如何用FPGA实现一个通信系统的发射端&接收机？

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今天给大侠带来在FPAG技术交流群里平时讨论的问题答疑合集（八），以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

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交流问题（一）

Q：用FPGA实现一个通信系统（5GHz频段，通信距离越10km）的发射端&接收机，如何规划学习路线？

完全0基础（略懂verilog语法和通信原理）的人该怎么一步步学习？

A：对于这个问题，分两部分回答，一部分是如何设计以及思路，另一部分是规划学习路线。拙见，仅供参考。

如何设计以及思路如下：

以下是使用 FPGA 实现一个通信系统（5GHz 频段，通信距离约 10km）的发射端和接收机的大致步骤：

发射端：

1. 数字信号生成：使用 FPGA 内部的逻辑资源生成要发送的数字信号，例如编码、调制等。

2. 上变频：将基带数字信号通过数字上变频模块转换到 5GHz 频段。

3. 功率放大：使用外部功率放大器对射频信号进行放大，以满足传输距离的要求。

4. 滤波：在信号输出之前，使用滤波器对信号进行滤波，以减少带外噪声和干扰。

接收机：

1. 低噪声放大：接收端首先使用低噪声放大器对微弱的接收信号进行放大。

2. 下变频：将 5GHz 的射频信号通过数字下变频模块转换到基带。

3. 解调与解码：在 FPGA 中实现解调和解码逻辑，恢复原始的数字信号。

4. 同步与均衡：处理信号的同步问题，并进行均衡以补偿信道的失真。

在实际实现中，还需要考虑以下关键技术和要点：

1. 时钟管理：确保 FPGA 内部的时钟稳定和准确，以支持高速的数据处理。

2. 资源优化：合理分配 FPGA 的逻辑资源、存储资源和乘法器等，以满足系统性能要求。

3. 信道估计与补偿：根据信道特性进行估计和补偿，提高通信质量。

4. 接口设计：与外部的射频前端器件和其他系统模块进行有效的接口设计。

以下是学习规划：

对于零基础但略懂 Verilog 语法和通信原理的人，以下是一个规划的学习路线来用 FPGA 实现一个 5GHz 频段、通信距离约 10km 的通信系统的发射端和接收机：

1. 深入学习数字通信原理

• 掌握调制解调技术，如 QPSK、QAM 等。

• 理解信道编码与解码，如卷积码、Turbo 码等。

• 研究同步技术，包括载波同步、位同步和帧同步。

2. 学习 FPGA 开发技术

• 熟悉 FPGA 的开发流程，包括设计输入、综合、实现、仿真等。

• 掌握常用的 FPGA 开发工具，如 Vivado、Quartus 等。

• 练习使用状态机、流水线等设计技巧来优化 FPGA 逻辑。

3. 研究射频通信基础知识

• 了解射频信号的特性，包括频率、功率、带宽等。

• 学习射频电路的基本组成和工作原理。

4. 学习数字信号处理（DSP）在通信中的应用

• 掌握数字滤波器的设计与实现。

• 了解均衡技术和自适应算法。

5. 研究通信协议和标准

• 了解相关的通信协议，如 Wi-Fi、LTE 等的物理层规范。

6. 实践项目

• 从简单的通信模块开始，如实现一个简单的调制器或解调器。

• 逐步构建完整的发射端和接收机系统，进行功能仿真和硬件验证。

7. 学习高速接口和数据传输

• 掌握高速串行接口，如 LVDS、SerDes 等。

8. 优化与调试

• 学习如何对设计进行性能优化，降低功耗和资源占用。

• 掌握调试技巧，解决实际开发中遇到的问题。

在学习过程中，要多参考相关的书籍、论文、开源项目，效率会更高一些。

交流问题（二）

Q：Cyclone IV系列FPGA 上电配置期间 GPIO什么状态？

使用 Cyclone IV 系列 FPGA 设计的时候想到一个问题，FPGA 上电到进入用户模式前（配置完成），GPIO 处于什么状态？

首先查阅官方手册，意思是上电直到进入用户模式期间，GPIO处于高阻状态（即FPGA不驱动GPIO）。

另外说GPIO有弱上拉电阻，在上电和配置期间，上拉电阻使能。

我的理解是FPGA上电到进入用户模式期间，GPIO在悬空（不接任何外设）的时候，用示波器测量应该是高电平（内部上拉）。

正好手里有FPGA的板子，我将FPGA配置成从串（ps）加载模式，上电后FPGA处于等待加载的状态，实际测量FPGA的GPIO（悬空的，没有特殊功能的），（示波器测量）发现有的为高电平，有的为低电平。完了，迷糊了。

