自-基于FPGA的宽带功放设计.doc

摘要 FPGA 技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本也越来越 低,低端的 FG已逐步取代了传统的数字元件,高端的 FPGA 不断在争夺 ASI 的市场份额先进的 AC 生产工艺已经被用于PGA 生产,越来越丰富的处 理器内核被嵌入到高端的 FPGA 芯片中,基于PA 的开发成为一项系统级设计 工程 本文设计一个基于PA 语音信号的宽带功率放大器,采用 FG技术对 功放进行优化，以使其达到幅频特性在带内基本平坦的目的 本文首先介绍了 FPG技术及 Atea Sratix FPA，宽带功放的基本原 理、基本特性，并设计了一个宽带功放电路，根据其幅频特性曲线,得出设计一 个基于 FPA 的数字滤波器对其进行补偿的优化方案然后在L下， 用 FDATool 工具箱以及 Simlin-DSP 设计了一个数字滤波器，在 QRS 环境下进行了仿真和验证，并得出最终的设计结果 关键词:PGA，宽带功放，FIR 数字滤波器 ABSTRCT FAenoloyi in rapid develomnt er,the sae o thncip i ncresing，wilhe ct is reand mre lo, lw-nd FGA hsgradualy relaed the raitinaldigial deces， igh-end FPG sighig r markeshae o SIC Advace SI oucin tehnolghas been used orFPGA, more d mor richrocessor core s emedde itothe high-endFPG cp,GAbseddeelopmnts becomng a sysem- lve eign n hs pape, abroadba power amplierbsd on PGA sne， nd opimz it byFPGA technolgy i ordr cev the baicflt amplitude-frequecy chracteritics in thebnd. his pp introducs he FPGA cnolo and h Alter Straix FPGA， thbasi ricipe, h aic charateristiofa broaba mifir,then desin ofa brobandampifie cuit, and accong to teir amplitudeequenycharaerisi curve, dawnt ptmizat program thatto adsna dgitalfilter bd n PGr is cmpensation. Then design a FR diital iler inth tool of ATLAB b FDoo and Simlink-D, sme d eriicate in QUARTUS I， nd obtaihe findesignresl. KEKE WORDSWORDS:PA, roadband power amplfie, IR digital fter 目目录录 第一章第一章 绪论绪论4 .1 课题的背 景 1.2 论文的主要目标和工作 13 论文的组织和结构 第二章第二章FPG技术及技术及ltra Stratx FPGA6.1 引 言6 2 可变成逻辑器件简介 3.2FPG设计流程 2.4Aleratratix 产品 2.4 taix 系列产品 2. tatx 的平面布局 第三章 Pbuilee和 Siulnk 简介 31 引言 3.2 ulnk 概述 1.3DSP buildr 简介 3.2 DSPbulder 典型设计流程 3.3 一个简单的建模实例 第四章 宽带功放的设计与仿真 .4宽带功率放大器的结构与原理 41.1 宽带功率放大器的指标分析 11.4工作频带宽度 4.1.2 增益平坦度与起伏斜率 1.4驻波比与反射耗损 .1.4LMOS .1.有耗匹配式放大器的结构 4.NE5532 和1875 简介 3.4宽带攻率放大器的仿真 134宽带功率放大器的电路图 2.3.4仿真与结果 .3.3 结果分析与优化方案 第五章 FIR 数字滤波器的原理及结构 .5数字滤波器概述 5.2 FI滤波器的主要优缺点 3.FIR 滤波器的主要结构 4.5I滤波器的设计流程 第六章 FR 数字滤波器设计与系统优化结果 .6MAB-DATOOL 设计与分析 26Smlink-DSP bider 建模与仿真 . 系统优化结果 第七章 论文总结 参考文献参考文献63 致致 谢谢44 毕业设计小结毕业设计小结7 附附 录录6 第一章绪论 1.1 课题的背景 宽带功率放大器的应用开始从军用向民用扩展,目前在无线通信、移动、 卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DS)、ITS 通信技术及毫米 波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中,宽带功率放大器 也同样占有重要地位。

在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域,对射频和微波宽带 放大器有极大需求，且这些领域对宽带放大器要求各不相同，特别是在通信系 统和电子战系统的应用中,对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求 在设计上传统窄带放大器的端口匹配，一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计 的,以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率但是,在宽带的条件下,输入 输出阻抗变化是比较大的,此时使用共扼匹配的概念是不合适的正因为如此， 宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同,宽频带放大器电路结 构主要可以分为以下几种: 平衡式放大器；反馈式放大器；分布式放大器;有耗匹配式放大器;有源匹 配式放大器;达灵顿对结构 1 论文的主要目标和工作 本论文目标是设计一个宽带音频功率放大器,带宽在00kz，并针对幅 频特性在带内衰减的特性对进行基于 FGA 的优化，使其在带内基本平坦 第一章介绍了宽带功放的发展和地位以及其应用，并阐述了本论文的目标和工 作 第二章介绍了可编程逻辑器件的发展历程,FPGA 的设计流程，及 Alter tatix 产品简介 第三章对 DPbiler 和imulink 两个软件进行了简介,并提供了一 个简单的建模实例 第四章介绍了宽带功率放大器的结构与原理，并设计和仿真了一个宽带功率放 大器,且在其基础上对其进行了结果分析并得出优化方案 第五章从数字滤波器的原理入手，介绍了 FI数字滤波器设计流程,研究了 FR 数字滤波器的设计方法。

