刘航宇发布的文章 - 第 9 页 - 我的学记|刘航宇的博客

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刘航宇(共306篇)

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2022-11-27
【天线/射频】什么是回波损耗？什么是插入损耗？一、前言什么是回波损耗？什么又是插入损耗？这个貌似很容易回答，回波损耗吗，就是Return Loss，缩写为RL，S11，插入损耗就是 Insertion Loss，IL，S21。确实没错，就是这么简单。但是为什么叫做回波呢？为什么又叫做插入呢？今天我们仔细掰扯掰扯。二、回波损耗回波损耗，又称为反射损耗。（越大越好）是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方，所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。回波损耗：return loss。回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如，如果注入1mW (0dBm)功率给放大器其中10%被反射(反弹)回来，回波损耗就是-10dB。从数学角度看，回波损耗为-10 lg [(反射功率)/(入射功率)]。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。三、插入损耗插入损耗：insertion loss。（越小越好）指在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。 1.插入损耗是指发射机与接收机之间，插入电缆或元件产生的信号损耗，通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝（dB）来表示。 2.插入损耗多指功率方面的损失，衰减是指信号电压的幅度相对测量插入损耗的电路原信号幅度的变小。通道的插入损耗是指输出端口的输出光功率与输入端口输入光功率之比，以dB为单位。插入损耗与输入波长有关，也与开关状态有关。定义为：IL=-10log(Po/Pi) 四、插入损耗和回波损耗系统介绍图片首先，我们拿到一个系统，就是上面这个黑盒子，当电磁波信号进入这个黑盒子时，我们通常不需要去关心电磁波在里面经历了什么。我们只要知道它出来是什么就行了。但是，当电磁波从外面进入这个黑盒子时，相当于从一个介质进入到另一个介质，在交界面上会有一部分电磁波被挡在外面，这部分被挡在外面的电磁波就被反射回去了，返回去的电磁波就是回波。而进去的这部分电磁波在通过这个黑盒子时，就必然会被这个黑家伙影响到，如果这家伙有一点点贪心，肚子里装了一点点的小电阻材料，那么就留一点点买路钱就够了，就去的电磁波在交完买路钱之后，大部分会传输出去，这个被劫走的一部分电磁波能量我们就认为被损失了，无论是回波还是黑盒子吃掉的都是电磁波能量时导致的能量的损耗，都是由于黑盒子插入进来导致的损耗，所以通常被称为插入损耗。如下图所示。图片所以我们知道，其实一个微波元器件的插入损耗是由两部分组成的：回波损耗和电阻损耗。回波损耗的这部分电磁波能量被端口的不匹配给反射回去了，并没有转化成热散出去，所以我们在射频系统设计和分析中，要提防着这部分回波倒灌会对系统带来的影响。通常这部分倒灌的能量不是很大，怎么计算呢？举个简单的例子，比如上图端口1输入的电磁波功率是1W，即30dBm,如果端口1 的回波损耗RL=20dB。那么反射回去的回波的功率就是：30dBm-20dB=10dBm，也就是有10mW的功率被反射回去了。如果端口1 输入的功率是1kW，即60dBm，那么反射回去的回波功率就有10W了。如果端口1的回波损耗只有10dB，那将会有100W的功率被反射回去。这也证明了匹配的端口阻抗匹配的重要性。还有就是，功率越大，我们系统所要求的回波损耗就越小，在一些小功率的产品中，比如手机，匹匹配有个10dB就足够了。但是在电视发射系统中，因为发射机的功率通常会有上千瓦，所以，回波损耗通常要求在26dB以下。注意，插入损耗的部分损耗也是有回波导致的啊，所以回波损耗越差，插入损耗就越大。在端口匹配良好的系统中，插入损耗主要是由器件的电阻性材料导致的，这些电阻性材料导致的损耗，会转化成热。就像我们在衰减器中介绍的一样。其实转化成热，有时候更让我们头疼。因为热这个东西太可怕了，几乎所有的电子器件都有一个可以正常工作的温度范围，当超过这个温度了之后，工作就不正常了。长期在高温环境下工作，器件老化速率会加快，更容易损坏。

通信&信息处理 # 天线设计

刘航宇 3年前
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集成电路中I/O PAD及其版图标准单元设计技术的特点：标准单元是一个具有规则外部形状的单元，其内容是优化设计的逻辑单元版图，各单元的规模应相近，并遵循一致的引线规则。一个标准单元库内的所有单元遵循同一的工艺设计规则，一个单元库对应一条或一组完全相同的工艺线。也就是说，当工艺发生变化时，单元库必须修改或重建。不论是局部逻辑或是完整的集成电路或系统，用标准单元实现的版图采用“行式结构”，即各标准单元排列成行。输入、输出单元（I/O PAD）任何一种设计技术、版图结构都需要输入/输出单元。想想看， I/O单元有什么作用？连接芯片内部与芯片外部系统（压焊块）要的功能：对外的驱动内提供内外的隔离和输入保护功能 I /O单元的形式 I/O PAD不仅是压焊块，还有电路，需电源和地线连通。焊块用于连接芯片与封装管座，这些压焊块通常是边长几十微米的矩形。大部分I/O PAD都是以标准单元的结构形式出现。通常具有等高不等宽的外部形状。图片图片图片

VLSI&IC验证 # VLSI

刘航宇 3年前
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2022-10-16
UART串行接口设计及通信实现通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种异步收发传输器。图片异步串行、接口原理分析串行通信电气特性通常，UART串行接口采用RS-232-C电气标准进行通信。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。对于一般的通信，不需要掌握RS-232-C的所有信号的定义，只需要使用其中的2个信号TXD（数据发送）和RXD（数据接收），另外，参加通信的设备要将GND（地）要连到一起(共地)。数据线TxD和RxD的电平标准为: 逻辑1=-3V～-15V；逻辑0=+3～+15V RS-232-C标准规定的数据传输速率为9600、19200、115200等波特率。波特率是衡量资料传送速率的指标,表示每秒钟传送的符号数。如果波特率为9600，那么发送和接收数据都应该为9600bits/s。本节采用9600bit/s进行通信。图片 UART串行数据格式起始位（逻辑0 ）+数据位（本节为8位数据位）+奇偶校验位（本节为偶校验）+停止位（本节使用1位停止位）+空闲位（逻辑1）图片通信的安全性问题串行异步通信，发送方和接收方使用各自的时钟。例如从FPGA电路板和计算机之间的通信，因此，不能保证两者的时钟完全相同。为保证接收数据的准确性，因此需要用较高的采样率进行采样，本节采用16倍的采样率进行采样，简单的选取中间采样点的值作为接收的数据。如图采用16倍波特率的采样率执行采样，一个比特可采集16个点，选取中间点即从第一个采样点开始的第8或第9个采样点（笑脸附近上升沿）采集该位数据，在接收双方始终频率相差不大的情况下，能够正确的完成通信。图片功能设计和演示预计实现的功能（演示）：将拨码开关代表的数据发送到串口（8位）；从串口接收电脑发来的数据，以数码管显示（8位）。主模块设计 ⚫ 调用分频模块 ⚫ 调用数码管显示IP ⚫ 调用按键消抖动IP ⚫ 调用串口发送模块 ⚫ 调用串口接收模块 module v1( input clk, input [11:0] sw, input [3:0] btn,//行列键盘的输入 output [3:0] row,//行列键盘的行输出 output [7:0] seg, output [5:0] an, output [11:0] led, output txd, input rxd ); wire clk_ms,clk_20ms,clk_16x,clk_x; wire [3:0] btnout; wire [23:0] data_disp; wire data_ready; wire data_error; assign row[3:0]=1;//输出全部为高电平，本例程只用4个 divclk my_divclk(.clk(clk),.clk_ms(clk_ms),.btnclk(clk_20ms),.clk_16x(clk_16x),.clk_x(clk_x)); //调用分频模块 ip_disp_0 uut_disp(//调用显示IP .clk(clk), .rst(0), .dispdata({data_disp[11:0],sw[11:0]}), .seg(seg), .an(an) ); ip_ajxd_0 uut_ajxd(//调用按键消抖动IP .btn_clk(clk_20ms), .btn_in(btn), .btn_out(btnout) ); uart_tx (.clk_x(clk_x),.data_in(sw[7:0]),.btn(btnout),.txd(txd),.led(led)); //调用串口发送模块 uart_rx(.clk_16x(clk_16x),.rst(btnout[0]),.rxd(rxd),.data_disp(data_disp),.data_ready(data_rea dy),.data_error(data_error));//调用串口发送模块 endmodule图片串口发送程序设计图片串口接收程序设计图片图片

