基于cdma的精确时钟设计大学论文.doc

摘 要

随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术的高速发展，CDMA技术越来越被人们所关注。而基于FPGA的CDMA数字基带系统正是一种新兴的具有很大可行性的技术。本文给出了CDMA数字基带收发系统的设计方案着重介绍了系统的精确时钟设计，并以Xilinx ISE 8.1为硬件开发平台,利用FPGA实现了直序扩频、编码调制和解扩、解调、验证了初始方案的可行性。运用VHDL语言,实现对CDMA通讯系统的上行链路数字部分进行设计，对有关模块的编译，编译通过后的结果，以及使用Xilinx系列芯片通过仿真得到波形，证明了整个系统原理和设计提出的正确性。
关键词：CDMA；数字基带；FPGA；Xilinx

Abstract
With the development of modern communication technology, especially the rapid development of mobile communication technology, CDMA technology has been more and more concerned by people. And the CDMA digital baseband system based on FPGA is a kind of new technology which is very feasible. In this paper, we give the CDMA digital baseband transceiver system design focuses on the system precision clock design, and to use FPGA to realize the 4 information signal spread spectrum, modulation and coding despreading, demodulation, and validate the initial scheme of the Xilinx ISE 8.1 as the hardware development platform. Put forward the principle of the whole system and design the correctness is proved by using VHDL language, implementation of the CDMA communication system uplink digital part of the design, the compilation of the module, compile the results, and through the simulation waveform using Xilinx chip.
Key words: CDMA; digital baseband; FPGA; Xilinx
目录
第一章 绪论 1
1.1 CDMA的发展背景 1
1.2 CDMA的现状及未来的预测 2
第二章 第三代移动通信技术 5
2.1 3G系统功能概述 5
2.1.1 提供更大的通信容量和覆盖范围 5
2.1.2 具有可变高速数据率 5
2.1.3 同时提供高速电路交换和分组业务服务 6
2.1.4 具有高频谱的利用率 6
2.2 CDMA技术基础原理 6
2.2.1 移动通信的多址方式 6
2.2.2 码分多址(CDMA)技术基本原理 7
第三章 系统设计 10
3.1 CDMA的整体设计框图 10
3.2 利用VHDL语言编程实现的精确时钟 11
第四章系统实现 13
4.1 Walsh码发生器 13
4.2 PN码、信息码发生器 14
4.3 调制与解调 15
4.4程序代码 16
4.5仿真调试与结果 18
第五章总结 20
参考文献 20