第六章用 Simuin/DSbuid建立了一个优化方案中所要求的数 字滤波器,并进行了仿真与验证,并得出了最终系统达到的目标 第二章FPG技术及 Alte aix FPGA .引言 FPGA/CLD,DSP 和 CPU 被称为未来数字电路系统的三块基石，也是目前硬件设 计研究的热点与传统电路设计相比,LD 具有功能强大,开发过程投资少、 周期短、可反复编程修改、保密性能好、开发工具智能化等特点,特别是随着电 子工艺的不断改进,低成本的 FGA/PLD 器件的性能不断提升，另一方面集成 电路技术飞速发展，最新的工艺水平由 9nm 发展到5nm，现在 45n工艺也 开始应用,而一般 ASIC 的留片费用的增长速度非常惊人,并且 ASIC 开发周期相 对校长,这一切促使 FPACPLD 成为当今硬件设计的首选方式之一近年来， FGA 及 CPLD 市场应用数量持续保持调整增长，市场占有份额越来越大本章 主要讨论 FPGA 技术，并重点介绍 Alea tratix 系列 FG芯片 2.2 可编程逻辑器件简介 可编程逻辑器件（ogamble Logic Deice,简称 PLD）是一种用 户根据需要自行构造逻辑功能的数字集成电路。

它的基本设计方法是借助于 EA 软件,用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应 的目标文件,最后再由编程器或下载电缆,下载到目标器件中去这种利用 PLD 内建逻辑结构、由用户配置来实现任何组合逻辑时序逻辑功能的器件,最初被用 来作为分立逻辑电路和中小规模集成电路的替代物，随着设计技术和制造工艺 的完善,器件性能、集成度、工作频率等性能不断提高,PLD 的应用范围越来越 广,目前它已成为 ASI设计的主流 上世纪 80 年代中期,美国 Xlinx 公司率先推出了现场可编程门阵列 (FldPgramableGatray，即 FPG)器件，FA 器件 采用逻辑单元阵列结构,静态随机存取存储工艺,设计灵活、集成度高、可重复 编程,并可现场模拟调试验证目前,除lx 以外， Altea、Acte、tie等公司也成为比较著名的 FPA 产品生产厂商 9 FGA 的最基本结构是查找表（LooUptale，即U),本盾上就是一 个 RAM目前 FGA 中多使用 4 输入的 LU,所以每一个 L可以看成成一个 有位地址线的 16x1 的M当用户通过原理图或DL 语言描述了一个逻辑 电路以后，FPA 软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先 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，然后输出即可在PG中由四输入查找表和触发器组 成的可配置逻辑功能块为信号处理提供了大量可以使用的资源内训珂以通过寄 存器或存储器实现流水，大量的逻辑资源能够产生完全并行的结构,从而使计算 能力达到最高9 2 PGA 设计流程 A 设计流程分为设计输入、综合、功能仿真(前仿真） 、实现、时序仿 真(后仿真)、配置下载等六个步骤,设计流程如图 2-所示 必要的修改 设计综合 设计输入 必要的修改 功能仿真 仿真网表 报告文件 位流文件 时序仿真 时序分析 配置器件 1. 设 计 实 现 图 2-1 FGA 设计流程 2 Atera tratx 产品简介 在大部分应用中,第一代 Stratix 器件都可以由后续的trati系列器件取 代需要高性能、高密度和低成本的设计人员可以充分利用这一获得大奖的 90m ratxII 器件最新一代的 StatiIII 器件基于 6n工 艺技术,以满足今后高端宽带系统的性能和特性需求对于军事应用,第一代 Stratix 器件仍然是高密度方案的首选 tratix 器件系列为满足宽带系统的需求进行了优化。

Sraix 器件具 有非常高的内核性能、存储能力、体系结构效率和及时面市的优势Strati 器件提供了专用功能用于时钟管理和数字信号处理(S)应用以及差分和单端 I/O 标准此外， Strat 器件具有片内匹配和远程系统更新能力 Srtx 器件系列是功能丰富的宽带系统方案,开创了可编程芯片系统 (O）方案的新纪元 trax 器件采用.5V 0.13um 全铜 SRM 工艺，容量为 10，50 至 ,040 个逻辑单元(LE),RM 多达MitStratx 器件具有多达 22 个的 SP 模块和多达 16 个的（位位）嵌入乘法器,针对大数据吞吐量的复 杂应用而进行了优化 rati 器件还具有 True-LDS 电路，支持 LV、VPEC、PCM和yprTransportM 差分 I/O 电气标准及 高速 通信接口,包括 10G 以太网SBI、SFI-、POS-PHY l 4(SPI4 ase 2） 、 yerTrasport、 RapdIOTM 和 UTOIA IV 标准Strtix FGA系列提供了具有层次时钟结构和多达 12 个锁相环 (LL）的完整的 时钟管理 方案 需要低风险、低成本大批量产品设计人员能够很容易将其 Stati PA 设计移植到模板编程 HardCoy Strix器件中 。

因为aroy Stratix 器件直接从 Stratx PGA 生成，保留了 Strati架构的大容量、高 性能、业界领先的功能和增强的时序特性，所以能将移植风险。