嵌入式＆系统通信&信息处理 # ASIC/FPGA

刘航宇 3年前
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关于射频芯片马上懂！一部可支持打电话、发短信、网络服务、APP应用的手机，通常包含五个部分：射频、基带、电源管理、外设、软件。射频：一般是信息发送和接收的部分; 基带：一般是信息处理的部分; 电源管理：一般是节电的部分，由于手机是能源有限的设备，所以电源管理十分重要; 外设：一般包括LCD，键盘，机壳等; 软件：一般包括系统、驱动、中间件、应用。目录射频芯片和基带芯片的关系工作原理与电路分析接收电路的结构和工作原理1.电路结构 2.各元件的功能与作用 3.接收信号流程 1.电路结构 2.各元件的功能与作用 3.发射信号流程国产射频芯片产业链现状在手机终端中，最重要的核心就是射频芯片和基带芯片。射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大;基带芯片负责信号处理和协议处理。那么射频芯片和基带芯片是什么关系? 射频芯片和基带芯片的关系射频(Radio Frenquency)和基带(Base Band)皆来自英文直译。其中射频最早的应用就是Radio——无线广播(FM/AM)，迄今为止这仍是射频技术乃至无线电领域最经典的应用。基带则是band中心点在0Hz的信号，所以基带就是最基础的信号。有人也把基带叫做“未调制信号”，曾经这个概念是对的，例如AM为调制信号(无需调制，接收后即可通过发声元器件读取内容)。但对于现代通信领域而言，基带信号通常都是指经过数字调制的，频谱中心点在0Hz的信号。而且没有明确的概念表明基带必须是模拟或者数字的，这完全看具体的实现机制。言归正传，基带芯片可以认为是包括调制解调器，但不止于调制解调器，还包括信道编解码、信源编解码，以及一些信令处理。而射频芯片，则可看做是最简单的基带调制信号的上变频和下变频。所谓调制，就是把需要传输的信号，通过一定的规则调制到载波上面让后通过无线收发器(RF Transceiver)发送出去的工程，解调就是相反的过程。工作原理与电路分析射频简称RF射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波，为是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频(大于10K);射频(300K-300G)是高频的较高频段;微波频段(300M-300G)又是射频的较高频段。射频技术在无线通信领域中被广泛使用，有线电视系统就是采用射频传输方式。射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形，并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件，它包括功率放大器、低噪声放大器和天线开关。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。射频电路方框图图片接收电路的结构和工作原理接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波，高频放大后，送入中频内进行解调，得到接收基带信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。该电路掌握重点：1、接收电路结构;2、各元件的功能与作用;3、接收信号流程。 1.电路结构接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管(低噪声放大器)、中频集成块(接收解调器)等电路组成。早期手机有一级、二级混频电路，其目的把接收频率降低后再解调(如下图) 接收电路方框图图片 2.各元件的功能与作用 1)、手机天线：结构：(如下图) 由手机天线分外置和内置天线两种;由天线座、螺线管、塑料封套组成。图片作用：a)、接收时把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号。b)、发射时把功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。 2)、天线开关：结构：(如下图) 手机天线开关(合路器、双工滤波器)由四个电子开关构成。图片作用：完成接收和发射切换; 完成900M/1800M信号接收切换。逻辑电路根据手机工作状态分别送出控制信号(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN)，令各自通路导通，使接收和发射信号各走其道，互不干扰。由于手机工作时接收和发射不能同时在一个时隙工作(即接收时不发射，发射时不接收)。因此后期新型手机把接收通路的两开关去掉，只留两个发射转换开关;接收切换任务交由高放管完成。 3)、滤波器：结构：手机中有高频滤波器、中频滤波器。作用：滤除其他无用信号，得到纯正接收信号。后期新型手机都为零中频手机;因此，手机中再没有中频滤波器。 4)、高放管(高频放大管、低噪声放大器)：结构：手机中高放管有两个：900M高放管、1800M高放管。都是三极管共发射极放大电路;后期新型手机把高放管集成在中频内部。高频放大管供电图图片作用：对天线感应到微弱电流进行放大，满足后级电路对信号幅度的需求。完成900M/1800M接收信号切换。原理：供电：900M/1800M两个高放管的基极偏压共用一路，由中频同时路提供;而两管的集电极的偏压由中频CPU根据手机的接收状态命令中频分两路送出;其目的完成900M/1800M接收信号切换。经过滤波器滤除其他杂波得到纯正935M-960M的接收信号由电容器耦合后送入相应的高放管放大后经电容器耦合送入中频进行后一级处理。 5)、中频(射频接囗、射频信号处理器)：结构：由接收解调器、发射调制器、发射鉴相器等电路组成;新型手机还把高放管、频率合成、26M振荡及分频电路也集成在内部(如下图)。图片作用： a)、内部高放管把天线感应到微弱电流进行放大; b)、接收时把935M-960M(GSM)的接收载频信号(带对方信息)与本振信号(不带信息)进行解调，得到67.707KHZ的接收基带信息; c)、发射时把逻辑电路处理过的发射信息与本振信号调制成发射中频; d)、结合13M/26M晶体产生13M时钟(参考时钟电路); e)、根据CPU送来参考信号，产生符合手机工作信道的本振信号。 3.接收信号流程手机接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号，经过天线开关接收通路，送高频滤波器滤除其它无用杂波，得到纯正935M-960M(GSM)的接收信号，由电容器耦合送入中频内部相应的高放管放大后，送入解调器与本振信号(不带信息)进行解调，得到67.707KHZ的接收基带信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。 #发射电路的结构和工作原理发射时，把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频，用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。该电路掌握重点：(1)、电路结构;(2)、各元件的功能与作用;(3)、发射信号流程。 1.电路结构发射电路由中频内部的发射调制器、发射鉴相器;发射压控振荡器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、发射互感器等电路组成。(如下图) 发射电路方框图图片 2.各元件的功能与作用 1)、发射调制器：结构：发射调制器在中频内部，相当于宽带网络中的MOD。作用：发射时把逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)与本振信号调制成发射中频。 2)、发射压控振荡器(TX-VCO)：结构：发射压控振荡器是由电压控制输出频率的电容三点式振荡电路;在生产制造时集成为一小电路板上，引出五个脚：供电脚、接地脚、输出脚、控制脚、900M/1800M频段切换脚。当有合适工作电压后便振荡产生相应频率信号。作用：把中频内调制器调制成的发射中频信号转为基站能接收的890M-915M(GSM)的频率信号。原理：众所周知，基站只能接收890M-915M(GSM)的频率信号，而中频调制器调制的中频信号(如三星发射中频信号135M)基站不能接收的，因此，要用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。当发射时，电源部分送出3VTX电压使TX-VCO工作，产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走：a)、取样送回中频内部，与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号，送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道，则鉴相器会产生1-4V跳变电压(带有交流发射信息的直流电压)去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量，达到调整频率准确性目的。b)、送入功放经放大后由天线转为电磁波辐射出去。从上看出：由TX-VCO产生频率到取样送回中频内部，再产生电压去控制TX-VCO工作;刚好形成一个闭合环路，且是控制频率相位的，因此该电路也称发射锁相环电路。 3)、功率放大器(功放)：结构：目前手机的功放为双频功放(900M功放和1800M功放集成一体)，分黑胶功放和铁壳功放两种;不同型号功放不能互换。作用：把TX-VCO振荡出频率信号放大，获得足够功率电流，经天线转化为电磁波辐射出去。值得注意：功放放大的是发射频率信号的幅值，不能放大他的频率。功率放大器的工作条件： a)、工作电压(VCC)：手机功放供电由电池直接提供(3.6V); b)、接地端(GND)：使电流形成回路; c)、双频功换信号(BANDSEL)：控制功放工作于900M或工作于1800M; d)、功率控制信号(PAC)：控制功放的放大量(工作电流); e)、输入信号(IN);输出信号(OUT)。 4)、发射互感器：结构：两个线径和匝数相等的线圈相互靠近，利用互感原理组成。作用：把功放发射功率电流取样送入功控。原理：当发射时功放发射功率电流经过发射互感器时，在其次级感生与功率电流同样大小的电流，经检波(高频整流)后并送入功控。 5)、功率等级信号：所谓功率等级就是工程师们在手机编程时把接收信号分为八个等级，每个接收等级对应一级发射功率(如下表)，手机在工作时，CPU根据接的信号强度来判断手机与基站距离远近，送出适当的发射等级信号，从而来决定功放的放大量(即接收强时，发射就弱)。附功率等级表：图片 6)、功率控制器(功控)：结构：为一个运算比较放大器。作用：把发射功率电流取样信号和功率等级信号进行比较，得到一个合适电压信号去控制功放的放大量。原理：当发射时功率电流经过发射互感器时，在其次级感生的电流，经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量，使功放工作电流适中，既省电又能长功放使用寿命(功控电压高，功放功率就大)。 3.发射信号流程当发射时，逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中频内部的发射调制器，与本振信号调制成发射中频。而中频信号基站不能接收的，要用TX-VCO把发射中频信号频率上升为890M-915M(GSM)的频率信号基站才能接收。当TX-VCO工作后，产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走： a)、一路取样送回中频内部，与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号，送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道，则鉴相器会产生一个1-4V跳变电压去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量，达到调整频率目的。 b)、二路送入功放经放大后由天线转化为电磁波辐射出去。为了控制功放放大量，当发射时功率电流经过发射互感器时，在其次级感生的电流，经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量，使功放工作电流适中，既省电又能长功放使用寿命。国产射频芯片产业链现状在射频芯片领域，市场主要被海外巨头所垄断，国内射频芯片方面，没有公司能够独立支撑IDM的运营模式，主要为Fabless设计类公司;国内企业通过设计、代工、封装环节的协同，形成了“软IDM“”的运营模式。图片射频芯片设计方面，国内公司在5G芯片已经有所成绩，具有一定的出货能力。射频芯片设计具有较高的门槛，具备射频开发经验后，可以加速后续高级品类射频芯片的开发。射频芯片封装方面，5G射频芯片一方面频率升高导致电路中连接线的对电路性能影响更大，封装时需要减小信号连接线的长度;另一方面需要把功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装成为一个模块,一方面减小体积另一方面方便下游终端厂商使用。为了减小射频参数的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封装技术。 Flip-Chip和Fan-In、Fan-Out工艺封装时，不需要通过金丝键合线进行信号连接，减少了由于金丝键合线带来的寄生电效应，提高芯片射频性能;到5G时代，高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out结合Sip封装技术会是未来封装的趋势。在射频芯片领域，市场主要被海外巨头所垄断，国内射频芯片方面，没有公司能够独立支撑IDM的运营模式，主要为Fabless设计类公司;国内企业通过设计、代工、封装环节的协同，形成了“软IDM“”的运营模式。图片 Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out和Sip封装属于高级封装，其盈利能力远高于传统封装。国内上市公司，形成了完整的FlipChip+Sip技术的封装能力。

