基于FPGA的SOPC系统DAB发射端硬件实现

1.引言

DAB发射机是数字音频广播(DigitalAudio Broadcast,DAB)重要组成部分.

DAB技术是欧洲尤里卡项目之一，目前已经非常成熟.DAB采用先进的数字技术，正交分频复用技术(OFDM)，能以极低的数据传输率及失真下传送CD质量之立体声节目，可解决传统模拟广播接收不良及干扰问题.DAB发射系统包括信源编码.信道编码.时间交织.频率交织.OFDM调制和射频部分.射频部分包括上变频和增益放大，用来把基带信号搬移到发射频率上并将其放大.

FPGA技术不断进步，成本和功耗不断下降的同时性能和容量在大幅上升，FPGA也代替MCU越来越多的嵌入到系统中去.

为了便于系统集成，本文设计FPGA系统嵌入到DAB发射系统中，使得开发变得方便灵活，同时也降低了成本.

2.FPGA的SOPC系统构成

本文设计了用于DAB发射端的SOPC系统，该系统硬件框图如图1所示.系统中FPGA采用ALTERA公司的CycloneIII系列芯片EP3C16Q240C8N.FPGA中的NiosII软核处理器完成数据的控制和指令传送，还可以在FPGA上实现OFDM调制.配置芯片选用EPCS16,片外扩展存储器为IS42S16100-7T.框图中，功能电路是用来实现DAB发射功能的，它包括数字上变频(其中已经包括A/D和D/A转换).信号放大.USB传输等.

根据DAB发射系统设计可以得出系统中各个单元所需的资源：逻辑单元.寄存器.引脚.内存.乘法器单元.锁相环分别为8839.4719.104.202752bits.6和1.这款芯片为QPFP封装，芯片资源见表1.

2.1 配置电路

FPGA芯片按配置速度快慢依次为：

Active parallel(AP)模式.Fast passiveparallel(FPP)模式.Active serial(AS)模式.Passive serial(PS)模式.另外还有用于调试的Joint Test Action Group(JTAG)模式.本文FPGA同时配置AS模式和JTAG模式.

根据cycloneIII的数据手册，配置方案由MSEL引脚决定.当使用AS和JTAG两种方式时，MSEL[3:0]为“010”.如图2所示为ATERA给出的AS和JTAG配置电路.

AS模式是指FPGA的EPCS控制器发出读取数据的信号，从而把串行FLASH(EPCS系列芯片)的数据读入FPGA中，实现对FPGA的编程.配置数据通过FPGA的DATA0引脚送入，数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据.本文中选取的配置芯片EPCS16SI8,有16Mbits的存储空间，可以支持DCLK时钟工作在20MHz和40MHz.

JTAG接口是一个业界标准接口，主要用于芯片测试等功能.ALTERA的FPGA基本上都可以支持JTAG命令来配置FPGA的方式，而且JTAG配置方式比其他任何方式优先级都高.JTAG模式是将配置数据存储在SRAM,掉电后需重新下载.它与FPGA的接口有4个必需的信号TDI,TDO,TMS和TCK以及1个可选信号TRST构成.

2.2 外部存储器电路

SDRAM比FLASH速度快，比SRAM存储空间大，在FPGA系统中一般把SDRAM作为NIOS处理器的RAM和程序运行空间.本文中选择IS42S16100-7T这款SDRAM作为FPGA的外部存储器.IS42S16100-7T的信号电压为3.3V,有16Mbits的存储空间，最大速度可达到143MHz.在SOPC Builder里根据时序参数表设置SDRAM控制器.

S D R A M的时钟应该和系统使用同一个PLL输出时钟，调试SDRAM和NIOSII的关键在于相位差，根据DAB发射系统，由F P G A的专用P L L时钟引脚输出系统时钟65.536MHz,相位差计算如下：

2.3 FPGA电源电路和时钟电路

稳定的工作电源是各个芯片和模块正常工作的前提，电源的稳定性也影响着器件的工作性能.FPGA芯片供电电压包括内核电压.I/O电压.PLL模拟电压.PLL数字电压和电压参考信号的参考电压.对于CycloneIII系列芯片来说，它的PLL模拟电压比CycloneII要高为2.5V.这些电压中数字电压与模拟电压要分开使用不同电源，并使用磁珠对其进行隔离.

为了滤除高频噪声，需要在芯片电源引脚与地之间加0.1f退耦电容.退耦电容在PCB板上要紧靠芯片电源引脚放置.

本文中的DAB发射板由AC/DC电源适配器提供电源，输入为100V-240V/50Hz-60Hz的交流电，输出为7.5V/3A的直流电.采用1117LDO稳压电源作为电源转换芯片，最大1A输出电流，固定输出1.2V.1.8V.2.5V.3.3V,为FPGA芯片以及系统中其他芯片提供电源.

文中采用24.576MHz的有源晶振作为系统的时钟，DAB发射电路的系统时钟为65.536MHz,由24.576MHz的经过SOPC系统中的PLL获得.此时钟也作为AD9957的标准时钟.

3.功能电路

3.1 射频模块

射频模块完成数字上变频和信号增益放大.

数字上变频是指把数字基带信号搬移到射频中心频率，然后转换成模拟信号发射出去.本文中的数字上变频模块是AD9957是ADI公司推出的一款高性能的数字正交上变频器件，内置14bitDAC模块，内部系统时钟最高可达1GSPS,其功耗减小到50%以上.根据采样定理，一般要求DDS(数字频率合成器)产生的载