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如何用FPGA实现一个通信系统的发射端&接收机?

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发表于 2024-9-10 19:04:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 眼镜一米二 于 2024-9-10 19:06 编辑

叁芯智能科技FPGA就业班09月开班中


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。


FPGA技术交流群目前已有十多个群,QQ和微信均覆盖,有需要的大侠可以进群,一起交流学习,共同进步。


欢迎加入FPGA技术微信交流群14群!


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。





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