第一章 绪论

随着通信技术的迅猛发展，第三代移动通信系统(3G)的研发己经成为了当今世界通信领域最炽热的课题之一。第三代移动通信所采用的是数字语音和数据(Digital Voice and Data)技术，与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。第三代移动通信系统能够实现全球普及和全球无缝漫游的高质量语音传输系统，全球统一标准，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人”都能顺利的通信。
3G能够提供更大的系统容量、更丰富的业务服务类型，将使移动通信进入一个全新的发展阶段，目前正在开发的有CDMA2000、WCDMA、TD—SCDMA这三种主流CDMA系统。对于3G系统中的基站、手机的研究和测试，得到理想的符合标准的CDMA基带信号是一个关键，国内能够产生该种信号的仪器还寥寥无几，因此研制出一种新型的符合标准的CDMA基带信号发生器是3G发展的必然。该信号发生器的设计思想基于软件无线电理论，即:充分利用处理速度不断增加的芯片和不断涌现的大规模集成电路技术，把DSP芯片或通用CPU芯片作为通信的基本硬件平台，将尽可能多的无线通信功能，如编码、跳频、扩频及加密等用软件实现，这些软件通常加载到DSP、ASIC或FPGA里。若想更改无线电参数仅需通过软件升级来实现，无需变更硬件设备，节省了大量的人力、物力和财力，符合智能化仪器的需要。
1.1 CDMA的发展背景
1989年，CDMA发源于美国，最初的设计构想是为美国蜂窝电话运营商提供大容量和高质量的无线通信方案，由于其新颖的特点、优异的性能，CDMA一出世马上就受到通信科研、工业、运营等方面的专家所注意，目前，该技术是最先进的数字通信技术之一。
将CDMA（Code Division Multiple Access）和FDMA（Frequency Division Mul-tiple Access）、TDMA（Time Division Multiple Access）作比较，最突出的特点是：①频谱效率高：实践证明，CDMA的系统容量比FDMA大8－10倍，这对于充分利用国家有限而宝贵的无线电频谱资源、提高运营效率大有好处；②系统建设投资少：相同的覆盖面积、相同的频率规划下，CDMA系统所需基站比GSM系统的基站数少1／2左右，节省了基建投资，也利于提高运营质量，降低成本；③话音质量好：如采用13Kb／S话音编码器，CDMA系统的话音质量可以和一般固线电话相媲美；④抗干扰与保密性能好，掉话率低：CDMA系统采用动态功率控制技术，可以做到保证服务质量的前提下，只发射最低的有效功率，因而减少了系统的同频干扰，保证了通信质量，降低了掉话率。因手机发射功率小，也减轻了大家所担心的电波对人脑的危害，CDMA手机可称是“绿色手机”。
此外，CDMA还有许多优点，如：第三代CDMA系统具有提供宽带数据通信能力，目前所采用的CDMA双模式新型手机可在数据网覆盖的地区或在模拟网覆盖的地区自动转换工作方式，给手机的使用者带来方便。
1.2 CDMA的现状及未来的预测
随着网络的全面覆盖以及用户数的迅猛增长，移动通信发展的方向已经越来越清晰，即为全球漫游、高频谱利用率(解决全世界存在的系统容量问题)、低价格(设备和服务)以及满足通信个性化的要求。作为第二代移动通信的主流技术之一和第三代移动通信的基础技术，CDMA的发展同样遵循了这一方向。
　　在通信速度方面，CDMA正朝着提供宽带化的方向努力。人们不断研究CDMA的目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，未来CDMA的最主要的任务莫过于它具有更快的无线通信速度。在网络频谱方面，要想使未来CDMA通信达到更高的传输速度，必须使未来CDMA网络在通信带宽上比现有CDMA网络的带宽高出许多。未来CDMA手机的功能已不能简单划归电话机的范畴，因为语音数据的传输只是未来CDMA 移动电话的功能之一。