一種基于FPGA的AGWN信號(hào)生成器的設(shè)計(jì)

在通信系統(tǒng)中分析計(jì)算系統(tǒng)抗噪聲性能時(shí)，經(jīng)常假定信道噪聲為加性高斯型白噪聲(AGWN)。本文就是通過分析AGWN的性質(zhì)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，將AGWN信號(hào)分成若干模塊，最終使用Verilog硬件描述語言，完成了通信系統(tǒng)中AGWN信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)和仿真，其實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)一個(gè)AGWN信號(hào)發(fā)生器。該信號(hào)主要應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)中，所以只需要產(chǎn)生數(shù)字形式的AGWN信號(hào)，這樣既便于信號(hào)產(chǎn)生，也便于在數(shù)字通信系統(tǒng)中運(yùn)用。

　　1 AGWN信號(hào)的產(chǎn)生

　　AWGN信號(hào)指同時(shí)滿足白噪聲和高斯噪聲的條件的信號(hào)。白噪聲功率密度函數(shù)在整個(gè)頻率域內(nèi)是常數(shù)，即服從均勻分布。完全理想的白噪聲不存在。高斯噪聲指概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)。AGWN信號(hào)其實(shí)就是一個(gè)具有確定功率譜密度和概率分布函數(shù)的隨機(jī)信號(hào)。

　　由隨機(jī)過程的理論可以知道，不相關(guān)隨機(jī)序列的功率譜密度為常數(shù)(白噪聲)，偽隨機(jī)序列(PN)就是這樣的不相關(guān)序列。再由中心極限定理，獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量的和收斂于高斯隨機(jī)變量。這樣就可根據(jù)PN序列的性質(zhì)和中心極限定理來設(shè)計(jì)AWGN信號(hào)。

　　為簡(jiǎn)單起見，設(shè)計(jì)用8個(gè)PN序列發(fā)生器產(chǎn)生8個(gè)獨(dú)立的偽隨機(jī)序列(每個(gè)分為實(shí)部和虛部)，根據(jù)中心極限定理，將8個(gè)信號(hào)相加之后的信號(hào)，更加接近于AG-WN信號(hào)，最后再乘以一個(gè)可變系數(shù)，就產(chǎn)生了可在數(shù)字通信系統(tǒng)中直接引用的AGWN信號(hào)。AGWN信號(hào)生成的總體框圖如圖1所示。

　　在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生n位并行偽隨機(jī)序列，可由n個(gè)并行的結(jié)構(gòu)相同但初始態(tài)互不相同的線性反饋移位寄存器(LFSR)產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)相同的LFSR在不同初始狀態(tài)下產(chǎn)生的序列之間存在著一種移位關(guān)系，導(dǎo)致n個(gè)序列并非相互獨(dú)立。如果所期望的序列長(zhǎng)度為k，那么只有在保證任一狀態(tài)在k次移位操作之內(nèi)都不會(huì)與其他狀態(tài)發(fā)生重復(fù)后，這種方法才是可取的。

　　在通信中，信號(hào)一般都表示為復(fù)數(shù)形式，所以該設(shè)計(jì)采用了實(shí)部與虛部的表示方法，AGWN信號(hào)分為實(shí)部與虛部，它們滿足正交關(guān)系。

　　2 模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)主要分為三大模塊：PN序列產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生符合高斯型白噪聲偽隨機(jī)序列；加法器模塊，將產(chǎn)生的8個(gè)PN序列相加產(chǎn)生更加符合AGWN信號(hào)的偽隨機(jī)序列；乘法器模塊，將加法器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列乘以一個(gè)可變系數(shù)，得到最終的符合數(shù)字信號(hào)的偽隨機(jī)序列。

　　2．1 n個(gè)PN序列發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　PN序列產(chǎn)生模塊的主要功能就是產(chǎn)生PN序列。而PN序列中m序列又是周期最大，偽隨機(jī)性最好的一種移位寄存器序列。m序列的自相關(guān)性、隨機(jī)性特性很好地滿足了AGWN信號(hào)的要求，故用其產(chǎn)生的序列可以來產(chǎn)生該設(shè)計(jì)中的信號(hào)。

