件對于放大器和濾波器都是必不可少的，所以必須對滿足條件的元件進(jìn)行合理取值。

　　可編程ADC的實(shí)現(xiàn)

　　認(rèn)知無線電接收機(jī)對其前端采用的高性能模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及模擬器件的要求都較高，而FPGA在基帶數(shù)字信號處理方面又迫切需要動態(tài)可重配置。為了適應(yīng)以上要求，可以首先考慮使用可編程模擬器件來實(shí)現(xiàn)ADC，以下是兩種具體實(shí)現(xiàn)方法。

　　FIPSOC混合信號片上系統(tǒng)

　　SIDSA公司的FIPSOC混合信號片上系統(tǒng)是快速開發(fā)模擬、數(shù)字集成應(yīng)用的理想工具。FIPSOC芯片包括內(nèi)嵌的增強(qiáng)型8051微處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及一組面向信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的可靈活配置的模擬單元。與分離的模擬、數(shù)字FPGA方案相比，采用FIPSOC混合信號片上系統(tǒng)，可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短30~40%。

　　可編程的模擬、數(shù)字單元與8051的單片系統(tǒng)包括模擬單元、轉(zhuǎn)換單元、可編程數(shù)字單元、8051內(nèi)核和該系列中的所有器件具有兼容的存儲器分布，其中轉(zhuǎn)換單元含有4路DAC(分辨率可配置為8至10位)，采用逐次逼近算法，可利用這些DAC實(shí)現(xiàn)高達(dá)800KHz采樣率的ADC(見圖4)。

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　　圖4　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的框圖

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包含4個8位的逐次比較寄存器(SAR)，它可以和內(nèi)部的DAC聯(lián)合工作，以獲得模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　每一個通道有一個獨(dú)立的SAR，它接收逐次比較的結(jié)果，并驅(qū)動對應(yīng)的DAC，每一個通道的轉(zhuǎn)換可以獨(dú)立進(jìn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)換模塊編程為9或10位ADC轉(zhuǎn)換時，相應(yīng)的SAR形成組：9位ADC時，SAR1和SAR2為一組，SAR3和SAR4為一組;10位ADC時，所有4個SAR形成一組。這時，成組的SAR各自工作1至2個周期，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，SAR將其內(nèi)容寄存在輸入/輸出寄存器中，并使能中斷產(chǎn)生模塊。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，將啟動下一次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，可編程邏輯模塊可以獨(dú)立發(fā)布轉(zhuǎn)換命令，這將給本次以及下一次轉(zhuǎn)換帶來錯誤。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，這將導(dǎo)致致命錯誤，因?yàn)殄e誤是可以傳遞的，并將得到不可預(yù)料的結(jié)果。

　　其控制部分是一個標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器。復(fù)合后，8051核首先對可編程元胞進(jìn)行配置，配置完畢后可以當(dāng)作一個通用的微處理器使用。為了更好的支持FIPSOC的動態(tài)可重構(gòu)特性，已對其指令和功能單元做了一些改進(jìn)。