而且，未来CDMA手机在外观上将有更惊人的突破，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为CDMA手机的外形。同时，未来CDMA 移动通信的智能性更高，不仅表现在未来CDMA通信的终端设计和操作上具有智能化，更重要的是未来CDMA手机可以实现许多难以想象的功能，例如，手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。在CDMA演进的过程中，运营商希望未来CDMA通信系统应当具备全球漫游、接口开放能跟多种网络互联、终端多样化以及能从现有CDMA平稳过渡等特点。为了提供更高质量的多媒体通信，未来CDMA通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息通过宽频的信道传送出去，因此未来CDMA也称为多媒体移动通信。对于用户而言，希望CDMA的通信费用更加便宜，而且采用主流的全分组化方式，特别是如果IP技术能够解决好安全、服务质量等问题，就会朝着全IP化方向发展。
　　CDMA业务能力不断提高，CDMA网络具有丰富的业务功能，可同时提供多种业务服务，包括高速互联网访问、移动电子商务、定位业务、交互式游戏、远程教育、远程办公、医疗会诊、高速文件传送、多声道和多话音(可视)会议电话、视频点播等移动多媒体业务与宽带数据业务。目前第三代移动通信的市场定位多基于移动多媒体业务，其成功的关键在于它提供个性化多媒体业务的能力。
　　越来越多的专家认为，意义最为重大的、而且可以预测日后将会普及的功能主要包括多媒体信息业务、移动定位服务、可视电话、移动电子商务和移动Internet接入业务。
　　首先，多媒体信息服务(MMS)是对短信息服务(SMS)和图片信息传递的进一步发展，可即时实现端到端、终端到互联网或互联网到终端的传送。MMS内容包括照片、录像剪辑图片、音频或语音剪辑、城市地图、信函、明信片、贺卡、演示文稿、图表、布局图、平面图、卡通及动画等等。这种服务方式为可能使用MMS来提供信息的各种应用类型和企业(如广告商)开辟了令它们感兴趣的空间。移动定位服务是指根据移动用户所处的地理位置提供与位置相关的服务。由于定位技术可广泛地应用于军事和民用部门，如导航、测量、急救、车辆调度、防盗防劫、城市规划、城市导游等各个方面。同时，由于在第三代移动通信系统中，业务传输速率有较大提高，小区管理更加复杂，因此移动定位业务将会在第三代移动通信服务中占有重要位置。CDMA提供的移动定位服务可包括：紧急救援、车队管理、汽车救援、货物跟踪、物流管理、基于位置信息的广告、选择性的大众广播、与位置信息相关的收费。
　　在移动环境下，通过终端提供可视电话将成为CDMA中的一个重要业务。随着通信技术的不断发展，人们对通信的需求将不再局限于单纯的语音通信，不管语音通信的效果如何好，人们总是更倾向于面对面的交流。在带宽得以保证的CDMA中，可视电话将逐步流行起来。在可视电话开展的同时，运营商也可开展会议电视业务。由于CDMA终端受屏幕大小的限制，召开像现有固定网上开通的会议室型会议电视的可能性较小，而更多地会集中在小范围内的几个位于不同地理位置的人互相可见(通过各自的终端)地进行相关问题的商讨。
　　另外在移动环境下，提供因特网服务是第三代移动通信系统近期的主要业务特征。移动电子商务可能是最主要最有潜力的应用。股票交易、移动办公室、银行业务、网上购物、机票及酒店的预订、旅游及行程和路线安排、电子与交互式游戏、电子杂志分销、点播音频及视频业务订购等，可能是移动电子商务中最先开展的应用。
基于移动环境下的Internet服务则包括Web浏览、新闻、体育、天气查询、城市黄页等各种各样的信息服务；实现各类精彩的游戏，如AOD、VOD、卡拉OK、下载游戏软件等；帮助商业人士提供移动证券、移动银行、保险、网上购物等电子商务；提供各种生活信息，如旅游及饮食和娱乐的服务地点、费用、时间、方式等。面向集团用户可以提供虚拟局域网功能(VPN)接入企业服务器、内部电子邮件、多媒体会议、信息发布等业务。这些数据业务的应用种类繁多，业务提供商可以利用CDMA网络平台开发各种各样的应用，以求最大程度地满足移动用户的需求。

