采用FPGA部分動態(tài)可重構方法的信號解調系統(tǒng)設計

隨著現(xiàn)代通信技術的迅速發(fā)展，信號的調制方式向多樣化發(fā)展，解淵技術也隨之不斷向前發(fā)展。為了對高速大帶寬的信號進行實時解調，現(xiàn)在很多的解調關鍵算法都是在高速硬件上用可編程邏輯器件(FPGA)實觀，利用FPGA強大的資源和實時處理能力來快速的實現(xiàn)信號的跟蹤、鎖定和解調但是，基于硬件的實現(xiàn)方案和基于軟件的方案相比，往往存在不能迅速適應調制樣式改變的問題。為了有效斛決這個問題，筆者通過基下FPGA部分動態(tài)町重構技術，提出了相應的解決方案。

1 FPGA部分動態(tài)可重構技術介紹

從九零年代以來，隨著FPGA芯片技術的逐步成熟和發(fā)展，F(xiàn)PGA在各個領域中的應用逐漸擴大，芯片內部的資源規(guī)模也成倍增加。但是，隨著FPGA容量的擴大，F(xiàn)PGA的設計和實現(xiàn)也漸漸出現(xiàn)了下面的瓶頸問題：

1)FPGA芯片內部布線隨著設計復雜度的增加，布線的難度成平方增加，布線的時間也成倍增加。

2)對于大容量的FPGA，為了保證設計時約定的性能，為了滿足時序約束條件，最終實現(xiàn)版本的實際資源利用率反而下降。

3)大容量的FPGA一旦設計完成后，對其進行部分模塊的調整和優(yōu)化經常需要很長時間。

在此上述這些原因的基礎上，F(xiàn)PGA的重配置技術應需而生。FPGA重配置技術分為完全重配置技術和部分動態(tài)可重構技術兩種。其中FPGA完全重配置技術就是通過FPGA外部的配置處理單元，通過對FPGA配置管腳的編程，來實現(xiàn)整個FPGA內容的切換，這種方式在目前已經得到了較為廣泛的應用。而FPGA部分動態(tài)可重構技術是通過FPGA內部或外部的配置處理單元，對FPGA內部部分資源的時分復用，來實現(xiàn)FPGA內部部分模塊的切換。

對這兩種配置技術進行比較，可以看到FPGA部分動態(tài)可重構技術的優(yōu)勢在于以下這些方面：

1)提高了配置速度。完全重配置需要配置整個FPGA的比特流文件，而部分動態(tài)可重構技術只需要配置相應模塊的邏輯內容，文什大小相差懸殊，在相同的配置時鐘頻率下，部分動態(tài)可重構技術的配置速度是完全配置的幾分之一或者幾十分之一。

2)省略了完全配置后的復位、下達參數(shù)的流程。完全重配置在配置完成后，整個FPGA處于初始狀態(tài)，需要重新對接口進行初始化，并配置運行參數(shù)。而部分動態(tài)可重構技術不用進行全局復位，下達參數(shù)也只需要針對重構的模塊。

3)保存了FPGA運行的中間結果和數(shù)據。完全重配置很難保存FPGA運行的中間結果，如果外接DDR SDRAM等存儲單元，也會因為接口的重新復位而導致數(shù)據混亂，而部分動態(tài)可重構技術完全不用擔心這些問題。
部分動態(tài)可重構技術具有上述相對與完全重配置技術的優(yōu)勢外，也和完全重配置技術一樣，具有低功耗和靈動性高的優(yōu)點，并且具備遠程加載功能，可以通過有線網絡或者無線網絡來實現(xiàn)超距環(huán)境下的FPGA功能變更。
部分動態(tài)可重構技術和完全重配置技術相比，對FPGA設計人員的開發(fā)能力和規(guī)劃能力要求更高，下面通過對一個簡單的數(shù)字信號解調系統(tǒng)，來給出部分動態(tài)可重構技術的實現(xiàn)途徑。

2 FPGA部分動態(tài)可重構技術的硬件實現(xiàn)方案

FPGA部分動態(tài)可重構的硬件實現(xiàn)如圖1所示，為了保證FPGA配置的可靠性，本文采用了FPGA外部單元控制配置流程的實現(xiàn)方式。一個基本的實現(xiàn)結構除了被配置的FPGA外，需要有配置控制模塊、配置接口模塊和配置存儲模塊這3個部分。其巾配置控制模塊一般由DSP、單片機、ARM處理器或者PowerPC選擇，主要功能是從配置存儲模塊或者外部接口中獲取配置比特流文件，并在需要部分動態(tài)重構的時刻把配置比特流文件傳送到配置接口模塊。配置接口模塊一般由FPGA或者CPLD實現(xiàn)，功能是接收配置控制模塊傳輸?shù)呐渲帽忍亓?，進行相應的時序轉換，產生滿足FPGA配置時序的信號，從而對FPGA進行配置。配置存儲模塊一般是FLASH或者SDRAM，可以長期或者臨時保存多個配置比特流文件。