VLSI&IC验证 # 射频IC

刘航宇 3年前
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2022-10-11
读懂史密斯圆图史密斯圆图能干啥用？史密斯圆图，就是做高频电路之间的阻抗匹配用的。所谓阻抗是电路对电的阻碍能力，它是个矢量，也就是说阻抗值是个复数。这里面既包括实部电阻成分一即与电力 "顶牛儿”的那部分阻力;也包括虚部电抗成分一就是把电力拉偏的那部分阻力。两者加一块,就叫阻抗。阻抗匹配，是电路之间连接的一-个基本要求，简单讲就是输入阻抗和输出阻抗大致相当，方向相反。如果阻抗不匹配呢?轻者电路工作效率低，重者.工作异常或直接烧毁。具体到高频电路来说，这些危害不仅都有，而且比数字电路、低频模拟电路上的危害要严重得多。那高频电路的阻抗匹配是啥标准呢?就是让输入端电阻和输出端电阻是纯阻性,而且最好等于509或752 。那原来阻抗不匹配，现在咋弄它就匹配了呢?就是在两个电路之间，接上电容、电感、传输线,微带线、变压器之类的东西。把阻抗值矫正到阻抗相等面来。史密斯圆图的主要用途，一是计算接到电路里的那些电容器、电感器的参数值的。二是用来显示某一电路的频率一阻抗特性的。史密斯圆图怎么用? 史密斯圆图，它相当于一个地图，它上面每一个点，都代表一个复数形式的阻抗值，而其圆心叫做匹配点，它代表了实部50om,虚部0om的理想阻抗，那就是我们要到达的地方。做阻抗匹配，就是规划一条从阻抗点走到匹配点的线路。然后呢?然后就是利用这些点位之间的差值做计算了。这个事儿我就不讲了。因为过去用纸本史密斯圆图才需要自己算，现在有很多专用软件能替我们做，不仅能算刚才我提到的那个匹配元件的电容量、电感量,还能算出谐振电路的Q值，驻波比，衰减量等等,这就用不着咱们算了，诸位知道这些概念是啥意思，就行了!至于具体怎么用史密斯圆图软件?怎么看这些数据?怎么评价匹配的效果?别着急，我们后边再聊。史密斯圆图第二节史密斯圆图该咋看? 简言之,是看一线、两弧和两圆。我们说过，史密斯圆图上的每个点，都有实部值和虚部值，那么图上的线,其实也只有两种，一是等实部线，二是等虚部线。读史密斯圆图，就是先沿等虚部线,找到实部值，再沿着等实部线找到虚部值。那么一线和两弧，都是等虚部线;两圆，是等实部线!接下来我们就从一线讲起，说说史密斯圆图的刻度划分刻度值线一一根特殊的等虚部线图片史密斯圆图被一条名为电阻线的蓝色横线分成上下两个半区，上半部分叫电感区，那里所有点的虛部值都为正;下半部分叫电容区，那里所有点的虚部值都为负。而电阻线本身的虚部阻抗值不正不负，他上面每一个点的阻抗值均为0欧。所以电阻线是一根特殊的虚部线，它是我们查找实部值的一把尺子。电阻线上有三个点，最左侧的叫短路点，他表示实部值0欧姆,虚部值也为0欧姆的情况;最右侧的叫断路点，他表示实部值无穷大，虚部值也为0欧姆的情况;而中间点,也就是圆心那是匹配点，那里的阻值是“标准阻值”，一般情况下他是50欧姆。“三点” 是史密斯圆图的基点，也是我们校正天线分析仪的起点，一定记住。归一化处理但是请注意!虽然电阻线是一把测量实部阻值的尺子，但是这把尺子上标的不一定是实部阻值。纸本的史密斯圆图标注的是阻抗值/标准阻值的比值，这叫归-化处理，这个值叫归-化阻抗值。下图中的小红字标的是阻抗值，而大红字标的是归一化阻抗值9。咱们先说图.上的大红字，那就是归一化之后的阻抗值。如果我们是在纸本史密斯圆图上标图，那第一步应该把阻抗值转换成归一化阻抗值。图片以标准阻抗50欧姆为例。我们要找100欧姆的实部值，就去电阻线上找归一化阻抗值为100欧姆/50欧姆=2的点，而图上显示"0.2" 归一化阻抗值的地方，其实际阻抗值就是0.2*50欧姆= 10欧姆,而匹配点的归一化阻抗值永远为1,这是归一化阻抗标注法的一个识别标志。为什么要用归一化阻抗值标注刻度呢?因为很多时候，我们不是要把电路匹配到50欧姆上,而是要匹配到75欧姆或者300欧姆等阻抗上。请看下图，这是75欧姆标准电阻时，史密斯原图上的情况，其中电阻线下方写的红字是阻抗值。电阻线上方的写的红字是归一化阻抗值。图片第二套刻度一一导纳值和归一化导纳值等电阻线是一把度量实部值的尺子，它有阻抗值和归一化阻抗值和两种标注方法,其实在电脑版史密斯圆图的等电阻线上，还有一套刻度。就是用大绿字标注的归一化导纳值和用小绿字标注的导纳值。有人想问导纳值是啥?导是电阻值的倒数,纳是电抗值的倒数，导纳加一块就是导纳值，它是阻抗值的倒数，导纳值的单位是西门子，写作“S"，1S等于= 1000mS。给导纳值做归一化，也就是将导纳值除以0.02S标准导纳值(0.02S, 其实就是1/50欧姆)。这两种标法的值，是等价的。图片例如，电阻线上25Ω那个点，它的导纳值为1/25Ω=0.04S，它的归一化导纳值就是0.04S/0.02S为=2。导纳值既然和阻抗值完全等价，用法也一样，那我们要这个玩意做啥呢?简单讲，我们在标注初始阻抗点时，要根据红色的阻抗值坐标系做，而在做阻抗匹配时，则要用到绿色的导纳值坐标系。两圆两弧---等实部圆和等虚部弧图片两圆---两种等实部线讲特殊的电阻线--也就是0欧姆等虚部线之后，我们看看与电阻线相切的那些圆形。这些圆圈都是等实部线，那上面每一条线的实部值都相等。其中红色的圆圈都叫阻抗圆，而绿色的圆圈都叫导纳圆，我们在电阻线.上找到实部阻抗值或者实部导纳值之后，就要沿着阻抗圆或者电纳圆去找虚部值。