第二章 第三代移动通信技术

2.1 3G系统功能概述

第三代移动通信系统即IMT-2000，按其设计思想，是有能力解决第一、第二代移动通信系统的主要弊端的先进的移动通信系统，它的一个突出的特点就是使个人终端用户能在全球范围内任何时间、任何地点、与任何人、用任意的方式高质量的实现任何信息的移动通信传输。可见，第三代移动通信十分重视个人在通信系统中的自主因素，突出了个人在通信系统中的主导地位，所以又称未来个人通信系统。
在3G系统所要实现的目标中，核心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现包含水、陆、空的全球覆盖。因此，它要求实现多种网络的综合:有线网与无线网的综合;移动网与无线网的综合;陆地网与卫星网的综合等，并且它要能适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，以便于平滑过渡。对于通信终端而言，它是对多种通信网的综合，因而需要实现多频多模式终端。
为了满足未来的业务需求，相对于现有的移动通信系统，3G系统应具有以下的功能:
2.1.1 提供更大的通信容量和覆盖范围
第三代移动通信系统提出的宽带CDMA可以使用更宽的信道或在小区中使用更多的载频，从而可以提供更大的小区容量。由于带宽更大，还可改善频率分集效果，从而降低衰减，为用户提供更好的统计平均效果。频带更宽还可以改善功率控制精度，进一步降低衰减的影响。此外，第三代移动通信系统使用多项新技术(如智能天线、联合检测等)可以提高解调增益，增大系统覆盖范围，在保证用户质量的前提下，提供更大的信息容量。
2.1.2 具有可变高速数据率
第三代通信系统无线接口具有不同的数据比特率。在快速移动的环境下，最高数据率达144kbit/s;在室内环境下，最高数据率达2Mbit/s，在室外或室内步行的环境下，最高数据率达到384kbit/s。这种数据率不仅可以支持普通话音，还可以支持多媒体数据，可满足具有不同通信要求的各种用户。
2.1.3 同时提供高速电路交换和分组业务服务
虽然在窄带CDMA与GSM移动通信业务中，也能提供电路交换和分组业务，但两者却很难同时提供，而3G系统协议层设计可以很方便的解决这一问题。每个中断均可以使用多种业务因而使用户在连接到局域网时还可接受话音业务，同时进行话音通信和收发数据。
2.1.4 具有高频谱的利用率
目前，各国的蜂窝移动通信都有很大的发展，但系统容量仍满足不了需求，解决移动通信系统容量问题就成了当务之急，而解决系统容量的最有效的途径就是提高频谱的利用率。相对于2G系统，3G系统的频谱利用率有了很大的提高。除了以上所述之外，3G系统还有很多的优点，如提供更加可靠的信道编码，灵活的配置传输信道和逻辑信道，支持多种语音编码方案等。
2.2 CDMA技术基础原理
2.2.1 移动通信的多址方式
随着社会需求和科学技术的发展，无线通信正在向无线多址通信发展。所谓无线多址通信是指在一个通信网内各个通信台、站共用一个指定的射频频道，进行相互间的多边通信，也称该通信网为各用户间的多元连接。
实现多址连接的理论基础是信号分割技术。也就是在发送端进行恰当的信号设计，使各站所发射的信号有所差异。在接收端有信号识别能力，能从混合信号中分离选择出相应的信号。
在发送端，信号设计的任务是使信号按某种参量相互正交或准正交。一个无线电信号可以用若干参数来表征，其中最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间、信号出现的空间、信号的码型、信号的波形等。按照这些参量的分割，可以实现的多址连接有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。目前，在移动通信系统中所采用的多址方式主要有三种:频分多址、时分多址和码分多址。
（1）频分多址(FDMA)
频分多址是发送端对所有信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号。
在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。为了实现双工通信，收发使用不同的频率(称之为频分双工)。收发频率之间要有一定的频率间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率(称之为一个信道)。
（2）时分多址(TDMA)
时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。在接收端利用时间的正交性，通过时间选择(选择门)从混合信号中选出相应的信号。
时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互相不重叠的)，然后根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中按指定的时隙向基站发送信号，基站可以分别在各个时隙中接收到移动台的信号而不混淆。同时，基站发向多个移动台的信号都按规定在预定的时隙中发射，各移动台在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。
（3）码分多址(CDMA)
码分多址是各发送端用各不相同的、相互正交的地址码调制其所发送的信号。在接收端利用码型的(准)正交性，通过地址识别(相关检测)从混合信号中选出相应的信号。
码分多址的特点是: ①网内所有用户使用同一载波，占用相同的带宽; ②各个用户可以同时发送或接收信号。码分多址通信系统中各用户发射的信号共同使用整个频带，发射时间又是任意的，所以各用户的发射信号在时间上、频率上都可能相互重叠。因此，采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收。
2.2.2 码分多址(CDMA)技术基本原理
在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘，经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉(即相关检测)。
CDMA技术的理论基础是扩展频谱通信技术，扩展频谱(SS: Spread Spectrum)通信简称扩频通信。在发端，采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽;在接收端，采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。图2.1所示为扩频通信系统的基本组成框图。
信息
信息调制
载波调制
PN发生器
扩频调制
发射

图2.1扩频通信系统基本组成框图
扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
（1）扩频通信的理论基础
①香农公式

②公式分析
A、在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S/N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息。
B、扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。
（2）扩频通信的主要性能指标
①处理增益
各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频系统的处理增益Gp成正比，Gp表示了扩频系统信噪比改善的程度。即有

式中， BW为扩频信号带宽， Bm为信息带宽；Rc为伪随机码的信息速率，Rb为基带信号的信息速率。
②抗干扰容限
通信系统要正常工作，还需保证输出端有一定的信噪比，并扣除系统内部的信噪比的损耗，因此就引入抗干扰容限Mj，其定义如下：

式中，(S/N)o中为输出端的信噪比；LS为系统损耗。
（3）扩频系统的分类
①DS-SS
是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
②FH-SS
用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。系统有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带
③TH-SS
跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了很窄的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。
（4）直扩系统的原理
直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息[6]。
扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农(Shannon)在信息论的研究中得出了信道容量的公式：
C=Blog2(1+S/N)
这个公式指示出：如果信息传输速率C不变，则带宽B和信噪比S/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。
直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机(PN)序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。图2.2是直扩系统的组成原理框图。