　　要產(chǎn)生m序列，就要求移位寄存器的反饋鏈路滿足本原多項(xiàng)式，由，n個(gè)并行的結(jié)構(gòu)相同但初始態(tài)互不相同的線性反饋移位寄存器(LFSR)產(chǎn)生的序列在其周期足夠長(zhǎng)的情況下可以把它們看作是獨(dú)立的。

　　設(shè)計(jì)中選取n=8，移位寄存器位數(shù)選取為25位，其m序列周期為33 554 431。其信號(hào)實(shí)部抽頭選取3，0，虛部抽頭選取3，2，1，0，分別對(duì)應(yīng)PN序列的特征多項(xiàng)式。這樣選取是因?yàn)橐粋€(gè)移位寄存器的本原多項(xiàng)式有很多種，這里選取的兩個(gè)抽頭比較簡(jiǎn)單，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)在資源、結(jié)構(gòu)上都有優(yōu)勢(shì)。PN發(fā)生器選擇8個(gè)是考慮到資源利用率方面的問題，這樣選取可使資源利用率達(dá)到最大。

　　2．2 疊加電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)中心極限定理，對(duì)于若干個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，其和的極限分布是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。這樣將產(chǎn)生的8個(gè)序列疊加將產(chǎn)生符合高斯特性的序列。發(fā)生器串行輸出的實(shí)部，虛部8個(gè)獨(dú)立的碼相異或。即每8個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)相異或。

　2．3 乘法系數(shù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2．3．1 設(shè)計(jì)思想

　　乘法器設(shè)計(jì)是FPGA設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，有很多種算法來實(shí)現(xiàn)它。可以采用移位加實(shí)現(xiàn)，在GF(28)域上乘法是這樣進(jìn)行的：乘以2相當(dāng)于將該8位二進(jìn)制數(shù)向高位移一位，如果此8位二進(jìn)制數(shù)的最高位為1，則需要將移位結(jié)果異或8位二進(jìn)制數(shù)00000001。還有一種方法就是，在代碼中直接將乘法寫成*，讓綜合工具自己去綜合出可用的硬件電路。本文采用綜合工具自帶的模塊電路。

　　2．3．2 電路實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)序要求較嚴(yán)格。乘法器電路必須用到三個(gè)寄存器以用來保存加法器串行輸出的連續(xù)8個(gè)PN碼，乘法系數(shù)和乘積。

　　在reset之后，PN序列發(fā)生電路已經(jīng)產(chǎn)生第一個(gè)輸出碼，同時(shí)加法器也將結(jié)果運(yùn)算出來，但這時(shí)乘數(shù)寄存器中只有最低位是有用的剛傳進(jìn)來的一位碼，其他位還是無用信號(hào)，只有到了8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之后，乘數(shù)寄存器中才保存了8個(gè)連續(xù)的有用的PN碼，這時(shí)必須很快地進(jìn)行乘法運(yùn)算并將結(jié)果保存在乘積寄存器中，第9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來時(shí)乘法運(yùn)算必須進(jìn)行完畢，空閑出來的乘數(shù)寄存器用來寄存后面的8個(gè)連續(xù)的PN碼，然后一直這樣循環(huán)工作。8個(gè)乘數(shù)寄存器保存PN碼時(shí)鐘信號(hào)后，立即進(jìn)行乘法運(yùn)算并保存乘積，這就要求乘積寄存器空出來，為了空出乘積寄存器，第8個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)必須將乘積寄存器中的數(shù)據(jù)一位一位串行輸出。乘積寄存器中有16位二進(jìn)制數(shù)，這就要求一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的2倍頻信號(hào)作為乘積寄存器串行輸出的時(shí)鐘信號(hào)。基于以上問題的考慮，乘法電路用綜合工具自己生成的8位乘法器，該模塊電路中還要用到一個(gè)2倍頻電路，這也用綜合工具自帶的模塊電路。