其中电阻线以上的点是正值，代表阻抗点的虚部值呈现感性，电阻线以下的点是负值，代表阻抗点的虚部值呈现容性。和看电阻线的规矩一-样,我们在标注初始阻抗值时只看红色的。两弧---两种等虚部线那么虚部值到那去查?从断路点发出，向史密斯圆图边界放射的红线叫等电抗弧;而从短路点发出，向史密斯圆图边界反射的绿线都叫等电纳弧9。这些都是等虚部线，我们找到实部值后，就是沿着实部线9到找到特定值的等虚部线,那虚部线的值标哪儿了呢，在史密斯圆图的外边界上。和刚才-个规矩，我们标初始阻抗值时是根据红色数字做的。总结一下，到底怎么读图? 总结一下，到底怎么读图? 第一步,用阻抗值除以标准电阻，得到归一化实部阻抗值和归一化虚部阻抗值。第二步，在等电阻线上,找到归一化实部阻抗值对应的阻抗圆。第三步，沿着阻抗圆，向上或向下旋转，找与归一化虚部阻抗值对应的等电抗弧。第四步,做个记号，就算OK。举个栗子~! 1002-j50Ω滴点在哪儿? 第一步，计算归一化实部阻抗值为100Ω/50Ω=2;归一化虚部阻抗值为-50Ω/50Ω=-1。第二步,在等电阻线上,找到归一化阻抗值为2的阻抗圆。第三步，沿着归一化阻抗值为2的阻抗圆下旋，转到-1 那个电抗弧上。第四步，做个记号!我标的是X。图片那如果图.上标的是阻抗值呢? 如果是在电脑上识图，图上直接标注的阻抗值，那就更方便了，实部阻抗值标在阻抗圆上，虚部阻抗值写在电抗弧末端。我们标图的时候，不用换算，先根据实部阻抗值找到对应的阻抗圆，再沿着阻抗圆去查对应虚部阻抗值的电抗弧，然后做个记号，就OK啦~ 例如: 我要查100Ω+j50Ω的点，先找到100Ω阻抗圆，然后沿着它的轨迹上旋，到达虚部值为502的地方，然后做个标记，就是Y点。归一化导纳值呢? 简单讲，导纳值坐标系和阻抗值的查法、标注方法完全一样。第一步，用导纳值除以标准导纳值，得到归一化导纳值, 第二步，在等电阻线上,找到归一化实部导纳值对应的那个导纳圆。第三步，沿着导纳圆向上或向下旋转，找与归一化虚部导纳值对应的等电纳弧。第四步，做个记号，就算OK。再举个栗子 0.04S+j0.02S的点在哪儿? 第一步，计算归一化实部导纳值为0.04S/0.02S=2;归一化虚部导纳值为0.02S/0.02S=1. 第二步，在等电阻线上,找到归一化导纳值为2的导纳圆。第三步，沿着归一化导纳值为2的导纳圆上旋，转到导纳值为1的那个电纳弧上。第四步，做个记号!即Z。那如果图上标的是导纳值呢? 那也简单，先根据实部导纳值找到对应的导纳圆，再沿着导纳圆去查对应虚部导纳值的电纳弧，然后做个记号，就OK啦~. 例如: 我要查0.04S-j0.02S的点，先找到0.04S导纳圆，然后沿着它的轨迹下旋，到达虚部值为-0.02S的地方，然后做个标记，那就是S点。好了~!关于怎么查史密斯圆图的事儿，我讲完了，接下来请大家做点练习，看看是否理解了。下一次我们学习如何用史密斯圆图做阻抗匹配。读图练习第一题，1点的阻抗值为50Ω+j50N,请问1点在图上什么位置? 第二题，2点的归一化阻抗值为0.5+j0.5，请问2点在图.上什么位置? 第三题，3点导纳值为0.04S-j0.02S,请问3点在图上什么位置? 第四题，4点归一化导纳值为0.5-j0.2,请问4点在图上什么位置? 请把上图打印出来，试着标一下，然后再看文末那个答案。答案图片史密斯圆图第三节怎么用史密斯圆图软件做阻抗匹配史密斯圆图软件做阻抗匹配有六句口诀:先设参数，后选起点，下容上感，左并右串，顺着圆走,往圆心转。 smithV3.1软件的界面，然后按着口诀顺序，一点点说。然后举个设计例子，最后讲讲注意事项。软件界面简介打开SmithV3.1,首先看到左侧-一个有个史密斯圆图，那是我们的操作区域。这里我要着重强调一下，电脑软件上标的都是实际阻抗值，而不是归一化阻抗值，所以我们做阻抗匹配的时候不用换算数据了，但是要在匹配之前设置好频率值和标准电阻值，否则做出来的数据会和现实完全对不上的。图片右侧有几个重要窗口，最顶上的是Schematic窗口，当我们在左侧史密斯圆图上用鼠标做匹配的时候,这个窗口里会显示相应的电路图，比如我图.上画的这个匹配路径对应到电路上,就是先双联13.9p电容，再并联23.4nH电感。图片下方这个Cursor窗口也很重要哦。它里面标注的是光标所在点的具体参数,这其中最重要的当然是VSWR驻波比、和Z阻抗值, Zo标准电阻值， Freq频率值。这其中后两项参数是需要我们在做匹配之前要手工输入的。先设参数，再选起点，先设参数:就是要设置工作频率和标准阻抗这两个值。再选起点:就是要把阻抗点的具体位置设到史密斯圆图.上。我们点击图片这个图标，然后在图片这个页面的左下角General这输入标准阻抗值50Ω，在datapoint那儿输入工作频率，默认设置是500MHz。图片然后我们点击图片按钮，软件都会弹出这个窗口。图片我们在这选中impedance (Ω)，并在下面两个空里填写阻抗点的实部阻抗值和虚部阻抗值，这就样就设好起点了. 然后呢?然后就该我们添加元件了。下容上感，左并右串我们点击工具栏的这个部分，就可以在阻抗点上连接电容或电感了。图片怎么接线呢？这有两句口诀：下容上感，左并右串。那我们参照下图看一看。图片 ”下容上感”，是说史密斯圆图的电阻线上方是电感区，下方是电容区，因此呢，我们要往下移动阻抗点，就得接电容;要往上移动阻抗点，就得接电感。那具体是串电容还是并电容,又或者是串电感还是并电感呢?我们来看下一-句左并右串。 “左并右串”，是说如果我们要沿着左侧这组蓝色的导纳圆移动阻抗点，就点击“并联元件”，也就是点工具栏上这两个按钮图片；如果我们要沿着右侧这组红色的阻抗圆移动阻抗点，就点击“串联元件”，就点工具栏上的这两个按钮图片顺着圆走，往圆心转那我们究竟怎么走到标准阻抗点呢?那第五句和第六句说的问题。所谓“顺着圆走”，是说顺着右侧的50阻抗圆或顺着左侧那个20mS导纳圆走，为什么呢?因为这两个圆都与匹配点相切，所以无论我们走什么路径去匹配点，都得经过其中-一个圆，而“往圆心转”是说我们无论沿着.上面哪条弧线旋转，最终都是往史密斯圆图的中心旋转。等我们把阻抗点挪到自己认为合适的位置后，右侧Schemat窗口里也就画出来了我们的阻抗匹配电路。一个栗子某功率放大器的要放大100M信号，其输入阻抗值为252+j352,而信号源阻抗为50Q,现在要在两者之间接一个匹配电路,为此我要如此操作。先设参数:我们点击图片这个图标，然后在图片这个页面的左下角General这输入标准阻抗值50Ω，在Datapoint那儿输入工作频率100MHz。然后点ok按钮。图片再选起点：我们点击图片按钮，软件都会弹出这个窗口图片我们在这选中impedance,然后在下面的两个空里填入实部值25欧姆、虚部值+35欧姆,点ok就行了。这时候我们发现，史密斯圆图上会出现一个方形坐标点DP1. 图片下容上感，左并右串。顺着圆走,往圆心转那接下来，我们就要通过连接元件，改变阻抗点的阻抗了。由于DP1位于史密斯圆图的电感区，所以我们要让他往下转，那旋转是有很多路径，我们先说最简单的，从DP1直接转到20mS导纳圆上,在顺着20mS导纳圆上继续下旋到圆心。当然这是我们的设想，实际不一定能实现，我们就先以此为目标，试试看吧。那由于我是要向下移动阻抗点，也就是向电容区移动阻抗点，所以我要连接电容。由于我是沿着右侧的25欧姆阻抗线向下移动，左并右串，所以我应该选串联电容,也就是点图片我们点了串联电容按钮之后，会发现光标不能自由移动了，它只能是沿着红色的25欧姆阻抗圆移动，这就是smithV3.1软件的便利之处,他能防止我们走错路。那我们按软件限定的路线,沿着25欧姆阻抗圆下旋，发现有两次机会转到20mS导纳线上,我选哪一次呢?我们设想中是选第一次机会，但是我看到右侧Schenatic窗口里，要添加的串联电容是155pf就改主意了，因为这是个非标容量，说白了我让谁买也买不来这型号的电容。于是我继续沿着25欧姆阻抗圆向下旋转，到第二个交汇点去碰碰运气。那我到达25欧姆阻抗线与20mS导纳线第二次相交的地方一看，发现右侧Schenatic窗口里显示的是串联的是26p电容，这个参数与27p极为接近，那这容量的电容有地方买，所以我就在这儿点下鼠标左键，图片上就出现了DP2点。那接下来，我是要由DP2沿着20mS导纳圆上旋对吧?因为下容上感，所以我们要接电感，因为左并右串，我们要沿着左侧圆走，所以要并联电感，那我们点图片和第一步一样,我们还是要沿着电脑规划的线路边走边看，走到圆心时，我们发现右侧Schemat窗口里，显示的电感值是80nH左右，这个电感没啥制作难度，所以我就再次点击鼠标左键，史密斯圆图中心附近就会多出来一个DP3。也就是路径4这个图。图片那我们到了这个DP3又意味着什么呢?我们别挪动光标，我们把鼠标停在DP3上，把视线挪到Cursor这个小窗上，在这我们会看到Q值0.005， VSWR1.03等参数。显然，VSWR约等于1,是个很好的结果，实际小信号的SWR匹配到1 .5就以很好了。而大功率的通讯设备，需要尽量往小了做，做到1.2以下。两个问题首先，我们还可以有别的匹配路径么?当然可以，条条大路通罗马。刚才我们走的路径是先串后并，用了一一个电容一个电感，走20mS导纳圆到的中点，也就是图上的路径1。那如果我们改走右边的509阻抗圆行么?行啊，完全可以。我们可以先并联16pf电容,再串联51pf电容。这就是路径2。那还有别的路可走么?有啊，比如我们可以选用阻抗匹配变压器，也就是先串联47pf电容，下旋到电阻线，再使用1:1 .4的阻抗变压器，沿着等Q值弧线(也就是从短路点、断路点之间的蓝色弧线,参见文末的图例)向右移动到圆心，这就是路径39。那还有别的么?有啊，我们还可以接电阻，走等虚部弧。比如我们可以走路径4，即先串联电阻，从DP1进到右边50Q阻抗圆.上,然后再串电容沿着50Q阻抗圆继续下旋，这也是可以的。只不过要注意两个问题，第- -点, 我们接电阻走等虚部线的时候，虽然匹配上了，但是会增加电路损耗的。第二点，由于现实中可没有合用的负阻元件卖，所以我们做匹配时绝不能沿着等虚部线退着走，也就是说不能接负阻器件，这- -点smith3.1软件考虑到了，他会限制我们那么做，但是其他软件或纸本的史密斯圆图就得注意这问题。图片其次，如果我们做匹配时转不到史密斯圆图的正中心(不太可能)，或者实际制作中对不到史密斯圆图中心(很常见)，那又意味着什么? 请看下图，图上这些棕色圆圈是等VSWR圆,也就是等驻波比圆，这个驻波比圆的特点是越靠近圆心，驻波比越小，比如圆心那- -点是1.也就是说输入端送出进去多少信号，负载端就吸收多少信号，能量一点没糟践;驻波比1.5，意味着有4%的功率撞到输出端又撞回输入端了。驻波比29,就意味着有11%的能量撞回去了。通常来说，小信号阻抗匹配电路对驻波比要求比较低，达到1.5就算良好匹配了。如果体积有限制，还可以进一步放宽一些。但是如果是强信号，电台天线那种场合,SWR控制的就比较严格了，大功率电台,通信基站要控制在1.2以内。图片

