無線通信,、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了無線傳感器的普及和應(yīng)用,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器構(gòu)成，大量節(jié)點(diǎn)協(xié)作和感知,，收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋領(lǐng)域內(nèi)感知對(duì)象的相關(guān)信息,，并且將信息傳送給需要的用戶，具有自組織,、容錯(cuò)能力,、微型化三大特點(diǎn)[1-2]。盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自組織性和容錯(cuò)能力,，但信道傳輸中也面臨著一些問題,，尤其是在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中，無線信號(hào)存在路徑幅度衰減,、小尺度衰落,、電波極化偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象[3]。因此,，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道信號(hào)進(jìn)行整形濾波十分必要,。

    其他學(xué)者對(duì)波形整形濾波器的研究與設(shè)計(jì)有很多豐富的案例和先進(jìn)的理論分析,，但是在波形濾波器的靈活性,、精度、易實(shí)現(xiàn)等方面仍有改進(jìn)的空間,。面對(duì)當(dāng)前SoC嵌入式設(shè)計(jì)潮流,，如何設(shè)計(jì)一種靈活、便于配置和易于生成IP核的信道波形整形濾波器是一件急需解決的問題,。
    本文基于DE2開發(fā)板,，利用QuartusII開發(fā)環(huán)境，在Altera公司CycloneII系列EP2C35芯片中,，設(shè)計(jì)了WSN信道波形數(shù)字整型濾波器,，該設(shè)計(jì)方法原理清晰，設(shè)計(jì)周期短,，便于形成IP核以及集成應(yīng)用,，具有重要的教學(xué)和科研價(jià)值。
1 波形整形濾波器總體設(shè)計(jì)方案
1.1 基于查表法的波形整形方案
    波形整形濾波器是將輸入數(shù)字序列變?yōu)檩敵雒}沖序列的數(shù)字信號(hào)處理器,，是語音與圖像處理,、模式識(shí)別和譜分析等應(yīng)用中的一種基本的處理部件。整形濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種,，如窗函數(shù)設(shè)計(jì)法,、頻率取樣法,、逼近法、查表法等[4-5],。
    查表法是基于FPGA的DDS技術(shù),，可在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的信號(hào)產(chǎn)生和控制，只要改變存儲(chǔ)波形信息的ROM數(shù)據(jù),，就可以靈活地實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器[6],。用FPGA實(shí)現(xiàn)DDS比較靈活，可以產(chǎn)生多種調(diào)制方式,，本文基于查表法設(shè)計(jì)波形整形濾波器的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示,。

2.2 波形整形濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)
2.2.1 頻率選擇
    基于直接頻率合成技術(shù)的波形整形濾波器，其輸出波形的頻率由兩方面決定：一方面是由頻率控制字(即波形輸出的步長)決定,；另一方面是由波形點(diǎn)輸出的固有頻率決定,。本文設(shè)定基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為131 kHz，累加器為8 bit,，頻率控制字的字長K=4,，經(jīng)計(jì)算輸出波形的頻率fout=2 048 Hz。
2.2.2 初相位選擇
    對(duì)于產(chǎn)生的波形的初相的控制,，設(shè)定一個(gè)輸入控制端,，通過控制端的不同狀態(tài)給波形添加不同的初相。其原理是對(duì)相頻累加器的初次輸出加上一個(gè)特定的值,。在本文中無法實(shí)現(xiàn)初相的任意值設(shè)定,，只是設(shè)定了幾個(gè)特定的初相供選擇以驗(yàn)證理論和方法的正確性。
2.2.3 幅度選擇
    設(shè)計(jì)要求中規(guī)定波形的最終輸出幅度值應(yīng)能夠按照1～4倍的大小調(diào)節(jié),，故本設(shè)計(jì)在最后輸出前增加了一個(gè)幅度可調(diào)節(jié)部分,。將相位幅度轉(zhuǎn)換成功后的值乘上一個(gè)要求的調(diào)幅系數(shù)即為最終的波形輸出。
2.3 原代碼編譯
2.3.1 擴(kuò)頻模塊
    系統(tǒng)由頻譜擴(kuò)展模塊和數(shù)據(jù)波形整形模塊組成,。利用擴(kuò)頻模塊對(duì)原來的頻率進(jìn)行編碼,，并將編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行256倍擴(kuò)頻，再按照4倍內(nèi)插根升余弦成型濾波,，成形濾波后按4路并行輸出,，以滿足并行輸入DA的要求。通過擴(kuò)頻后的信號(hào)波形具有抗截獲性能強(qiáng),、抗多徑干擾能力強(qiáng),、便于實(shí)現(xiàn)多址通信擴(kuò)頻信號(hào)等特性。
    擴(kuò)頻信號(hào)就是將信號(hào)的帶寬擴(kuò)展,，使其性能提高,，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文采用直接擴(kuò)頻的方式,，即使用偽隨機(jī)的碼序列,，將波形序列進(jìn)行256倍擴(kuò)頻,，從而易于在接收端得到較好性能的波形。擴(kuò)展頻譜模塊原理圖如圖3所示,。

    將頂層文件進(jìn)行全編譯仿真之后,，在Quartus II的工具欄選擇“Tools”，點(diǎn)擊“Netlist Viewers”下的“RTL Viewer”之后顯示本設(shè)計(jì)的邏輯原理圖,，如圖5所示,。先通過擴(kuò)頻模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插和擴(kuò)頻處理，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整形處理,，實(shí)現(xiàn)4路平行輸出,。