图2.2直扩系统组成框图
由信源输出的信号。a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为。c(t)每一伪随机码码元宽度或切普(chip)宽度为Tc。将信息码a(t)和c(t)进行模2加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。
在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号,然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于千扰和噪声，由于和伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。从而千扰和噪声的频谱被扩展，其谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使调制解调器的输入信噪比和信干比提高，提高系统的抗千扰能力。
直接序列扩频系统简称直接扩频（DSS）系统或叫直接序列（DS）系统，是目前使用最多，最典型的扩频工作方式，直扩方式是在发端直接用具有高码率的扩频编码去扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频编码进行解扩使扩频信号还原为原始信号。直接序列系统中用的编码序列通常是伪随机序列或叫伪噪声（PN）码。要传送的信息经数字化后变成二元数字序列，它和伪随机序列模二相加后变成复合码去调制载波。在直接序列系统中通常对载波进行相依键控调制。当扩频调制后由天线发射出去。在接收机中要有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行解扩，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息[10]。

第三章 课题所涉相关技术概述
3.1 FPGA及相关技术简介
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）、嵌入块式RAM（BRAM）、完整的时钟管理（DCM）、内部连线（Interconnect）等几个部分。图2.8给出Xilinx公司的Spartan系列FPGA内部结构示意图。

图3.1 FPGA内部结构图
现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
查找表 (Look-Up-Table) 简称为 LUT，LUT 本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果并把真值表(即结果)事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即[55]。为了更加清楚的说明用LUT实现逻辑功能的原理，表3.1给出了一个4输入与门电路的实例。

表3.1 输入与门的真值表

从表中可以看到，LUT 具有和逻辑电路相同的功能。实际上LUT 具有更快的执行速度和更大的规模。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作由于配置时间很短不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺对这种FPGA就不需要外加专用的配置芯片。
XC3S500E-PQ208芯片是Xilinx公司Spartan-3E系列FPGA中的重要组成成员，考虑到课题研究的实际需要，本文采用该款芯片完成基于FPGA的测试系统设计，并将研制的动态补偿滤波器在其上予以实现。Spartan-3E系列FPGA是Xilinx公司Spartan系列最新的产品，具有系统门数从10万到160万的多款芯片，是在Spartan-3成功的基础上改进的产品。它提供了比Spartan-3更多的I/O端口和更低的单位成本，是Xilinx公司性价比最高的FPGA芯片。由于它更好地利用了90nm技术，在单位成本上实现了更多的功能和处理宽带，所以Spartan-3E是Xilinx公司最新的低成本产品代表，是ASIC的有效替代品。它主要面向消费电子应用，如宽带无线接入、家庭网络接入以及数字电视设备等。
XC3S500E-PQ208芯片的主要特点如下：
(a)能够为消费电子领域提供高性能逻辑解决方案的低成本FPGA芯片，它采用90nm工艺技术。
(b)有208个管脚，封装形式为：QFP，芯片支持电压值为3.3V、2.5V、1.2V。
(c)系统门数为500K，内部Slice数目为4656，分布式RAM容量为73Kb,块RAM容量为360 Kb，片内18x18的专用乘法器个数为20，最大差分I/O对数为92个。
(d)时钟信号输入频率范围为：5MHz-300MHz,片上数字时钟管理模块（DCM）数为4个。
(e) 采用IEEE1149.1/1532标准的JTAG接口，可配合ChipScope软件进行实时在线调试。
(f) 单端端口的最高传输速率可达622Mbps，支持DDR接口、支持32/64bit 33MHz的PCI接口。
(g)支持嵌入式系统开发，在EDK开发平台下支持MicroBlaze、PicoBlaze等处理器软核。
通过以上介绍我们可以看到XC3S500E-PQ208芯片是一款功能强大的FPGA，硬件上它可用的I/O口很丰富，传输速率快，对高频时钟信号有着良好的管理。软件上它不但支持自主开发，而且用户还可以调用已成熟的软核来完成相应的任务。另外价格上该款芯片十分便宜，二十几美元就能买到一片，综合上述考虑固本课题选用XC3S500E-PQ208芯片作为整个开发系统的主控芯片。

