基于FPGA的跳频电调滤波器控制软件的设计与实现

孙明亮+王学超+白帆

摘要：该文从跳频电调滤波器控制软件开发环境入手，通过VerilogHDL 描述语言编码完成了跳频电调滤波器中FPGA控制系统的软件设计；设计了FPGA通过I2C接口读取EEPROM中存储的调谐电压参数的代码和DA模块的驱动；实现了对跳频电调滤波器中心频率的控制。

关键词：跳频；电调滤波器；FPGA

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）22-0221-03

跳频通信技术是在现代信息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的，它具有很强的抗搜索、抗截获、抗干扰能力。因此，各国军方对这一先进技术的发展和应用十分重视。为此，我们成立课题组，对跳频技术进行了深入研究，专题研究带通电调滤波器，设计出了一种基于FPGA控制的数字调谐跳频滤波器。该调谐滤波器工作频段为30～88 MHz，在不同的频点都具有良好的参数指标，具有很好的实用价值和发展前景。下面仅就其中的电调滤波器控制软件的设计与实现进行分析，以供参考。

1 系统软件开发环境

该跳频电调滤波器整个硬件系统的工作处理流程为：系统上电启动→FPGA接收来至外界的频率控制信息→FPGA通过频率信息映射出参数存储器地址→FPGA读取已经写入存储器中的电压参数信息→FPGA将电压参数信息送至DA模块进行数模转换→DA模块输出电压至电调滤波器使其工作在当前中心频率→FPGA处于空闲状态，等待新的频率控制信息。

从上述硬件系统工作流程可知，跳频电调谐波器当前中心频率的设置是由基于FPGA的控制系统实现的。首先FPGA通过SPI接口接收来至综合业务模块的频率字信息；之后FPGA通过该频率字信息计算出所要设置的工作频点对应的EEPROM存储器的地址，该地址中存储有对应工作频点所需要的调谐电压参数；FPGA向EEPROM发送读命令与地址信息并接收EEPROM返回的数据；最后FPGA将读取的电压参数送至10位DA转换模块，得到当前工作频点对应的调谐电压，并由此电压来控制跳频电调滤波器的中心频率。

本设计中FPGA可以实时接收并处理来至外部的频率字信息，系统软件设计的主流程如图1所示。

本设计选用Xilinx公司ISE（Integrated Software Environment）作为电调滤波器软件控制系统的开发和调试工具，使用Verilog HDL描述语言实现基于FPGA的软件控制程序。

1.1 ISE集成开发环境简介

ISE是集成综合环境的缩写，它是Xilinx FPGA/CPLD的综合性集成设计平台，该平台集成了设计、输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、芯片下载与配置、功率分析等几乎所有设计流程所需工具。需要提出的是ISE中还集成了两款仿真器ISE Simulator和Modelsim，从而可以实现更快的仿真和更大的设计容量。另外ISE支持Spartan-3E FPGA系列和超低功耗Spartan-3L FPGA，因而可支持额外的大批量设计，可以大大节约设计者的成本。

1.2 ISE开发FPGA流程

一般来说完整的ISE软件设计流程包括：电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布局布线后仿真与验证以及下载调试等主要步骤，如图2所示。

2 SPI接口设计实现

SPI（串行外围接口）总线，是一个同步串行接口的数据总线，它具有全双工、信号线少、协议简单、传输速度快等优点。SPI总线最典型的应用就是主机与外围设备之间的实时通信。本文中综合业务单元与跳频滤波器单元之间采用SPI同步串行通信，内容包括：预留信息、频率信息（频率信息采用BCD编码格式，先送高字节，再送低字节）。其中频率字的高字节表示频率的十M位和M位，低字节表示频率的百K位和十K位，频率信息以50K为一个步进。例如，38.65M对应的频率字为：0x3865。

FPGA作为从机，接收来至综合业务模块通过SPI协议发送来的频率字。在时钟的上升沿，将数据线上的频率字移位至内部寄存器，频率字的前8位是预留位，后16位是频率信息。FPGA中的接收寄存器用Verilog HDL语言描述如下：

always @（posedge Sysclk ）begin

if（Reset == 1'b1）

rx_shifter <= 24'h0；

else if（sck_pose == 1'b1） begin

rx_shifter <= （rx_shifter << 1）；

rx_shifter[0] <= Iwo；

end

end

3 I2C接口读写EEPROM设计

跳频电调滤波器FPGA控制单元接收到来至综合业务模块的频率字信息，通过内部算法将其映射到对应频点的存储器地址信息，之后FPGA将完成对EEPROM存储器的读操作。设计中采用24FC1025系列EEPROM作为电调滤波器的参数存储器，它支持I2C协议的读写操作。I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号，如图3所示。