嵌入式＆系统 # 天线设计 # 电子线路

刘航宇 3年前
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高速电路系统-传输线阻抗匹配目录传输线反射系数信号反射分析信号阻抗匹配设计调试办法传输线反射系数 ●当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续点时，信号会发生反射， ●就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。 ●根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 $\Gamma=\frac{V_{r e f}}{V_{i n c}}=\frac{R_L-Z_0}{R_L+Z_0}$ 信号反射分析图片在信号跳变的瞬间，源端和负载端的电压变化信号阻抗匹配设计图片优点：RS无需电源，低功耗，对于驱动高容性负载起到限流作用，有效的避免了一些噪声。缺点：信号源加电阻占空间，对扇出不好。图片（C)优点RC隔直流，消除直流损耗。电容有充电时间，RC饱和时间大于2倍传输线延迟，也就是源端发射信号到RC电路之前没有饱和。调试办法图片在射频电路中进行阻抗匹配测试时，可按照如下步骤进行射频匹配网络调试： 1：校准矢量网络分析仪 2：用矢网测量开口线，保存S1P文件。在ADS中新建工程，按照如下原理图，插入开口线的S1P文件，使用ADS调谐调整微带线的长度，使开口线位于smith圆图的最右边使其处于开路状态，更新原理图参数。图片 3：测量前级的输出阻抗将开口线焊接在焊点1的位置，利用矢网测量出前级网络的输出阻抗，保存S1P文件，利用上面抵消开口线参数影响后更新后ADS原理图，插入前级网络S1P文件，在ADS里读出对应频率点的阻抗Z1 4：测量下级的输出阻抗将开口线焊接在焊点2的位置，利用矢网测量出后级网络的输出阻抗，保存S1P文件，利用上面抵消开口线参数影响后更新后ADS原理图，插入后级网络S1P文件，在ADS里读出对应频率点的阻抗Z2 5：利用ADS的Smith Chart Utility 进行阻抗匹配图片将前级网络的输出阻抗Z1取共轭，负载网络的输入阻抗为Z2，代入到Utility进行阻抗匹配，最后将匹配后的元件值焊接到板子上进行测试

嵌入式＆系统通信&信息处理

刘航宇 3年前
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2022-09-30
【Verilog编解码】数据的串并转化目录一、串转并转换模块1、利用移位寄存器 2、利用计数器二、并转串转换模块一、串转并转换模块 1、利用移位寄存器串行转并行数据输出：采用位拼接技术（移位寄存器），将串行的数据总数先表示出来，然后发送一位数据加一，后面的接收的这样标志： data_o <= {data_o[6:0],data_i }; 这是左移，右移也是可以的，依据项目而定。 1输入8输出的串转并模块的Verilog代码 module serial_parallel( input clk, input rst_n,en, input data_i, //一位输入 output reg [7:0] data_o //8位并行输出 ); always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (rst_n == 1'b0) data_o <= 8'b0; else if (en == 1'b1) data_o <= {data_o[6:0], data_i}; //低位先赋值 //data_o <= {data_i,data_o[7:1],}; //高位先赋值 else data_o <= data_o; end endmodule测试代码 `timescale 1ns/100ps module serial_parallel_tb; reg clk,rst_n,en; reg data_i; wire [7:0] data_o; serial_parallel n1(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.en(en),.data_i(data_i),.data_o(data_o)); initial begin clk = 0; rst_n = 0; en = 0; #20 rst_n = 1; #20 en = 1; data_i = 1; #20 data_i = 0; #20 data_i = 1; #20 data_i = 0; #20 data_i = 1; #20 data_i = 1; #20 data_i = 0; #20 data_i = 0; end initial begin forever #10 clk = ~clk; end endmodule2、利用计数器利用计数器cnt 时钟计数，开始数据先给高位，每过一个时钟周期，数据便给低一位。这样便可以达到串转并的效果 1输入8输出的串转并模块的Verilog代码 module serial_parallel( input clk, input rst_n, input data_i, output reg [7:0] data_o ); //msb first most significant bit 表示二进制数据的最高位 reg [2:0] cnt; //计数器0-7 always @(posedge clk or negedge rst_n)begin if(rst_n == 1'b0)begin data_o <= 8'b0; cnt <= 3'd0; end else begin data_o[7 - cnt] <= data_i; //高位先赋值 //data_o[cnt] <= data_i; //低位先赋值 cnt <= cnt + 1'b1; end end endmodule测试代码 `timescale 1ns/100ps module serial_parallel_tb; reg clk,rst_n; reg data_i; wire [7:0] data_o; serial_parallel n1(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.data_i(data_i),.data_o(data_o)); initial begin clk = 0; rst_n = 0; #20 rst_n = 1; data_i = 1; #20 data_i = 1; #20 data_i = 1; #20 data_i = 0; #20 data_i = 1; #20 data_i = 1; #20 data_i = 1; #20 data_i = 0; end initial begin forever #10 clk = ~clk; end endmodule二、并转串转换模块并串转换的原理是：先将八位数据暂存于一个四位寄存器器中，然后左移输出到一位输出端口，这里通过一个“移位”指令。 8输入1输出的并转串模块的Verilog代码使能信号en表示开始执行并转串操作，由于并转串是移位操作，当一次并转串完成后，需要重新载入待转换的并行数据时，使能信号要再起来一次 module parallel_serial(clk, rst_n, en, data_i, data_o); input clk, rst_n,en; input [7:0] data_i; output data_o; reg [7:0] data_buf; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (rst_n == 1'b0) begin data_buf <= 8'b0; end else if (en == 1'b1) data_buf <= data_i; else data_buf <= data_buf <<1; //将寄存器内的值左移，依次读出 //data_buf <= {data_buf[6:0],1'b0}; end assign data_o = data_buf[7]; endmodule测试代码 `timescale 1ns/100ps module parallel_serial_tb; reg clk,rst_n,en; reg [7:0]data_i; wire data_o; serial_parallel n1(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.en(en),.data_i(data_i),.data_o(data_o)); initial begin clk = 0; rst_n = 0; en = 0; #10 rst_n = 1; #15 en = 1; data_i = 8'b10111010; #10 en = 0; #195 en = 1; data_i = 8'b10110110; #10 en = 0; end initial begin forever #10 clk = ~clk; end endmodule图片

