如何用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信系統(tǒng)的發(fā)射端&接收機(jī)？

大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖，江湖偌大，相見(jiàn)即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡?！爸缶蒲詺g”進(jìn)入IC技術(shù)圈，這里有近100個(gè)IC技術(shù)公眾號(hào)。

今天給大俠帶來(lái)在FPAG技術(shù)交流群里平時(shí)討論的問(wèn)題答疑合集（八），以后還會(huì)多推出本系列，話不多說(shuō)，上貨。

Q1：用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信系統(tǒng)（5GHz頻段，通信距離越10km）的發(fā)射端&接收機(jī)，如何規(guī)劃學(xué)習(xí)路線？

完全0基礎(chǔ)（略懂verilog語(yǔ)法和通信原理）的人該怎么一步步學(xué)習(xí)？

A：對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，分兩部分回答，一部分是如何設(shè)計(jì)以及思路，另一部分是規(guī)劃學(xué)習(xí)路線。拙見(jiàn)，僅供參考。

如何設(shè)計(jì)以及思路如下：

以下是使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)一個(gè)通信系統(tǒng)（5GHz 頻段，通信距離約 10km）的發(fā)射端和接收機(jī)的大致步驟：

發(fā)射端：

1. 數(shù)字信號(hào)生成：使用 FPGA 內(nèi)部的邏輯資源生成要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，例如編碼、調(diào)制等。

2. 上變頻：將基帶數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字上變頻模塊轉(zhuǎn)換到 5GHz 頻段。

3. 功率放大：使用外部功率放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足傳輸距離的要求。

4. 濾波：在信號(hào)輸出之前，使用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以減少帶外噪聲和干擾。

接收機(jī)：

1. 低噪聲放大：接收端首先使用低噪聲放大器對(duì)微弱的接收信號(hào)進(jìn)行放大。

2. 下變頻：將 5GHz 的射頻信號(hào)通過(guò)數(shù)字下變頻模塊轉(zhuǎn)換到基帶。

3. 解調(diào)與解碼：在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)解調(diào)和解碼邏輯，恢復(fù)原始的數(shù)字信號(hào)。

4. 同步與均衡：處理信號(hào)的同步問(wèn)題，并進(jìn)行均衡以補(bǔ)償信道的失真。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，還需要考慮以下關(guān)鍵技術(shù)和要點(diǎn)：

1. 時(shí)鐘管理：確保 FPGA 內(nèi)部的時(shí)鐘穩(wěn)定和準(zhǔn)確，以支持高速的數(shù)據(jù)處理。

2. 資源優(yōu)化：合理分配 FPGA 的邏輯資源、存儲(chǔ)資源和乘法器等，以滿足系統(tǒng)性能要求。

3. 信道估計(jì)與補(bǔ)償：根據(jù)信道特性進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，提高通信質(zhì)量。

4. 接口設(shè)計(jì)：與外部的射頻前端器件和其他系統(tǒng)模塊進(jìn)行有效的接口設(shè)計(jì)。

以下是學(xué)習(xí)規(guī)劃：

對(duì)于零基礎(chǔ)但略懂 Verilog 語(yǔ)法和通信原理的人，以下是一個(gè)規(guī)劃的學(xué)習(xí)路線來(lái)用 FPGA 實(shí)現(xiàn)一個(gè) 5GHz 頻段、通信距離約 10km 的通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收機(jī)：

1. 深入學(xué)習(xí)數(shù)字通信原理

? 掌握調(diào)制解調(diào)技術(shù)，如 QPSK、QAM 等。

? 理解信道編碼與解碼，如卷積碼、Turbo 碼等。

? 研究同步技術(shù)，包括載波同步、位同步和幀同步。

2. 學(xué)習(xí) FPGA 開(kāi)發(fā)技術(shù)

? 熟悉 FPGA 的開(kāi)發(fā)流程，包括設(shè)計(jì)輸入、綜合、實(shí)現(xiàn)、仿真等。

? 掌握常用的 FPGA 開(kāi)發(fā)工具，如 Vivado、Quartus 等。

? 練習(xí)使用狀態(tài)機(jī)、流水線等設(shè)計(jì)技巧來(lái)優(yōu)化 FPGA 邏輯。

3. 研究射頻通信基礎(chǔ)知識(shí)

