基于FPGA的天線選通電路設計

某定向設備采用多普勒效應測向原理，即當天線振子做圓周運動時，天線振子本身與目標信號源就會產生相對速度，使振子感應到的信號產生了多普勒頻移，通過對振子感應信號相位的處理，從而達到測向的目的。而為了提高天線系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)處理的可行性，采取的措施是利用脈沖電信號依次打通天線8根振子，通過取樣的步進方式代替振子的機械圓周旋轉，因此設計一個穩(wěn)定可靠的天線選通電路就成為了系統(tǒng)的首要目標。傳統(tǒng)的方式一般都是采用數(shù)字集成塊電路實現(xiàn)，一方面需要的集成塊較多，電路板較大;二是容易受到外界的影響，脈沖的相位對準相對較難。為了解決以上問題，本文采用FPGA技術，對此電路進行了重新設計，并在電路設計過程中利用Quartus II軟件對設計電路進行了功能的模擬仿真，提高了電路設計的可靠性，簡化了電路設計與調試的難度，縮短了開發(fā)周期，有效的降低了開發(fā)成本，提高了設備生產、升級換代的效率。

1 電路設計

1.1 設計思想

本電路采用典型的自頂向下(Top—Down)設計結構。就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，在頂層進行功能結構的劃分和設計，在方框圖一級進行仿真與糾錯，并用硬件語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。這樣以來，有利于早期發(fā)現(xiàn)結構設計中的失誤，避免設計浪費，同時減少了邏輯功能的仿真量，提高了設計的一次性成功率。

具體到本電路的設計，由于信號源采用的是規(guī)格為1224 kHz晶振，所要得到的打通天線振子的脈沖信號是8路有效電平依次到達的脈沖信號，即要求8路脈沖信號的相位依次嚴格對應。最后對低電平有效的打通脈沖進行反向驅動放大，從而得到我們所需要的天線打通脈沖，控制天線振子依次導通，實現(xiàn)多普勒效應測向。結合以上對電路功能的基本分析，利用自頂向下結構對電路進行設計，從輸入輸出信號關系看，需要由頻率高的信號得到信號較低的信號，因此，首先需要對信號進行分頻，同時由于信號源產生的是1路脈沖信號，而要得到的是8路打通信號，所以電路還要包括一個8分路的功能電路，具體可以采用計數(shù)、譯碼器來實現(xiàn)。

通過以上的分析，將電路整體功能分步、分模塊實現(xiàn)，首先進行分頻，將晶體振蕩器信號進行分頻，初步得到一路1.36 kHz方波信號，然后再將此一路方波信號分成8路170Hz打通脈沖信號，并使8路脈沖信號的有效電平依次出現(xiàn)，嚴格對準，保證在同一時間內只且只有一根振子被打通，從而滿足系統(tǒng)的要求，綜上所述，本電路中要包含分頻模塊、計數(shù)模塊和譯碼模塊(分路)以及外圍電路。

1.2 硬件電路原理示意圖

根據(jù)設計思想中對電路設計的分析，信號源和反向驅動放大電路為外圍電路，中間對信號的處理通過FPCA來實現(xiàn)，具體示意圖如圖1所示。

1.3 FPGA電路的VHDL編程實現(xiàn)與分析

本文中電路采用了典型的Top-Down設計結構，也就是將電路分解成幾個相對獨立的功能模塊，通過VHDL編程實現(xiàn)后，生成獨立的元件，然后在TOP結構下調用生成的功能模塊或庫中已有的模塊，完成所要設計的電路，從而滿足電路功能的要求。因此電路可以分解成了分頻模塊和計數(shù)譯碼模塊(8分路)兩大獨立的設計單元，具體實現(xiàn)如下。

1.3.1 分頻模塊

設備中信號源頻率為1 224 kHz，因此要得到1.36kHz信號，就是對信號進行900分頻。通過VHDL語言可以直接實現(xiàn)900分頻，并得到占空比為1：1的分頻信號，但此方案過程中計數(shù)值較大，不利于電路實現(xiàn)，因此本文中采用多級分頻電路串聯(lián)的方式來實現(xiàn)，即采用三級分頻電路，第一級實現(xiàn)9分頻(輸出信號占空可以為1：1，也可以不是)，后兩級采用10分頻(輸出信號占空比1：1)，避免了單個過程計數(shù)過大的缺點，同時也滿足系統(tǒng)設計的需要。其中9分頻具體程序(占空比不是1：1)如下：