FPGA&ASIC

刘航宇 3年前
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Verilog实现FIFO的设计 FIFO（First In First Out）是异步数据传输时经常使用的存储器。该存储器的特点是数据先进先出（后进后出）。其实，多位宽数据的异步传输问题，无论是从快时钟到慢时钟域，还是从慢时钟到快时钟域，都可以使用 FIFO 处理。完整的 FIFO 设计见附件，包括输入数据位宽小于输出数据位宽时的异步设计和仿真。源代码FIFO.zip 下载地址：https://wwu.lanzoub.com/iIdvu0am46cf 提取码：目录 FIFO 原理工作流程读写时刻读空状态写满状态 FIFO 设计设计要求双口 RAM 设计计数器设计 FIFO 设计FIFO 调用 testbench 仿真分析 FIFO 原理工作流程复位之后，在写时钟和状态信号的控制下，数据写入 FIFO 中。RAM 的写地址从 0 开始，每写一次数据写地址指针加一，指向下一个存储单元。当 FIFO 写满后，数据将不能再写入，否则数据会因覆盖而丢失。 FIFO 数据为非空、或满状态时，在读时钟和状态信号的控制下，可以将数据从 FIFO 中读出。RAM 的读地址从 0 开始，每读一次数据读地址指针加一，指向下一个存储单元。当 FIFO 读空后，就不能再读数据，否则读出的数据将是错误的。 FIFO 的存储结构为双口 RAM，所以允许读写同时进行。典型异步 FIFO 结构图如下所示。端口及内部信号将在代码编写时进行说明。图片读写时刻关于写时刻，只要 FIFO 中数据为非满状态，就可以进行写操作；如果 FIFO 为满状态，则禁止再写数据。关于读时刻，只要 FIFO 中数据为非空状态，就可以进行读操作；如果 FIFO 为空状态，则禁止再读数据。不管怎样，一段正常读写 FIFO 的时间段，如果读写同时进行，则要求写 FIFO 速率不能大于读速率。读空状态开始复位时，FIFO 没有数据，空状态信号是有效的。当 FIFO 中被写入数据后，空状态信号拉低无效。当读数据地址追赶上写地址，即读写地址都相等时，FIFO 为空状态。因为是异步 FIFO，所以读写地址进行比较时，需要同步打拍逻辑，就需要耗费一定的时间。所以空状态的指示信号不是实时的，会有一定的延时。如果在这段延迟时间内又有新的数据写入 FIFO，就会出现空状态指示信号有效，但是 FIFO 中其实存在数据的现象。严格来讲该空状态指示是错误的。但是产生空状态的意义在于防止读操作对空状态的 FIFO 进行数据读取。产生空状态信号时，实际 FIFO 中有数据，相当于提前判断了空状态信号，此时不再进行读 FIFO 数据操作也是安全的。所以，该设计从应用上来说是没有问题的。写满状态开始复位时，FIFO 没有数据，满信号是无效的。当 FIFO 中被写入数据后，此时读操作不进行或读速率相对较慢，只要写数据地址超过读数据地址一个 FIFO 深度时，便会产生满状态信号。此时写地址和读地址也是相等的，但是意义是不一样的。图片此时经常使用多余的 1bit 分别当做读写地址的拓展位，来区分读写地址相同的时候，FIFO 的状态是空还是满状态。当读写地址与拓展位均相同的时候，表明读写数据的数量是一致的，则此时 FIFO 是空状态。如果读写地址相同，拓展位为相反数，表明写数据的数量已经超过读数据数量的一个 FIFO 深度了，此时 FIFO 是满状态。当然，此条件成立的前提是空状态禁止读操作、满状态禁止写操作。同理，由于异步延迟逻辑的存在，满状态信号也不是实时的。但是也相当于提前判断了满状态信号，此时不再进行写 FIFO 操作也不会影响应用的正确性。 FIFO 设计设计要求为设计应用于各种场景的 FIFO，这里对设计提出如下要求： (1) FIFO 深度、宽度参数化，输出空、满状态信号，并输出一个可配置的满状态信号。当 FIFO 内部数据达到设置的参数数量时，拉高该信号。 (2) 输入数据和输出数据位宽可以不一致，但要保证写数据、写地址位宽与读数据、读地址位宽的一致性。例如写数据位宽 8bit，写地址位宽为 6bit（64 个数据）。如果输出数据位宽要求 32bit，则输出地址位宽应该为 4bit（16 个数据）。 (3) FIFO 是异步的，即读写控制信号来自不同的时钟域。输出空、满状态信号之前，读写地址信号要用格雷码做同步处理，通过减少多位宽信号的翻转来减少打拍法同步时数据的传输错误。格雷码与二进制之间的转换如下图所示。图片双口 RAM 设计 RAM 端口参数可配置，读写位宽可以不一致。建议 memory 数组定义时，以长位宽地址、短位宽数据的参数为参考，方便数组变量进行选择访问。 Verilog 描述如下。 module ramdp #( parameter AWI = 5 , parameter AWO = 7 , parameter DWI = 64 , parameter DWO = 16 ) ( input CLK_WR , //写时钟 input WR_EN , //写使能 input [AWI-1:0] ADDR_WR ,//写地址 input [DWI-1:0] D , //写数据 input CLK_RD , //读时钟 input RD_EN , //读使能 input [AWO-1:0] ADDR_RD ,//读地址 output reg [DWO-1:0] Q //读数据 ); //输出位宽大于输入位宽，求取扩大的倍数及对应的位数 parameter EXTENT = DWO/DWI ; parameter EXTENT_BIT = AWI-AWO > 0 ? AWI-AWO : 'b1 ; //输入位宽大于输出位宽，求取缩小的倍数及对应的位数 parameter SHRINK = DWI/DWO ; parameter SHRINK_BIT = AWO-AWI > 0 ? AWO-AWI : 'b1; genvar i ; generate //数据位宽展宽（地址位宽缩小） if (DWO >= DWI) begin //写逻辑，每时钟写一次 reg [DWI-1:0] mem [(1<<AWI)-1 : 0] ; always @(posedge CLK_WR) begin if (WR_EN) begin mem[ADDR_WR] <= D ; end end //读逻辑，每时钟读 4 次 for (i=0; i<EXTENT; i=i+1) begin always @(posedge CLK_RD) begin if (RD_EN) begin Q[(i+1)*DWI-1: i*DWI] <= mem[(ADDR_RD*EXTENT) + i ] ; end end end end //================================================= //数据位宽缩小（地址位宽展宽） else begin //写逻辑，每时钟写 4 次 reg [DWO-1:0] mem [(1<<AWO)-1 : 0] ; for (i=0; i<SHRINK; i=i+1) begin always @(posedge CLK_WR) begin if (WR_EN) begin mem[(ADDR_WR*SHRINK)+i] <= D[(i+1)*DWO -1: i*DWO] ; end end end //读逻辑，每时钟读 1 次 always @(posedge CLK_RD) begin if (RD_EN) begin Q <= mem[ADDR_RD] ; end end end endgenerate endmodule计数器设计计数器用于产生读写地址信息，位宽可配置，不需要设置结束值，让其溢出后自动重新计数即可。Verilg 描述如下。 module ccnt #(parameter W ) ( input rstn , input clk , input en , output [W-1:0] count ); reg [W-1:0] count_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin count_r <= 'b0 ; end else if (en) begin count_r <= count_r + 1'b1 ; end end assign count = count_r ; endmoduleFIFO 设计该模块为 FIFO 的主体部分，产生读写控制逻辑，并产生空、满、可编程满状态信号。鉴于篇幅原因，这里只给出读数据位宽大于写数据位宽的逻辑代码，写数据位宽大于读数据位宽的代码描述详见附件。 module fifo #( parameter AWI = 5 , parameter AWO = 3 , parameter DWI = 4 , parameter DWO = 16 , parameter PROG_DEPTH = 16) //可设置深度 ( input rstn, //读写使用一个复位 input wclk, //写时钟 input winc, //写使能 input [DWI-1: 0] wdata, //写数据 input rclk, //读时钟 input rinc, //读使能 output [DWO-1 : 0] rdata, //读数据 output wfull, //写满标志 output rempty, //读空标志 output prog_full //可编程满标志 ); //输出位宽大于输入位宽，求取扩大的倍数及对应的位数 parameter EXTENT = DWO/DWI ; parameter EXTENT_BIT = AWI-AWO ; //输出位宽小于输入位宽，求取缩小的倍数及对应的位数 parameter SHRINK = DWI/DWO ; parameter SHRINK_BIT = AWO-AWI ; //==================== push/wr counter =============== wire [AWI-1:0] waddr ; wire wover_flag ; //多使用一位做写地址拓展 ccnt #(.W(AWI+1)) u_push_cnt( .rstn (rstn), .clk (wclk), .en (winc && !wfull), //full 