? 了解射頻信號(hào)的特性，包括頻率、功率、帶寬等。

? 學(xué)習(xí)射頻電路的基本組成和工作原理。

4. 學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）在通信中的應(yīng)用

? 掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

? 了解均衡技術(shù)和自適應(yīng)算法。

5. 研究通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)

? 了解相關(guān)的通信協(xié)議，如 Wi-Fi、LTE 等的物理層規(guī)范。

6. 實(shí)踐項(xiàng)目

? 從簡(jiǎn)單的通信模塊開(kāi)始，如實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)制器或解調(diào)器。

? 逐步構(gòu)建完整的發(fā)射端和接收機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行功能仿真和硬件驗(yàn)證。

7. 學(xué)習(xí)高速接口和數(shù)據(jù)傳輸

? 掌握高速串行接口，如 LVDS、SerDes 等。

8. 優(yōu)化與調(diào)試

? 學(xué)習(xí)如何對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行性能優(yōu)化，降低功耗和資源占用。

? 掌握調(diào)試技巧，解決實(shí)際開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題。

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，要多參考相關(guān)的書籍、論文、開(kāi)源項(xiàng)目，效率會(huì)更高一些。

Q2：Cyclone IV系列FPGA 上電配置期間 GPIO什么狀態(tài)？

使用 Cyclone IV 系列 FPGA 設(shè)計(jì)的時(shí)候想到一個(gè)問(wèn)題，F(xiàn)PGA 上電到進(jìn)入用戶模式前（配置完成），GPIO 處于什么狀態(tài)？

首先查閱官方手冊(cè)，意思是上電直到進(jìn)入用戶模式期間，GPIO處于高阻狀態(tài)（即FPGA不驅(qū)動(dòng)GPIO）。

另外說(shuō)GPIO有弱上拉電阻，在上電和配置期間，上拉電阻使能。

我的理解是FPGA上電到進(jìn)入用戶模式期間，GPIO在懸空（不接任何外設(shè)）的時(shí)候，用示波器測(cè)量應(yīng)該是高電平（內(nèi)部上拉）。

正好手里有FPGA的板子，我將FPGA配置成從串（ps）加載模式，上電后FPGA處于等待加載的狀態(tài)，實(shí)際測(cè)量FPGA的GPIO（懸空的，沒(méi)有特殊功能的），（示波器測(cè)量）發(fā)現(xiàn)有的為高電平，有的為低電平。完了，迷糊了。

理論上應(yīng)該都是高電平，實(shí)測(cè)有高有低，理論錯(cuò)了？還是實(shí)踐錯(cuò)了？有沒(méi)有大神給些建議？

A：Cyclone IV系列FPGA在上電配置期間，GPIO引腳處于高阻態(tài)，即FPGA不會(huì)驅(qū)動(dòng)這些引腳。同時(shí)，這些引腳具有內(nèi)部弱上拉電阻，在上電和配置期間，上拉電阻使能。因此，在FPGA上電到進(jìn)入用戶模式前，GPIO在懸空（不接任何外設(shè)）的時(shí)候，用示波器測(cè)量應(yīng)該是高電平（內(nèi)部上拉）。

你在實(shí)測(cè)FPGA的GPIO時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的引腳為高電平，有的引腳為低電平。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能是因?yàn)槭静ㄆ鳒y(cè)量的方法有誤，或者是板子本身存在問(wèn)題。你可以試試下面方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：

1. 檢查測(cè)量方法：確保示波器的探頭與GPIO引腳連接良好，并且示波器的設(shè)置正確。你可以參考示波器的使用手冊(cè)，了解如何正確測(cè)量電平信號(hào)。

2. 檢查板子：檢查板子上的電路連接是否正確，是否存在短路或斷路的情況。你可以使用萬(wàn)用表等工具來(lái)檢查電路的連通性。

3. 更換FPGA芯片：如果以上兩種方法都無(wú)法解決問(wèn)題，那么可能是FPGA芯片本身存在問(wèn)題。你可以更換一塊FPGA芯片，重新進(jìn)行測(cè)試。

Q3：如何理解傅里葉域鎖模(FDML)激光器?