3.2VHDL简介
VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。
VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：
（1）功能强大、设计灵活
VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。
（2）支持广泛、易于修改
由于VHDL已经成为IEEE标准所规范的硬件描述语言，大多数EDA工几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。
（3）强大的系统硬件描述能力
VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。
（4）独立于器件的设计、与工艺无关
设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。
（5）很强的移植能力
VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。
（6）易于共享和复用
VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。

3.3开发软件介绍
系统开发软件采用的是Xilinx公司的ISE 8.2软件。ISE 8.2是业界最完整的可编程逻辑设计解决方案,用于实现最优性能、功率管理、降低成本和提高生产率。
Xilinx ISE 8.2除了具有目前市场上最快的速度,Xilinx ISE 8.2和新的Virtex-4?FPGA系列还具有多达200,000个的逻辑单元和高达500MHz的频率性能,使设计者能够实现完全崭新的设计前景。Xilinx ISE 8.2 领略世界上最容易使用的、首屈一指的PLD设计环境,由顶级FPGA工具供应商提供的高级逻辑解决方案Xilinx ISE 8.2关键特性支持Virtex-4系列器件业界第一个多平台FPGA与最接近的竞争产品相比,Xilinx Fmax技术的平均性能快出10%-37%,最高性能快出70%。可以节省一个或多个速度等级的成本,并可在逻辑设计中实现最低的总成本。可支持多处理器工作站,通过在设计流程中采用超线程技术,使您能够节省 项目时间并充分使用工作站设备[9]。
Xilinx ISE 8.2的sources窗口如图2-2所示，在sources窗口下可以完成VHDL程序的编译、修改、例化等相关操作。使用ISE8.2软件进行VHDL程序编辑的界面如图3.2所示。

图3.2 ISE 8.2软件下的VHDL程序编辑界面

图3.3 ISE 8.2开发软件主界面
3.4仿真软件介绍
系统仿真采用的是Modelsim仿真工具，Modelsim是Model公司开发的。它支持Verilog、VHDL以及他们的混合仿真，它可以将整个程序分步执行，使设计者直接看到他的程序下一步要执行的语句，而且在程序执行的任何步骤任何时刻都可以查看任意变量的当前值，可以在Dataflow窗口查看某一单元或模块的输入输出的连续变化等，比quartus自带的仿真器功能强大的多，是目前业界最通用的仿真器之一。
modelsim自带的教程是一个很好的选择，在Help->SE PDF Documentation->Tutorial里面.它从简单到复杂、从低级到高级详细地讲述了modelsim的各项功能的使用，简单易懂。但是它也有缺点，就是它里面所有事例的初期准备工作都已经放在example文件夹里，直接将它们添加到modelsim就可以用，它假设使用者对当前操作的前期准备工作都已经很熟悉，所以初学者往往不知道如何做当前操作的前期准备[10]。
Modelsim的仿真主要有以下几个步骤：
(1)建立库并映射库到物理目录；
(2)编译原代码（包括 Testbench）；
(3)执行仿真。
上述3个步骤是大的框架，前仿真和后仿真均是按照这个框架进行的，建立modelsim工程对前后仿真来说都不是必须的。
在执行一个仿真前先建立一个单独的文件夹，后面的操作都在此文件下进行，以防止文件间的误操作。然后启动Modelsim将当前路径修改到该文件夹下，修改的方法是点File->Change Directory选择新建的文件夹。
仿真库是存储已编译设计单元的目录，modelsim 中有两类仿真库一种是工作库，默认的库名为work,另一种是资源库。Work库下包含当前工程下所有已经编译过的文件。所以编译前一定要建一个work库，而且只能建一个work库。资源库存放work库中已经编译文件所要调用的资源，这样的资源可能有很多，它们被放在不同的资源库内。例如想要对综合在cyclone芯片中的设计做后仿真，就需要有一个名为cyclone_ver的资源库。
映射库用于将已经预编译好的文件所在的目录映射为一个modelsim可识别的库，库内的文件应该是已经编译过的，在Workspace窗口内展开该库应该能看见这些文件，如果是没有编译过的文件在库内是看不见的。
在编写Testbench之前，