本设计选用的EEPROM是24FC1025，它支持单字节读取和多字节读取命令。FPGA在对24FC1025芯片进行单字节读操作时，首先需要发送一个开始位，即在时钟为高电平时将数据线拉低；之后发送写命令字，在24FC1025返回ACK后，FPGA通过数据线将所要读取的数据地址发送至存储器，24FC1025重新返回ACK，表明地址已被正确接收；FPGA再次发送开始位，并将读命令字发送至数据线；24FC1025正确接收读命令字后，返回ACK，开始把所要读取的数据按位送至数据线。24FC1025的读取操作执行过程中控制字格式如图4所示。

在FPGA对24FC1025进行读操作时，所有数据位的接收都是在时钟的上升沿执行。本设计中FPGA的全局时钟为9.6MHz，通过分频I2C接口采用的时钟为400K，通过ModelSim软件进行仿真，时序如图5所示。

4 DA模块的驱动实现

跳频电调滤波器FPGA控制单元读取到对应频点的调谐电压参数后，将10比特电压参数发送至DA模块，转换成模拟电压后控制带通电调滤波器的中心频率。本设计中采用AD5310作为DA模块的数模转换芯片。可以采用同步串口对AD5310芯片的内部寄存器进行写操作，来调整输出电压的值，其串口写操作的时序如图所示。其中SCLK为串口时钟信号，在其下降沿时AD5310采样数据线上的电平；为片选信号，低电平有效；DIN为主机发送的数据信号，如图6所示。

AD5310内部设有16位寄存器，其按位的功能定义如图7所示。前两位为和最后两位是预留的比特位，可以忽略。寄存器的第2至第11位是数据位，第12和13位是模式选择位（00时为正常操作模式，其它为低功耗模式）。

按照以上功能定义，通过Verilog HDL语言对DA模块进行驱动编码，得到基于ModelSim的时序仿真结果如图8所示。

5 结束语

在ISE集成开发环境下，通过VerilogHDL 描述语言编码完成了跳频电调滤波器中FPGA控制系统的软件设计，包括FPGA作为从机接收来至综合业务模块发送的频率字信息的SPI接口代码实现，FPGA通过I2C接口读取EEPROM中存储的调谐电压参数的代码实现，以及DA模块的驱动实现。通过Modelsim软件对各个模块的代码进行时序仿真，结果表明控制系统软件可以满足对跳频电调滤波器中心频率的控制。

同时，该跳频电调滤波器在调试完成之后，通过调试终端软件发送频率控制信息，使所设计的跳频电调滤波器工作在相应的频率，通过矢量网络分析仪可以得到每个频率的性能参数曲线，还得出了所设计制作的跳频滤波器在工作频段（30～88M）的详细工作参数（测试数据），由于篇幅所限，本文不列出了。

在军用超短波电台的射频前端，为了使电台具有更好的频率选择性和抗干扰性，通常要求跳频滤波器具有更陡峭的衰减特性。为了达到更好的工程应用效果可采用如图9所示的设计方案。该方案已在某型号电台的研制应用中得到验证，可以提高电台的灵敏度与抗干扰性能，是跳频电调滤波器使用方案的一种有效改进。

参考文献：

[1] Jose I.Alonso. Cesar Briso-Rodrigue. Tunable Filter with Continuous Control of Center Frequency and Bandwith[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.2005，53（1）：191-199.

[2] 孙航，胡灵博，于联锋. Xilinx可编程逻辑器件应用与系统设计[M]. 北京：电子工业出版社，2008： 5-16.

[3] 尤志刚， 林先其， 邓立科.电调谐滤波器的研究与设计[J]. 通信技术， 2011（1）： 162-167.

[4] 华清远见嵌入式培训中心 .FPGA应用开发入门与典型实例[M]. 北京：人民邮电出版社， 2008： 185-195.

[5] 史水娥， 杨豪强， 秦鑫. 基于单片机的UHF电调滤波器的实时调谐设计[J]. 河南师范大学学报，2009（9）： 51-53.

[6] 陈艳华，李朝晖，夏玮. ADS应用详解—射频电路设计与仿真[M]. 北京：人民邮电出版社， 2008： 70-79.

[7] Analog Device Inc. AD5310 Data Sheet.1999.