　　3 綜合、仿真結(jié)果

　　在QuartusⅡ集成了多種設(shè)計(jì)輸入方式，并可使用Assignment Editor(分配編輯器)方便地設(shè)定管腳約束和時(shí)序約束，正確地使用時(shí)序約束可以得到設(shè)計(jì)的詳細(xì)時(shí)序報(bào)告，便于分析設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，完成了設(shè)計(jì)輸入以及成功綜合、布局布線，只能說明設(shè)計(jì)符合一定的語法規(guī)范，但其是否滿足設(shè)計(jì)者的功能要求并不能保證，這需要通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

　　3．1 功能仿真

　　功能仿真(前仿真)，不帶時(shí)延信息，對(duì)電路物理行為進(jìn)行仿真，速度較快。

　　圖2是對(duì)頂層模塊(AGWN模塊)進(jìn)行功能仿真后在不同時(shí)段的波形。由圖中可以看出，輸出序列具有隨機(jī)性。

　　圖3～圖5分別是對(duì)各個(gè)分模塊進(jìn)行前仿真后的波形圖。圖3是8個(gè)PN序列發(fā)生器的仿真波形圖。

　　圖4是加法器模塊的仿真波形：因?yàn)閞eset之后的第一個(gè)clk上升沿輸出的是PN序列的第二個(gè)碼字，第一個(gè)碼字在reset同時(shí)已經(jīng)輸出，加法電路是一個(gè)組合電路，所以加法器的輸出(addi／addq)在系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不確定值。

圖5是系統(tǒng)正常運(yùn)行后乘法模塊的仿真波形。值得注意的是在系統(tǒng)剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，reset信號(hào)之后，由于PN序列發(fā)生器和加法器中的串行輸出數(shù)據(jù)，還沒有傳遞到乘法器模塊中的被乘數(shù)寄存器(multiregi／multi-regq)和乘積寄存器中，這時(shí)從乘積寄存器中串行輸出一些不確定值。

　　3．2 綜合、布局布線

　　綜合是指將HDL語言，原理圖等設(shè)計(jì)輸入翻譯成由與、或、非門，RAM，觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接，并根據(jù)目標(biāo)及要求優(yōu)化所生成的邏輯，最后輸出edf或vqm網(wǎng)表文件供布局布線用。

　　布局布線是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表適配到具體器件中，并把工程的邏輯和時(shí)序要求與器件的可用資源相匹配，它將每個(gè)邏輯功能分配給最好的邏輯單元位置，進(jìn)行布線和時(shí)序，并選擇相應(yīng)的互邊路徑和管腳分配。

　　3．3 時(shí)序仿真

　　時(shí)序仿真也稱后仿真，即通過加入綜合后網(wǎng)表及時(shí)延信息對(duì)電路進(jìn)行綜合仿真，速度較慢。前后仿真與綜合、布局布線的關(guān)系是一脈相承的，又相輔相成。功能仿真與綜合、時(shí)序分析形成一個(gè)反饋工作過程，只有過程收斂之后的綜合、布局布線等環(huán)節(jié)才有意義，孤立的功能仿真即使通過也是沒有意義的，如果在時(shí)序分析中發(fā)現(xiàn)時(shí)序不滿足需要更改代碼，則功能仿真必須重新進(jìn)行。圖6是在QuartusⅡ中綜合布局布線之后的時(shí)序仿仿真波形。由于用了2倍頻電路，所以系統(tǒng)只用了一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)clk，a為8位的系數(shù)。為觀察產(chǎn)生的AGWN的隨機(jī)性，截取的圖形是同一仿真在不同時(shí)段的波形圖。

　　4 結(jié) 語

　　本文使用Verilog硬件設(shè)計(jì)語言，采用自頂下的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)設(shè)計(jì)分為了不同的小模塊，分別實(shí)現(xiàn)每一個(gè)模塊的功能，最終設(shè)計(jì)出AGWN信號(hào)產(chǎn)生的Ver-ilog電路，并實(shí)現(xiàn)了功能仿真、綜合、布局布線、時(shí)序仿真。該電路實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字通信系統(tǒng)中常用的AGWN信號(hào)，由于數(shù)字通信系統(tǒng)中用到的是數(shù)字信號(hào)，可以直接在數(shù)字通信系統(tǒng)中加載所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)使用。如果需要用到模擬的AGWN信號(hào)，可將產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)再進(jìn)行使用。