CN117833935A - 一种基于fpga的信号变频处理***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信号变频技术领域，公开了一种基于FPGA的信号变频处理***及方法，该***，包括相互通信连接的信号控制模块、信号处理模块，信号处理模块包括混频信号产生模块，信号控制模块用于向混频信号产生模块发送时钟信号和控制信号。本发明解决了现有技术存在的适应性差、效率低、鲁棒性差等问题。

Description

一种基于FPGA的信号变频处理***及方法
技术领域
本发明涉及信号变频技术领域，具体是一种基于FPGA的信号变频处理***及方法。
背景技术
近年伴随电子技术和移动互连产业的快速发展，无线通信也在不断更新标准和协议来满足新需求。通过无线通信软件重构更能满足通信体制多变的灵活的需求。
传统无线通信***采用FPGA+ARM或者DSP+ARM方案，该***不仅导致成本高，而且***体积大。因此Xilinx推出ZYNQ系列拓展平台，融合FPGA和多核处理器，开始广泛在无线软件通信应用。但是在开发应用中，大多数开发者依旧只是将原有FPGA代码或者ARM代码移植在ZYNQ平台上，并未根据ZYNQ的优势特点进行代码功能的分解与重构，未能有效发挥其优势。
现有技术存在适应性差、效率低、鲁棒性差等问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于FPGA的信号变频处理***及方法，解决现有技术存在的适应性差、效率低、鲁棒性差等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于FPGA的信号变频处理***，包括相互通信连接的信号控制模块、信号处理模块，信号处理模块包括混频信号产生模块，信号控制模块用于向混频信号产生模块发送时钟信号和控制信号。
作为一种优选的技术方案，信号控制模块包括ZYNQ-7000芯片，ZYNQ-7000芯片包括PS、PL。
作为一种优选的技术方案，PS、PL单独工作。
作为一种优选的技术方案，PS、PL通过AXI总线交互联合工作。
作为一种优选的技术方案，PS应用C编程语言和环境进行开发。
作为一种优选的技术方案，PL应用FPGA开发语言和环境进行开发。
作为一种优选的技术方案，混频信号产生模块为ADF4350芯片。
一种基于FPGA的信号变频处理方法，采用所述的一种基于FPGA的信号变频处理***进行信号变频处理。
作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
S1，PS收到混频信号产生模块的频率改变指令，PS根据频率变化计算出改变混频信号产生模块的寄存器值，并设置一个更新标志，将更新标志和寄存器值存入BRAM1；
S2，PL设置间隔第一设定间隔时间，从相应BRAM1取出数值，如果更新标志为1，通过SPI时序程序将寄存器值输入到混频信号产生模块；
S3，配置完混频信号产生模块，反馈配置锁定标志到PL，将锁定标志值存入BRAM2；
S4，PS间隔第二设定间隔时间从BRAM2取出PL锁定标志值，判定频率修改是否成功；若是，则频率变化配置成功；若否，则返回步骤S1。
作为一种优选的技术方案，第一设定间隔时间为[10ms,30ms]，第二设定间隔时间为[70ms,90ms]。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明架构顺应无线通信处理趋势选用ZYNQ-7000芯片，更能发挥软件无线通信变频处理优势，只需要修改软件就能完成新的通信协议变化，成本更低，适应性更强；
（2）本发明对于需要混频的频率信号的产生，根据ADF4350芯片控制特性，充分发挥ZYNQ-7000平台的PS和PL特点，频率信号的频率变化计算和6个寄存器改变值处理在ZYNQ-7000的PS部分用c代码进行编写，随时可以进行修改调试，时效性高；SPI的控制时序实现处理在ZYNQ-7000的PL部分用FPGA语言进行编写，一旦SPI控制时序验证功能正确，就不需要修改，发挥FPGA代码鲁棒性强和时序的准确特点；
（3）本发明对于芯片配置的处理流程具备锁定反馈重配机制，让架构设计合理性更强，***适用性更强。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于FPGA的信号变频处理***的硬件架构框图；
图2为控制信号代码设计示意图；
图3为ADF4350软件控制处理流程图；
图4为信号变频处理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图4所示，本发明FPGA选用Xilinx系列的ZYNQ-7000芯片，其为内嵌ARM硬核处理器的全可编程能力平台，包含处理器***（Processing System，PS）和可编程逻辑器件（Programmable Logic，PL），具备处理器软件编程能力和FPGA硬件编程能力。
PS和PL可单独工作，也可以通过AXI总线交互联合工作。PS部分应用C等软件编程语言和环境进行开发，具备功能修改的高效性和实时性。PL部分应用FPGA开发语言和环境进行开发，保证了功能的鲁棒性和时序的准确性。
对于无线信号的的处理，变频是常用的方式，即将信号输出调制到需求要求的频率信号。原始信号与频率信号进行混频，达到变频要求的变频信号。
本发明选用ADF4350芯片，其作用产生改变原始信号的混频频率信号。ADF4350具有一个集成电压控制振荡器(VCO)，其基波输出频率范围为2200 MHz至4400 MHz。结合外部环路滤波器和外部基准频率使用时，可实现小数N分频或整数N分频锁相环(PLL)频率合成器，此外，利用1/2/4/8/16分频电路，用户可以产生低至137.5 MHz的RF输出频率。
