可重構(gòu)結(jié)構(gòu)是一種可以根據(jù)具體運(yùn)算情況重組自身資源，實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)自身優(yōu)化,、自我生成的計(jì)算技術(shù),。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)可快速實(shí)現(xiàn)器件的邏輯重建，它的出現(xiàn)為處理大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題提供了一種兼具通用處理器靈活性和ASIC電路高速性的解決方案,。在筆者所從事的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，當(dāng)模擬器件的一些性能改變但又不能及時(shí)更新調(diào)整后端的數(shù)字基帶處理時(shí)，比如濾波器由于工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的溫漂特性所帶來(lái)的影響,，此時(shí)就可以用可編程模擬器件替代一部分前端固定模擬器件,，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)的對(duì)FPGA模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)可重構(gòu)操作，最終達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化,。

　　可編程模擬器件

　　可編程模擬器件是近年來(lái)嶄露頭角的一類(lèi)新型集成電路,。它屬于模擬集成電路，即電路的輸入,、輸出甚至內(nèi)部狀態(tài)均為隨時(shí)間連續(xù)變化且幅值未經(jīng)過(guò)量化的模擬信號(hào),；同時(shí)，該類(lèi)器件又是現(xiàn)場(chǎng)可編程的，即可由用戶(hù)通過(guò)改變器件的配置來(lái)獲得所需的電路功能,。為支持上述可編程能力,，可編程模擬器件需以可編程模擬單元(CAB)和可編程互連網(wǎng)絡(luò)(PIN)為核心，配合配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,、輸入單元,、輸出單元或輸入輸出單元等共同構(gòu)成[1](見(jiàn)圖1)。

圖1　可編程模擬器件組成框圖

　　多數(shù)可編程模擬器件在單一的+5V電源電壓下工作,，額定功耗為100mW量級(jí),。由于采取了特殊的措施，其輸入,、輸出線(xiàn)性范圍通?？蛇_(dá)到接近滿(mǎn)電源電壓量程；閉環(huán)帶寬已達(dá)到數(shù)百千赫到數(shù)十兆赫,；頻率失真度,、共模抑制比、內(nèi)部噪聲等指標(biāo)也已達(dá)到中,、高精度運(yùn)算放大器的水平,。

　　盡管模擬信號(hào)處理的精度低于數(shù)字信號(hào)處理方式，但仍能滿(mǎn)足許多重要應(yīng)用對(duì)計(jì)算精度的要求,，而所需的電路規(guī)模較小,，成本也較低。同時(shí)利用其可編程特性,，還可以實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)調(diào)諧和自動(dòng)增益控制,，顯著提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　相位檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)

　　TRAC(完全可重配置模擬電路)是英國(guó)FAS公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬器件系列產(chǎn)品的總稱(chēng),。它提供了一條從信號(hào)處理問(wèn)題出發(fā),，可解決各種常見(jiàn)的信號(hào)處理問(wèn)題。器件參考模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單元并加以擴(kuò)充,，使器件內(nèi)部的每個(gè)可編程模擬單元均具備加,、減、取負(fù),、對(duì)數(shù),、反對(duì)數(shù)、積分,、微分等8種運(yùn)算功能,，因此只需選定運(yùn)算的類(lèi)型和給出必要的參數(shù)，便可以很方便地完成對(duì)有關(guān)單元的設(shè)計(jì),，根本無(wú)須考慮單元電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具體細(xì)節(jié),。其內(nèi)部各單元之間采取自左向右固定連接的形式,，所有單元的輸入輸出端均引出至器件引腳上，并且允許利用各單元均具備的“直通”和“關(guān)斷”功能或者利用外接的“短路線(xiàn)”來(lái)修改這種基本連接[1](見(jiàn)圖2),。

圖2　TRAC器件結(jié)構(gòu)示意圖

　　在筆者所從事的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中,，由于需要從強(qiáng)信號(hào)背景環(huán)境中識(shí)別提取出微弱的信號(hào)，因而可利用TRAC器件構(gòu)成相敏檢測(cè)器,，并將其作為鎖存放大器的一部分,。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要電路像窄帶濾波器那樣工作,，除去大部分不希望要的強(qiáng)信號(hào)而僅允許待測(cè)的微弱信號(hào)通過(guò),。