FDML是所有模式一起振蕩，那是如何完成在不同時(shí)間發(fā)出不同波長(zhǎng)的光?光在腔內(nèi)走一圈的時(shí)間等于濾波器調(diào)到下一波長(zhǎng)的時(shí)間，所有波長(zhǎng)分量一起走的話，濾波器什么時(shí)候調(diào)到讓波長(zhǎng)1通過(guò)什么時(shí)候讓波長(zhǎng)2通過(guò)呢?

A：傅里葉域鎖模激光器是一種新型的掃頻激光器。它是一種基于光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的激光器，由光放大器作為增益介質(zhì)，光纖法布里-珀羅腔作為可調(diào)諧窄帶光濾波器。在該激光器中可以確保各色光在諧振腔內(nèi)同時(shí)諧振，緩解了瞬時(shí)線寬與調(diào)諧速度之間矛盾，而且相較于其它類型的掃頻光源可以實(shí)現(xiàn)更高速的速度。

在 FDML激光器中，通過(guò)在可調(diào)諧濾波器上加載周期性的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如三角波或正弦波），可以實(shí)現(xiàn)濾波器中心波長(zhǎng)的周期性掃描。這種周期性掃描使得激光器能夠在不同時(shí)間輸出不同波長(zhǎng)的光。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)激光器工作時(shí)，光在腔內(nèi)循環(huán)傳播。由于可調(diào)諧濾波器的中心波長(zhǎng)在周期性地掃描，因此只有與濾波器中心波長(zhǎng)匹配的光才能通過(guò)濾波器并被放大輸出。隨著時(shí)間的推移，濾波器的中心波長(zhǎng)不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)了在不同時(shí)間發(fā)出不同波長(zhǎng)的光。

此外，光在腔內(nèi)走一圈的時(shí)間等于濾波器調(diào)到下一波長(zhǎng)的時(shí)間，這是因?yàn)楣庠谇粌?nèi)的傳播速度是固定的，而濾波器的調(diào)諧速度也是固定的。因此，光在腔內(nèi)走一圈的時(shí)間與濾波器的調(diào)諧周期相等。

需要注意的是，F(xiàn)DML激光器的輸出特性還受到多種因素的影響，如濾波器的帶寬、光放大器的增益、腔內(nèi)損耗等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)激光器進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以獲得所需的輸出特性。

Q4：想用verilog寫一個(gè)npu 需要什么學(xué)習(xí)路線?

A：如果想用 Verilog 編寫一個(gè) NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元），以下是一個(gè)可能的學(xué)習(xí)路線：

1. 數(shù)字電路基礎(chǔ)：深入學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯、組合邏輯和時(shí)序邏輯等基礎(chǔ)知識(shí)。

2. Verilog 語(yǔ)言：熟練掌握 Verilog 的語(yǔ)法、數(shù)據(jù)類型、模塊結(jié)構(gòu)和編程技巧。

3. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：了解計(jì)算機(jī)的基本組成、指令集架構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

4. 數(shù)字信號(hào)處理：掌握信號(hào)處理的基本概念和算法，如濾波、卷積等。

5. 深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)：學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理、常見(jiàn)結(jié)構(gòu)（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）和訓(xùn)練方法。

6. 并行計(jì)算：了解并行處理的概念和技術(shù)，包括硬件并行和算法并行。

7. 硬件優(yōu)化技術(shù)：學(xué)習(xí)如何在硬件實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行資源優(yōu)化、性能提升和功耗降低。

8. 特定的 NPU 架構(gòu)研究：分析現(xiàn)有的 NPU 架構(gòu)，了解其設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)。

9. 算法到硬件的映射：掌握將深度學(xué)習(xí)算法轉(zhuǎn)換為硬件實(shí)現(xiàn)的方法和技巧。

10. 實(shí)踐項(xiàng)目：通過(guò)實(shí)際的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

等等……

今天先整理四個(gè)問(wèn)題答疑，后續(xù)還會(huì)持續(xù)推出本系列。