在圖1的結構中，配置接口模塊是實現(xiàn)的關鍵模塊，根據配置速度和穩(wěn)定性的要求，可以采用Slave SelectMap或者Slave Setial配置模式，從性能考慮，一般選擇Slave SelectMap這種并行配置模式，在配置時鐘最高50MHz、配置管腳32位的情況下，配置速度可以達到1．6Gb ps。在Slave SelectMap模式下，配置接口模塊和FPGA的管腳連接可以參考XilinxVinex-5 Configuration User Guide中相應章節(jié)，本文不再贅述。并根據如圖2所示的配置時序，來實現(xiàn)FPGA完全配置比特流文件的下載和功能實現(xiàn)。

在進行配置部分動態(tài)可重構比特流文件時，因為該比特流文件不像完整的配置比特流文件一樣具有文件頭，而是只有幀地址、配置數(shù)據及校驗和，當所有配置內容傳輸?shù)紽PGA后，不會有DONE信號拉高來表示配置結束。在這種情況下，必須監(jiān)視傳輸來的配置數(shù)據，當出現(xiàn)部分重配置文件的結束標志DESYNCH(0000000D)時，就可以判斷部分重構流程結束，可以運行新的重構模塊。

3 基于FPGA部分動態(tài)可重構的信號解調系統(tǒng)開發(fā)流程

3．1 FPGA模塊劃分

在完成了支持FPGA部分動態(tài)可重構的硬件實現(xiàn)后，下面開始規(guī)劃信號解調系統(tǒng)的FPGA設計架構。如圖3所示，信號解調系統(tǒng)主要由信道化模塊，可重構解調模塊和數(shù)傳接口模塊組成。

信道化模塊主要是把AD數(shù)據進行信道化處理，進行濾波，下變頻、信道選擇和抽取。可重構解調模塊是針對不同調制樣式的分別實現(xiàn)不同的解調模塊，并根據實際需要進行部分重構。數(shù)傳接口模塊是把解調的結果傳輸?shù)紽PGA外，進行后續(xù)處理和在界面中顯示。

3．2 FPGA模塊的設計和實現(xiàn)

按照圖3所示的結構，按照下面步驟進行基于部分動態(tài)可重構技術的FPGA程序設計：

1)把需要部分重構的FPGA模塊設計為一個空盒，即只有輸入輸出管腳，沒有實際內容的空模塊。在進行空模塊的管腳規(guī)劃時要綜合考慮多種解調樣式下的接口兼容性，保證一個模塊接口能涵蓋需要處理的所有樣式。

2)分別完成不需要部分重構的FPGA予模塊，并完成FPGA頂層模塊。

3)對FPGA頂層模塊進行綜合，產生頂層網表。

4)按照步驟1)中的模塊定義格式完成針對不同調制模式的解淵模塊，如qpsk_demod，fsk_demod等，并通過仿真驗證，然后逐模塊分別綜合成單獨的模塊網表文件，保存到不同的目錄中。

5)在PlanAhead工具中導入FPGA頂層網表，注意在導入選項中選擇支持部分重構。在PlanAhead工具中把2個空的可重構解調模塊設定為可重構分區(qū)(ReconfigurablePartition)，如圖4所示，并把步驟4)中綜合好的模塊網表指定為可重構模塊下的可選內容。

6)在PlanAhead工具的Device視圖中，對可重構模塊劃分分區(qū)(PBlock)，目前分區(qū)只支持矩形，要求分區(qū)包含的資源數(shù)目略大于解淵模塊所需資源的最大值，其中包括邏輯資源(查找表和寄存器)，乘法器(DSP48E)和RAM資源。

7)根據對2個可重構解調模塊的不同配置，產生多個配置文件，配置文件的一個例子如表1所示，并逐一進行布局布線，產生完整的配置比特流文件和用于部分重構的比特流文件。對于每一組配置文件，會產生一個包含靜態(tài)邏輯的完整配置比特流文件，和2個用于部分重構的比特流文件，分別對應2個不同的分區(qū)，配置加載時不能隨便互換。

8)對表1中配置文件進行設計規(guī)則檢查比較，保證各組配置文件生成的完整配置的比特流文件是一致的。
9)完成以上設計后，首先調用任意一個完整配置文件進行加載，保證FPGA成功運行靜態(tài)邏輯，然后根據需要，選擇表1中的配置文件表中的任何1組，進行部分動態(tài)加載。

4 應用結果

以上設計經過實際驗證，可以實現(xiàn)2路信號在不同調制樣式的解調，當信號樣式變化時，動態(tài)加載相應的解調模塊，可以迅速完成功能切換，實現(xiàn)對應的解調功能。經過實際測試，部分動態(tài)可重構模塊的加載速度存10 ms以內，極大的提高了原有系統(tǒng)的性能。

5 結論

目前國際上對FPGA可重構技術的研究極為廣泛，本文介紹了一種基于Xilinx FPGA的部分動態(tài)可重構技術的信號解調系統(tǒng)，可以把不同的解調模塊定位到芯片內部同一邏輯資源部分，通過重構這些資源來實現(xiàn)不同樣式信號的解調，同時保持其他部分電路功能正常運行，從而提高了系統(tǒng)的適應能力。

本系統(tǒng)可以存通信系統(tǒng)中得到應用，對航天、電力等領域的類似系統(tǒng)也有參考價值，可以提高相應系統(tǒng)的靈活性和擴展性，減低系統(tǒng)功耗，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。