ADF4350的控制是通过SPI接口向六个控制寄存器输入相应值。时钟信号根据控制寄存器值输出相应频率信号。本发明对于控制信号代码设计结构如图2。在实际应用中ADF4350输出的频率信号需要经常变化，6个相应寄存值也随之变化。而将新的寄存器值通过SPI输入ADF4350的控制时序不变。
值得说明的是，关于“通过SPI接口向六个控制寄存器输入相应值”：对于芯片ADF4350的控制是芯片ADF4350有6个寄存器进行控制，外部通过SPI接口线将控制数据输入到6个寄存器。
因此发挥ZYNQ-7000平台优势将两种处理分别在设计在ZYNQ-7000的PS和PL部分。
频率信号的频率变化计算和6个寄存器改变值处理在ZYNQ-7000的PS部分用c代码进行编写，随时可以进行修改调试，时效性高，如果将其代码设置在PL部分，每次数值变化就要重新综合代码，大工程综合都需要用到几小时，适用性差。
SPI的控制时序实现处理在ZYNQ-7000的PL部分用FPGA语言进行编写，一旦SPI控制时序验证功能正确，就不需要修改，发挥FPGA代码鲁棒性强和时序的准确特点。
对于PS和PL数据交互部分设计BRAM进行交互。
处理流程：
1、收到需要修改ADF4350输出频率修改指令，PS编写进行频率变化与寄存器值变化对应关系代码，得到6组寄存器值，设置一个更新标志变量A1，设置为1，如果没有频率变化A1，设置为0。将变化的6组寄存器值和更新变量A1，储存到BRAM1选定的空间；其中，BRAM1指PL上的存储器，供与PS进行数据交互用。
2、PL代码设置每间隔20ms从BRAM1相应存储空间读取A1值，如果A1为0，不做处理；如果A1为1，将从BRAM1读取出6组寄存器值，通过编写好的SPI代码将寄存器值输入到ADF4350。
3、重新配置完ADF4350芯片，PL能够读取ADF4350配置是否成功的锁定标志值，PL将其存入BRAM2选定空间；其中，BRAM2指PS上的存储器，供与PL进行数据交互用。
4、PS间隔80ms从BRAM2取出PL锁定标志值A2，判定频率修改是否成功。如果成功A2为1，频率变化配置成功流程结束。如果失败为0，PS代码重新回到步骤1，按照开始流程重复进行3次。
变频处理原理：ADF4350配置成功，获取了变频需要的频率信号。原始信号和频率信号进行混频处理，得到变频信号，完成变频处理，如图4。
值得说明的是，“原始信号和频率信号进行混频处理，得到变频信号”属于现有技术，也可采用多种方式实现（比如，通过混频器实现混频，将两个信号进行相乘，然后通过滤波器滤除不需要的频率信号，得到需要的频率信号），因此对本部分内容并未再详细阐述。
本发明具有以下技术效果：
（1）本发明架构顺应无线通信处理趋势选用ZYNQ-7000芯片，更能发挥软件无线通信变频处理优势，只需要修改软件就能完成新的通信协议变化，成本更低，适应性更强；
（2）本发明对于需要混频的频率信号的产生，根据ADF4350芯片控制特性，充分发挥ZYNQ-7000平台的PS和PL特点，频率信号的频率变化计算和6个寄存器改变值处理在ZYNQ-7000的PS部分用c代码进行编写，随时可以进行修改调试，时效性高（如果将其代码设置在PL部分，每次数值变化就要重新综合代码，大工程综合都需要用到几小时，适用性差）；SPI的控制时序实现处理在ZYNQ-7000的PL部分用FPGA语言进行编写，一旦SPI控制时序验证功能正确，就不需要修改，发挥FPGA代码鲁棒性强和时序的准确特点；
（3）本发明对于芯片配置的处理流程具备锁定反馈重配机制，让架构设计合理性更强，***适用性更强。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，包括相互通信连接的信号控制模块、信号处理模块，信号处理模块包括混频信号产生模块，信号控制模块用于向混频信号产生模块发送时钟信号和控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，信号控制模块包括ZYNQ-7000芯片，ZYNQ-7000芯片包括PS、PL。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，PS、PL单独工作。
4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，PS、PL通过AXI总线交互联合工作。
5.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，PS应用C编程语言和环境进行开发。
6.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，PL应用FPGA开发语言和环境进行开发。
7.根据权利要求2至6任一项所述的一种基于FPGA的信号变频处理***，其特征在于，混频信号产生模块为ADF4350芯片。
8.一种基于FPGA的信号变频处理方法，其特征在于，采用权利要求2至7任一项所述的一种基于FPGA的信号变频处理***进行信号变频处理。
9.根据权利要求8所述的一种基于FPGA的信号变频处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，PS收到混频信号产生模块的频率改变指令，PS根据频率变化计算出改变混频信号产生模块的寄存器值，并设置一个更新标志，将更新标志和寄存器值存入BRAM1；
S2，PL设置间隔第一设定间隔时间，从相应BRAM1取出数值，如果更新标志为1，通过SPI时序程序将寄存器值输入到混频信号产生模块；
S3，配置完混频信号产生模块，反馈配置锁定标志到PL，将锁定标志值存入BRAM2；
S4，PS间隔第二设定间隔时间从BRAM2取出PL锁定标志值，判定频率修改是否成功；若是，则频率变化配置成功；若否，则返回步骤S1。
10.根据权利要求9所述的一种基于FPGA的信号变频处理方法，其特征在于，第一设定间隔时间为[10ms,30ms]，第二设定间隔时间为[70ms,90ms]。
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