　　圖3所示為相位檢測(cè)器的基本框圖。輸入信號(hào)和參考開(kāi)關(guān)信號(hào)具有相同的頻率和相位,。從所示的開(kāi)關(guān)輸出中可望得到一個(gè)全波整流信號(hào),，而且經(jīng)過(guò)低通濾波器后，便可得到和交流信號(hào)電位成比例的直流電壓輸出,。在實(shí)際應(yīng)用中,，輸入信號(hào)可能非常小，因此還需要加入前置放大級(jí)以支持精確的檢測(cè),。因?yàn)橥ǔＰ枰谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)連續(xù)改變參考信號(hào)的頻率,，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的直流輸出。同樣,，若需要檢測(cè)某個(gè)單一頻率,，則參考信號(hào)必須與待測(cè)輸入信號(hào)頻率相同,。由于相位檢測(cè)器也對(duì)相位敏感,，因此當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位相同時(shí)會(huì)得到最大的輸出電壓。

圖3　相位檢測(cè)器框圖

　　相位檢測(cè)器和低通濾波器一樣需要利用兩片TRAC器件來(lái)實(shí)現(xiàn),。而外部元件對(duì)于放大器和濾波器都是必不可少的,，所以必須對(duì)滿(mǎn)足條件的元件進(jìn)行合理取值。

可編程ADC的實(shí)現(xiàn)

　　認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)對(duì)其前端采用的高性能模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及模擬器件的要求都較高,，而FPGA在基帶數(shù)字信號(hào)處理方面又迫切需要?jiǎng)討B(tài)可重配置,。為了適應(yīng)以上要求，可以首先考慮使用可編程模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)ADC,，以下是兩種具體實(shí)現(xiàn)方法,。

　　FIPSOC混合信號(hào)片上系統(tǒng)

　　SIDSA公司的FIPSOC混合信號(hào)片上系統(tǒng)是快速開(kāi)發(fā)模擬、數(shù)字集成應(yīng)用的理想工具,。FIPSOC芯片包括內(nèi)嵌的增強(qiáng)型8051微處理器,、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)以及一組面向信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的可靈活配置的模擬單元。與分離的模擬,、數(shù)字FPGA方案相比,，采用FIPSOC混合信號(hào)片上系統(tǒng),，可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短30~40%。

　　可編程的模擬,、數(shù)字單元與8051的單片系統(tǒng)包括模擬單元,、轉(zhuǎn)換單元、可編程數(shù)字單元,、8051內(nèi)核和該系列中的所有器件具有兼容的存儲(chǔ)器分布,，其中轉(zhuǎn)換單元含有4路DAC(分辨率可配置為8至10位)，采用逐次逼近算法,，可利用這些DAC實(shí)現(xiàn)高達(dá)800KHz采樣率的ADC(見(jiàn)圖4),。

圖4　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的框圖

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊包含4個(gè)8位的逐次比較寄存器(SAR)，它可以和內(nèi)部的DAC聯(lián)合工作,，以獲得模/數(shù)轉(zhuǎn)換,。

　　每一個(gè)通道有一個(gè)獨(dú)立的SAR，它接收逐次比較的結(jié)果,，并驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的DAC,，每一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換可以獨(dú)立進(jìn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)換模塊編程為9或10位ADC轉(zhuǎn)換時(shí),，相應(yīng)的SAR形成組：9位ADC時(shí),，SAR1和SAR2為一組，SAR3和SAR4為一組,；10位ADC時(shí),，所有4個(gè)SAR形成一組。這時(shí),，成組的SAR各自工作1至2個(gè)周期,，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，SAR將其內(nèi)容寄存在輸入/輸出寄存器中,，并使能中斷產(chǎn)生模塊,。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，將啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換,。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,，可編程邏輯模塊可以獨(dú)立發(fā)布轉(zhuǎn)換命令，這將給本次以及下一次轉(zhuǎn)換帶來(lái)錯(cuò)誤,。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下,，這將導(dǎo)致致命錯(cuò)誤，因?yàn)殄e(cuò)誤是可以傳遞的,，并將得到不可預(yù)料的結(jié)果,。

　　其控制部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器。復(fù)合后,，8051核首先對(duì)可編程元胞進(jìn)行配置,，配置完畢后可以當(dāng)作一個(gè)通用的微處理器使用,。為了更好的支持FIPSOC的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)特性，已對(duì)其指令和功能單元做了一些改進(jìn),。