理论上应该都是高电平，实测有高有低，理论错了？还是实践错了？有没有大神给些建议？

A：Cyclone IV系列FPGA在上电配置期间，GPIO引脚处于高阻态，即FPGA不会驱动这些引脚。同时，这些引脚具有内部弱上拉电阻，在上电和配置期间，上拉电阻使能。因此，在FPGA上电到进入用户模式前，GPIO在悬空（不接任何外设）的时候，用示波器测量应该是高电平（内部上拉）。

你在实测FPGA的GPIO时，发现有的引脚为高电平，有的引脚为低电平。出现这种现象，可能是因为示波器测量的方法有误，或者是板子本身存在问题。你可以试试下面方法来解决这个问题：

1. 检查测量方法：确保示波器的探头与GPIO引脚连接良好，并且示波器的设置正确。你可以参考示波器的使用手册，了解如何正确测量电平信号。

2. 检查板子：检查板子上的电路连接是否正确，是否存在短路或断路的情况。你可以使用万用表等工具来检查电路的连通性。

3. 更换FPGA芯片：如果以上两种方法都无法解决问题，那么可能是FPGA芯片本身存在问题。你可以更换一块FPGA芯片，重新进行测试。

交流问题（三）

Q：如何理解傅里叶域锁模(FDML)激光器?

FDML是所有模式一起振荡，那是如何完成在不同时间发出不同波长的光?光在腔内走一圈的时间等于滤波器调到下一波长的时间，所有波长分量一起走的话，滤波器什么时候调到让波长1通过什么时候让波长2通过呢?

A：傅里叶域锁模激光器是一种新型的扫频激光器。它是一种基于光纤环形结构的激光器，由光放大器作为增益介质，光纤法布里-珀罗腔作为可调谐窄带光滤波器。在该激光器中可以确保各色光在谐振腔内同时谐振，缓解了瞬时线宽与调谐速度之间矛盾，而且相较于其它类型的扫频光源可以实现更高速的速度。

在 FDML激光器中，通过在可调谐滤波器上加载周期性的电驱动信号（如三角波或正弦波），可以实现滤波器中心波长的周期性扫描。这种周期性扫描使得激光器能够在不同时间输出不同波长的光。

具体来说，当激光器工作时，光在腔内循环传播。由于可调谐滤波器的中心波长在周期性地扫描，因此只有与滤波器中心波长匹配的光才能通过滤波器并被放大输出。随着时间的推移，滤波器的中心波长不断变化，从而实现了在不同时间发出不同波长的光。

此外，光在腔内走一圈的时间等于滤波器调到下一波长的时间，这是因为光在腔内的传播速度是固定的，而滤波器的调谐速度也是固定的。因此，光在腔内走一圈的时间与滤波器的调谐周期相等。

需要注意的是，FDML激光器的输出特性还受到多种因素的影响，如滤波器的带宽、光放大器的增益、腔内损耗等。因此，在实际应用中，需要对激光器进行优化和调整，以获得所需的输出特性。

交流问题（四）

Q：想用verilog写一个npu 需要什么学习路线?

A：如果想用 Verilog 编写一个 NPU（神经网络处理单元），以下是一个可能的学习路线：

1. 数字电路基础：深入学习数字逻辑、组合逻辑和时序逻辑等基础知识。

2. Verilog 语言：熟练掌握 Verilog 的语法、数据类型、模块结构和编程技巧。

3. 计算机体系结构：了解计算机的基本组成、指令集架构、存储系统等。

4. 数字信号处理：掌握信号处理的基本概念和算法，如滤波、卷积等。

5. 深度学习基础：学习神经网络的基本原理、常见结构（如卷积神经网络、循环神经网络等）和训练方法。

6. 并行计算：了解并行处理的概念和技术，包括硬件并行和算法并行。

7. 硬件优化技术：学习如何在硬件实现中进行资源优化、性能提升和功耗降低。

8. 特定的 NPU 架构研究：分析现有的 NPU 架构，了解其设计思路和特点。

9. 算法到硬件的映射：掌握将深度学习算法转换为硬件实现的方法和技巧。

10. 实践项目：通过实际的项目开发来积累经验，不断优化和改进设计。

等等……

今天先整理四个问题答疑，后续还会持续推出本系列。