源代碼：

以上是9分頻模塊的源代碼，輸出信號占空比不是1：1，但不影響后面對信號的處理。在10分頻模塊中采用輸出占空比為1：1的方式，具體實現(xiàn)代碼如下。

源代碼：

1.3.2 計數(shù)譯碼模塊

要將1.36 kHz方波信號轉換成8路170 Hz的打通脈沖信號，可以通過計數(shù)和譯碼來實現(xiàn)。具體模塊設計為采用三位輸出的計數(shù)器和3—8譯碼器。其中VHDL源程序可以引用現(xiàn)成的標準源代碼來實現(xiàn)，也可以根據(jù)實際情況自行編寫，比較簡單，這里不再羅列。同時對于計數(shù)、譯碼這樣的通用模塊，可以在Top結構中直接從庫中調用。

2 電路的功能仿真及結果

2. 1 電路功能仿真

本電路的設計采用了Quartus II軟件進行功能仿真。Quartus II是Altera提供的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)開發(fā)綜合環(huán)境。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunetion宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜性，加快了設計速度。此外，Quartus II通過和DSP Builder工具與Matlab/Simulink相結合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應用系統(tǒng)。其支持Altera的片上可編程系統(tǒng)開發(fā)，集系統(tǒng)級設計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺，適用于實際電路的設計與仿真，可以大大縮短電路開發(fā)的周期，提高設計的效率。

在分層電路設計中，Quartus II可以采用兩種結構。第一種結構就是每個模塊分別建立一個工程文件，在每個工程中分別調試單元電路，調試通過后，生成器件，然后再TOP中調用元件即可;另一種就是所有模塊文件統(tǒng)一放在一個工程文件中，每個模塊調試時設置成置頂即可，相互之間沒有影響，然后生成器件在Top文件中進行調用。本文電路的設計與仿真采用了第二種方法，統(tǒng)一放置在一個工程文件中，便于文件的管理，提高了設計與仿真過程的效率。

對于TOP-Down結構，頂層設計有兩種輸入方式，一種是采用VHDL語言編程，利用例化語句將各個組成模塊進行邏輯連接，從而實現(xiàn)電路功能;另一種方式就是采用電路圖輸入方式，分別調用庫中已有或編程生成的器件，最終實現(xiàn)電路設計實現(xiàn)。本文設計電路采用原理圖輸入的方式，在Top結構中最后形成的電路原理圖如圖2所示。

2.2 仿真結果與分析

2.2.1 分頻模塊仿真結果

本電路中共有3級分頻電路，采用串聯(lián)方式連接，分別為一級9分頻和兩級10分頻，需要得到占空比為1：1的信號，因此10分頻電路輸出必須為占空比為1：1的方波信號，單10分頻模塊仿真結果如圖3所示，能夠得到占空比1：1的方波信號，滿足了電路的設計要求。

2.2.2 選通電路仿真結果

從上文中可以知道，設計天線選通電路的目的就是產生8路天線打通脈沖，且有效脈沖應該是依次出現(xiàn)的，每一時刻有且僅有一路信號是有效的，同時還應按照順序依次有效。本設計總體電路功能仿真結果如圖4所示。從仿真結果中可以看出，在輸入一路時鐘(CLK)信號的情況下，8路輸出端中每一時刻僅有1位為0，也就是1位有效，且為0的位是按順序依次出現(xiàn)的，因此電路設計輸出結果滿足系統(tǒng)對電路的要求，同時也說明電路設計是成功的。

3 結論

本文采用VHDL語言的層次化和模塊化的設計方法，對系統(tǒng)的邏輯行為進行描述，然后通過綜合工具進行結構的綜合、編譯、仿真，可在短時間內設計出高效、穩(wěn)定、符合要求的電路系統(tǒng)，而且在不變化頂層文件的情況下即可任意升級、完善模塊電路。硬件描述語言VHDL為設計提供了更大的可移植性和可擴展性，使程序具有更高的通用性，較好的達到了系統(tǒng)對本電路的要求。同時，基于VHDL語言的FPGA技術是近年來新興技術，功能強大，速度快，應用領域光，在軍事、醫(yī)療、通信、視頻技術等領域都得到了廣泛的應用。雖然目前利用FPGA成本偏高，但是隨著產量的增加和應用的進一步拓展，成本必將進一步降低。因此，本文中電路設計采用了FPGA技術，符合設備未來發(fā)展需求，為將來設備的升級換代提供了必要保障。