　CypressPSoC器件

　　Cypress半導(dǎo)體公司的PSoC混合信號(hào)架構(gòu)將可編程的模擬與數(shù)字模塊同8位微控制器進(jìn)行了完美集成,，這種獨(dú)特的功能組合使設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)各種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的靈活性。最新CY8C23x33器件采用8位逐次逼近ADC,，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)375Ksps的采樣率,。此外，該解決方案還具備可實(shí)現(xiàn)出色可配置性的26個(gè)GPIO,，能夠快速適應(yīng)不斷變化的特性要求,。該器件采用5x5mm的QFN封裝，能夠最大限度地縮小板極空間,。

　　PSoC器件集成了通過(guò)一個(gè)片上微控制器進(jìn)行控制的可配置模擬和數(shù)字電路,，提供更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)修改功能，并進(jìn)一步減少元件數(shù)量,。PSoC器件包括最大32Kb的閃存,、2Kb的SRAM、一個(gè)帶有32位累加器的8x8乘法器,、電源和睡眠監(jiān)控電路,，以及硬件I2C通信[2]。

　　所有的PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重配置的,，使得設(shè)計(jì)人員能夠隨意在運(yùn)行過(guò)程中改變內(nèi)部資源形式,，使用較少的元件完成既定任務(wù)。易用的開(kāi)發(fā)工具讓設(shè)計(jì)人員能夠選擇可配制程序庫(kù)元素來(lái)提供模擬功能(如放大器,、ADC,、DAC、濾波器和比較器),，以及數(shù)字功能(如定時(shí)器,、計(jì)數(shù)器,、PWM,、SPI和UART)。PSoC系列器件的模擬性能包括軌至軌輸入,、可編程增益放大器和分辨率高達(dá)14位的ADC,，以及超低的噪聲、輸入漏電流和電壓偏移,。

　　單個(gè)PSoC器件可集成多達(dá)100個(gè)外圍部件,，在提高系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省客戶(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)間,，縮減板級(jí)空間和功耗,，并使系統(tǒng)成本降低,。

　　接收機(jī)設(shè)計(jì)

　　基于以上分析的結(jié)果，結(jié)合前端硬件電路,，為實(shí)現(xiàn)一定的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電功能,，特設(shè)計(jì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。

圖5　接收機(jī)結(jié)構(gòu)

　　前端低噪聲放大器選用的是ADA4857-1,，這是一個(gè)超低損耗,、低功率、高速運(yùn)算放大器,，在SOIC結(jié)構(gòu)下的3dB帶寬可以達(dá)到750MHz,，其開(kāi)環(huán)增益為57dB，基本滿(mǎn)足此接收機(jī)對(duì)前端低噪聲放大器的要求,。在搭建電路時(shí)尤其要注意電源旁路,、寄生電容和外圍器件的選擇對(duì)充分發(fā)揮放大器性能的影響[3]。

　　DDS(直接頻率合成器)選用的是1GSPS的AD9858,，其使用先進(jìn)的DDS技術(shù)和一個(gè)內(nèi)置的高速,、高性能D/A轉(zhuǎn)換器組成數(shù)字可編程、完全高頻率的合成器,，可以產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)400MHz的模擬輸出正弦波,，完全滿(mǎn)足接收機(jī)對(duì)本振的要求。

　　混頻器,、帶通濾波器,、放大器和抗混疊濾波器都可以由Cypress的PSOC器件cy8c23x33來(lái)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。PSOC模擬系統(tǒng)包括一個(gè)8位SAR ADC和4個(gè)可配置模塊,，每個(gè)模擬模塊由一個(gè)運(yùn)算放大器電路組成,，允許模擬復(fù)信號(hào)流的建立。同時(shí),，模擬外圍部件非常容易被定制從而滿(mǎn)足特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需求,。PSOC可以分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)可編程帶通濾波器和一個(gè)低通濾波器以替代接收機(jī)前端需要的帶通濾波器和抗混疊濾波器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可選增益高達(dá)93dB的儀表放大器以替代中頻放大器,，一個(gè)乘加累積器提供了一個(gè)快速8位乘法器以替代混頻器,，以上可編程模擬器件均能基本滿(mǎn)足接收機(jī)前端性能要求。我們使用PSOC設(shè)計(jì)器進(jìn)行PSOC的工作配置,，寫(xiě)入使用PSOC的應(yīng)用程序并調(diào)試應(yīng)用,。拿放大器來(lái)舉例，首先在設(shè)計(jì)器中找到這個(gè)模塊并新建一個(gè)電路,，搭好外圍電路元件,，按照建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率和增益帶寬等幾個(gè)參數(shù)設(shè)定好初始值,，產(chǎn)生應(yīng)用程序代碼,，然后寫(xiě)入主程序和子系統(tǒng)的任何子程序,，如果所有程序正確，接著將產(chǎn)生一個(gè)HEX文件,，最后由PSOC設(shè)計(jì)器中的調(diào)試器執(zhí)行,，它下載HEX文件到在電路模擬器(ICE)中，至此一個(gè)可編程放大器設(shè)置完畢,，可以投入使用,。