3 系統(tǒng)功能調(diào)試和仿真
3.1 系統(tǒng)調(diào)試
    根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，調(diào)試過程共分3大部分：硬件調(diào)試,、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試,。電路用FPGA/CPLD實(shí)驗(yàn)箱按模塊調(diào)試，各模塊逐個(gè)調(diào)試通過后再進(jìn)行綜合調(diào)試,。
3.1.1 軟件調(diào)試
    本系統(tǒng)的軟件功能強(qiáng)大,，采用Verilog語言編寫。先在Quartus II里對(duì)所編的模塊逐一進(jìn)行仿真,，排除語法的編寫錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)邏輯思維的錯(cuò)誤,；當(dāng)仿真完確認(rèn)程序沒問題時(shí)，直接下載到FPGA芯片,，用FPGA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試,。采取自底向上的調(diào)試方法，即先單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊,，然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,。
3.1.2 硬件調(diào)試
    在控制電路的調(diào)試中,，對(duì)輸入,、輸出進(jìn)行分析，可以知道時(shí)序仿真結(jié)果是否與實(shí)際結(jié)果相符合,，以便找出硬件設(shè)計(jì)電路中存在的故障,。再調(diào)試D/A轉(zhuǎn)換是否正常。
    為提高電路的抗干擾性能,，本文采取了一些抗干擾相關(guān)措施,。如接線時(shí)的線要盡量短，減少交叉,，每個(gè)芯片的電源與地之間接有去擾電容,，數(shù)字與模擬地要分開。實(shí)踐結(jié)果表明,，此措施對(duì)于消除個(gè)別引腳上的“毛刺”和高頻噪聲方面都得到了較佳的效果,。
    對(duì)于運(yùn)算放大器進(jìn)行選擇時(shí),，通常輸出頻率可以達(dá)到上千赫茲，這就要求放大器的帶寬滿足特定要求,。所以,，在進(jìn)行調(diào)試濾波的電路和進(jìn)行緩沖的輸出電路中，通常都選擇高速,、寬帶運(yùn)算放大器,。
3.1.3 綜合調(diào)試
    在JTAG模式下，配置數(shù)據(jù)由主機(jī)直接裝載進(jìn)FPGA器件的配置SRAM中,，之后只要不掉電FPGA將一直保持配置后的電路功能,。在AS模式下，配置數(shù)據(jù)則被裝載到一個(gè)與FPGA相連的配置器件中,，之后在加電或重新配置時(shí),，這些數(shù)據(jù)可自動(dòng)通過配置器件裝載進(jìn)FPGA，因此FPGA的電路功能可不受掉電影響,。這里使用JTAG模式,，先確認(rèn)DE2板上的SW19(RUN/PROG)開關(guān)位于RUN位置；然后使用USB線,，一端連接到開發(fā)板的J9(BLASTER)口,，另一端連接到計(jì)算機(jī)的USB口，開發(fā)板加電,。
    測(cè)試時(shí),，把一個(gè)被干擾的模擬信號(hào)輸入ACD中，采樣得到的數(shù)據(jù)通過FPGA和USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,，然后用示波器顯示其時(shí)域和頻域圖形,，開發(fā)板上電并與電腦連接。在Quartus II里選擇菜單項(xiàng)“Tools”中的“Programmer”,。編程器界面顯示了當(dāng)前檢測(cè)到的編程線纜,，對(duì)于DE2板應(yīng)為USB-Blaster。如果未顯示,，則點(diǎn)擊“Hardware Setup”按鈕查看并檢查線是否插好,。
    配置模式選擇JTAG，然后找到與工程對(duì)應(yīng)的.sof文件(SRAM Object File),，在“Program/Configure”一欄打勾,。點(diǎn)擊“Start”開始配置。點(diǎn)擊“確定”,，完成FPGA器件的配置,。此后，切換開關(guān)SW0和改變按鍵KEY0的狀態(tài)可以正確控制LEDG0的亮與滅，說明整個(gè)設(shè)計(jì)過程正確,。
3.2 仿真結(jié)果
    將仿真出來的vwf文件轉(zhuǎn)化成Matlab可以讀取的數(shù)據(jù)文件送到Matlab中查看結(jié)果,。可以把vwf文件另存為tbl文件,，這個(gè)文件的格式很簡單(功能仿真時(shí)),，在Matlab中編寫簡單的程序就可讀出仿真結(jié)果，反過來也可以在Matlab中生成tbl文件然后轉(zhuǎn)化成vwf文件作為輸入,。在Matlab中輸出的結(jié)果如圖6所示,。

    本文針對(duì)模擬濾波器設(shè)計(jì)靈活性差且不能兼顧數(shù)據(jù)通信的并行和速度等問題，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道的特點(diǎn),，完成了基于FPGA的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道波形整形濾波器的設(shè)計(jì),。將要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行編程與時(shí)序仿真，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查表,，通過對(duì)存儲(chǔ)器中程序的調(diào)用以及對(duì)片選的設(shè)定和ROM中波形的調(diào)用,，輸出所想要的波形，實(shí)現(xiàn)了波形整形硬件平臺(tái)通過USB接口與主機(jī)的通信,。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,，該波形整形濾波器符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有低成本,、頻率可擴(kuò)展,、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，使用方便,。
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