一款基于FPGA的无线电系统教学平台

利用赛灵思Spartan-6器件和一些外设组件轻松为学生和新手构建一款有趣的演示平台。

我们近期打算北京理工大学开发一款数字设计教学平台，它能展现FPGA在通信和信号处理领域的实际效用。这个平台要直观易用，能帮助学生了解数字设计的各个方面，同时还要便于学生针对自己独特的系统设计进行定制。

当时我们电子工程系进就能否用FPGA的I/O引脚作为比较器或直接采用1位模数转换器展开了一场激烈辩论。我们决定验证一下前提条件，试图在XRadio平台设计中采用FPGA比较器。该平台就是我们采用赛灵思低成本Spartan®-6 FPGA和一些常见外设组件设计而成的一个全数字FM无线电接收器。去年赛灵思大学计划（XUP）总监Patrick Lysaght刚好来北京理工大学访问，我们借机向其演示了这款能正常工作的无线电。这款设计的简易性给他留下了深刻印象，他鼓励我们在全球学术社区上分享XRadio设计经历。

系统架构

我们几乎完全用FPGA来构建XRadio平台，省略了放大器或分立滤波器等传统模拟组件的使用（如图1所示）。首先，我们将用电线连接成的简单耦合电路链接至FPGA的I/O引脚，创建出基本天线。该天线用于发射RF信号到FPGA，FPGA通过数字下变频和频率解调实现FM接收器的信号处理。我们随后通过I/O引脚向耳机输出音频信号。我们添加机械旋转增量解码器来控制XRadio的调频和音量。我们设计该系统可让调频和音量信息显示在7段LED模块上。

图2显示了FPGA的顶层逻辑方框图。在这个设计中，耦合到FPGA输入缓冲器的RF信号量化为1位数字信号。量化的信号乘以数控震荡器（NCO）生成的本地震荡信号，倍频后的信号经滤波可得到正交IQ（同相正交）基带信号。它随后通过频率解调器和低通滤波器从IQ信号获得音频数据流。

 

实现细节

我们要解决的第一大难题就是如何将天线接收到的信号耦合到FPGA。在首次试验性设计中，我们将FPGA I/O配置为标准单端I/O，然后我们用电阻R1和R2构建分压器，以在FPGA引脚处的VIH和VIL之间生成偏置电压。天线接收的信号可通过耦合电容C1来驱动输入缓冲器。由内部240MHz时钟驱动的D触发器的两级负责对该信号进行采样。触发器输出端获得等间隔的1位采样数据流。

数据流随后进入脉宽调制（PWM）模块，在其输出端上生成脉冲信号。脉冲信号经过滤波，可得到驱动耳机的比例模拟值。我们将控制器模块连接到机械旋转增量编码器和LED。该模块从增量编码器获得脉冲信号，以调节NCO的输出频率以及PWM模块控制的音频音量。

为了测试这个电路，我们将结果馈送给另一个FPGA引脚并用频谱分析仪进行测量，看看FPGA是否能准确接收信号。不过，它工作得并不好，因为分析器显示Spartan-6 FPGA的输入缓冲器有一个较小的120毫伏磁滞电压。虽然磁滞一般来说有利于避免噪声，但在本应用中我们并不希望有磁滞。我们必须想办法提高信号强度。

该设计大幅降低了信噪比，这是因为1位采样生成的噪声量化的结果。不过4个台在背景噪声下仍能正常收到。因此我们能证明这样一个理论，那就是FPGA的I/O引脚能用作比较器或XRadio中的1位模数转换器。

为了解决这一问题，我们发现差分输入缓冲器（IBUFDS）原语在正负终端之间灵敏度极高。我们的测试显示低至1 mV的峰至峰差分电压足以让IBUFDS在0和1之间摆动。图3显示了所设计的输入电路。在本实现方案中，电阻R1、R2和R3在IBUFDS的终端P和终端N处生成普通电压。接收到的信号通过耦合电容C1馈送给终端P（sidefile:///app/ds/）。AC信号经N侧的C2电容滤波后，其可用作AC基准信号。就此电路而言，FPGA将FM广播信号成功转换为1位数据流。

无线电能收到强度不同的大约7个FM频道，包括103.9MHz北京交通台。该设计大幅降低了信噪比，这是因为1位采样生成的噪声量化的结果。不过4个台在背景噪声下仍能正常收到。因此我们能证明这样一个理论，那就是FPGA的I/O引脚能有效用作比较器或XRadio中的1位模数转换器。

就数字下变频而言，我们采用DDS Compiler 4.0 IP核构建数控振荡器，其系统时钟为240-MHz。正弦和余弦输出频率介于87MHz—108 MHz之间。NCO生成的本地振荡器信号乘以1位采样流，并通过低通滤波器获得正交基带信号。这里，我们采用CIC Compiler 2.0 IP核来构建三阶低通CIC抽取滤波器，其向下采样率R=240。由于滤波的基带正交信号为窄带信号，采样率降至1 MSPS。

图4显示了可将IQ基带信号频率转换为音频信号的频率解调器。我们用ROM中的查找表提取IQ数据的瞬时相位角。整合IQ数据并用作ROM地址。随后ROM输出相应复角(complex angle)的实部和虚部。接下来我们进行差异操作，按一下触发器，就会延迟相角数据。从原始数据中减去非实时数据，所得结果刚好为所需的音频数据。为了改进输出信噪比，我们通过低通滤波器用简单平均法对音频信号进行滤波。

频率解调器的8位音频数据流输出可根据音量控制参数缩放，并发送到8位PWM模块。PWM脉冲的占空比反映了音频信号的强度。脉冲在FPGA的I/O引脚处输出，且通过电容驱动耳机。这里，耳机发挥低通滤波器的作用，去除音频信号中残余的脉冲的高频成分。

两个旋转增量编码器控制无线电的频率和音量。每个编码器输出两个脉冲信号。旋转方向和速度可由脉冲宽度和相位确定。状态机和计数器可将旋转状态转变为频率控制字和音量控制字。与此同时，对频率音量值进行解码，并显示在7段LED上。

定制余地

XRadio平台的印刷电路板如图5所示。利用Spartan-6 XC6SLX9 FPGA，您可设计出一个只占很少一部分FPGA逻辑资源的广播节目，如表1所示。这就意味着学生们可以定制设计并加以改善。举例来说，就1位采样而言，XRadio的音质不如标准FM无线电，不过这给学生们留下了很大的遐想空间，让他们设法如何改进XRadio音质以及如何实现立体声。

图5 – 合著者、研究生Xingran Yang展示工作模型