　　可編程ADC本來(lái)可以由Cypress PSOC來(lái)實(shí)現(xiàn)，但PSOC實(shí)現(xiàn)的ADC采樣速率最多只有375 Ksps,，無(wú)法滿(mǎn)足認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)前端的帶寬要求,，因此可以考慮使用SIDSA公司的FIPSOC器件，同時(shí)后端基帶數(shù)字處理任務(wù)也可交由FIPSOC中的8051核和FPGA兼而實(shí)現(xiàn),。利用運(yùn)行于WINDOW環(huán)境下的集成化開(kāi)發(fā)工具,，進(jìn)行ADC的設(shè)計(jì)和編程，結(jié)合上面介紹的一部分內(nèi)容,，具體到ADC設(shè)計(jì)時(shí)還需要首先設(shè)置外部輸入/輸出引腳,、內(nèi)部輸入/輸出引腳和內(nèi)部信號(hào)的初始化數(shù)值，然后再對(duì)mP控制寄存器和靜態(tài)RAM進(jìn)行配置,，以達(dá)到所需要的性能要求,。數(shù)字宏單元(DMC)是FPGA的可編程數(shù)字單元，它是基于查找表結(jié)構(gòu)的可編程單元,，具有組合邏輯和時(shí)序邏輯資源,，而組合部分和時(shí)序部分之間則由布線(xiàn)資源加以連接。利用動(dòng)態(tài)重配置模式可對(duì)多個(gè)DMC單元進(jìn)行設(shè)置,，可以改變硬件電路,，進(jìn)而在一定程度上可對(duì)前端的可編程模擬器件進(jìn)行實(shí)時(shí)更新配置，這一技術(shù)目前正在探索研究中[4],。

　　以上只是各個(gè)模塊的分開(kāi)設(shè)計(jì),，但是設(shè)計(jì)好整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)，還需要對(duì)各個(gè)模塊之間的連線(xiàn)以及參考時(shí)鐘等許多方面給以足夠的重視,。各個(gè)模塊都有屬于自己的輸入/輸出端口,，為達(dá)到預(yù)定的系統(tǒng)性能要求，必須嚴(yán)格對(duì)照技術(shù)手冊(cè)和自己的預(yù)先布線(xiàn)安排接好各輸入/輸出端口,。至于時(shí)鐘,，避免采用時(shí)鐘抖動(dòng)大的門(mén)電路是電路設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格遵守的準(zhǔn)則之一，在此基礎(chǔ)上才能最大限度地發(fā)揮器件的性能,；除此，拿FIPSOC來(lái)說(shuō),，除某些條件下,，8051時(shí)鐘和其送至DMC的副本時(shí)鐘的相對(duì)相位會(huì)交換外,，時(shí)鐘停止不影響時(shí)鐘同步；每次不同時(shí)鐘重新配置后,，必須重新同步,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　目前，已經(jīng)在理論上證明了以上接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,，下一步將逐步搭建出具體的硬件平臺(tái)并測(cè)試驗(yàn)證,。除了可編程模擬器件外，新興的可進(jìn)化硬件(Evolvable HardWare,，EHW)研究領(lǐng)域以硬件在線(xiàn)自適應(yīng)為目標(biāo),，也將可編程模擬器件作為實(shí)現(xiàn)模擬電路自動(dòng)設(shè)計(jì)和在線(xiàn)自適應(yīng)的重要評(píng)估手段和實(shí)現(xiàn)載體?？梢灶A(yù)期,，隨著模擬可編程技術(shù)的不斷進(jìn)步和器件品種的逐步豐富，可編程模擬器件將會(huì)成為實(shí)現(xiàn)模擬電路的首選器件和最佳選擇,。