时禁止写 .count ({wover_flag, waddr}) ); //============== pop/rd counter =================== wire [AWO-1:0] raddr ; wire rover_flag ; //多使用一位做读地址拓展 ccnt #(.W(AWO+1)) u_pop_cnt( .rstn (rstn), .clk (rclk), .en (rinc & !rempty), //empyt 时禁止读 .count ({rover_flag, raddr}) ); //============================================== //窄数据进，宽数据出 generate if (DWO >= DWI) begin : EXTENT_WIDTH //格雷码转换 wire [AWI:0] wptr = ({wover_flag, waddr}>>1) ^ ({wover_flag, waddr}) ; //将写数据指针同步到读时钟域 reg [AWI:0] rq2_wptr_r0 ; reg [AWI:0] rq2_wptr_r1 ; always @(posedge rclk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin rq2_wptr_r0 <= 'b0 ; rq2_wptr_r1 <= 'b0 ; end else begin rq2_wptr_r0 <= wptr ; rq2_wptr_r1 <= rq2_wptr_r0 ; end end //格雷码转换 wire [AWI-1:0] raddr_ex = raddr << EXTENT_BIT ; wire [AWI:0] rptr = ({rover_flag, raddr_ex}>>1) ^ ({rover_flag, raddr_ex}) ; //将读数据指针同步到写时钟域 reg [AWI:0] wq2_rptr_r0 ; reg [AWI:0] wq2_rptr_r1 ; always @(posedge wclk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin wq2_rptr_r0 <= 'b0 ; wq2_rptr_r1 <= 'b0 ; end else begin wq2_rptr_r0 <= rptr ; wq2_rptr_r1 <= wq2_rptr_r0 ; end end //格雷码反解码 //如果只需要空、满状态信号，则不需要反解码 //因为可编程满状态信号的存在，地址反解码后便于比较 reg [AWI:0] wq2_rptr_decode ; reg [AWI:0] rq2_wptr_decode ; integer i ; always @(*) begin wq2_rptr_decode[AWI] = wq2_rptr_r1[AWI]; for (i=AWI-1; i>=0; i=i-1) begin wq2_rptr_decode[i] = wq2_rptr_decode[i+1] ^ wq2_rptr_r1[i] ; end end always @(*) begin rq2_wptr_decode[AWI] = rq2_wptr_r1[AWI]; for (i=AWI-1; i>=0; i=i-1) begin rq2_wptr_decode[i] = rq2_wptr_decode[i+1] ^ rq2_wptr_r1[i] ; end end //读写地址、拓展位完全相同是，为空状态 assign rempty = (rover_flag == rq2_wptr_decode[AWI]) && (raddr_ex >= rq2_wptr_decode[AWI-1:0]); //读写地址相同、拓展位不同，为满状态 assign wfull = (wover_flag != wq2_rptr_decode[AWI]) && (waddr >= wq2_rptr_decode[AWI-1:0]) ; //拓展位一样时，写地址必然不小于读地址 //拓展位不同时，写地址部分比如小于读地址，实际写地址要增加一个FIFO深度 assign prog_full = (wover_flag == wq2_rptr_decode[AWI]) ? waddr - wq2_rptr_decode[AWI-1:0] >= PROG_DEPTH-1 : waddr + (1<<AWI) - wq2_rptr_decode[AWI-1:0] >= PROG_DEPTH-1; //双口 ram 例化 ramdp #( .AWI (AWI), .AWO (AWO), .DWI (DWI), .DWO (DWO)) u_ramdp ( .CLK_WR (wclk), .WR_EN (winc & ！wfull), //写满时禁止写 .ADDR_WR (waddr), .D (wdata[DWI-1:0]), .CLK_RD (rclk), .RD_EN (rinc & !rempty), //读空时禁止读 .ADDR_RD (raddr), .Q (rdata[DWO-1:0]) ); end //============================================== //big in and small out /* else begin: SHRINK_WIDTH …… end */ endgenerate endmoduleFIFO 调用下面可以调用设计的 FIFO，完成多位宽数据传输的异步处理。写数据位宽为 4bit，写深度为 32。读数据位宽为 16bit，读深度为 8，可配置 full 深度为 16。 module fifo_s2b( input rstn, input [4-1: 0] din, //异步写数据 input din_clk, //异步写时钟 input din_en, //异步写使能 output [16-1 : 0] dout, //同步后数据 input dout_clk, //同步使用时钟 input dout_en ); //同步数据使能 wire fifo_empty, fifo_full, prog_full ; wire rd_en_wir ; wire [15:0] dout_wir ; //读空状态时禁止读，否则一直读 assign rd_en_wir = fifo_empty ? 1'b0 : 1'b1 ; fifo #(.AWI(5), .AWO(3), .DWI(4), .DWO(16), .PROG_DEPTH(16)) u_buf_s2b( .rstn (rstn), .wclk (din_clk), .winc (din_en), .wdata (din), .rclk (dout_clk), .rinc (rd_en_wir), .rdata (dout_wir), .wfull (fifo_full), .rempty (fifo_empty), .prog_full (prog_full)); //缓存同步后的数据和使能 reg dout_en_r ; always @(posedge dout_clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin dout_en_r <= 1'b0 ; end else begin dout_en_r <= rd_en_wir ; end end assign dout = dout_wir ; assign dout_en = dout_en_r ; endmoduletestbench `timescale 1ns/1ns `define SMALL2BIG module test ; `ifdef SMALL2BIG reg rstn ; reg clk_slow, clk_fast ; reg [3:0] din ; reg din_en ; wire [15:0] dout ; wire dout_en ; //reset initial begin clk_slow = 0 ; clk_fast = 0 ; rstn = 0 ; #50 rstn = 1 ; end //读时钟 clock_slow 较快于写时钟 clk_fast 的 1/4 //保证读数据稍快于写数据 parameter CYCLE_WR = 40 ; always #(CYCLE_WR/2/4) clk_fast = ~clk_fast ; always #(CYCLE_WR/2-1) clk_slow = ~clk_slow ; //data generate initial begin din = 16'h4321 ; din_en = 0 ; wait (rstn) ; //(1) 测试 full、prog_full、empyt 信号 force test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc = 1'b0 ; repeat(32) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end @(negedge clk_fast) din_en = 1'b0 ; //(2) 测试数据读写 #500 ; rstn = 0 ; #10 rstn = 1 ; release test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc; repeat(100) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end //(3) 停止读取再一次测试 empyt、full、prog_full 信号 force test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc = 1'b0 ; repeat(18) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end end fifo_s2b u_data_buf2( .rstn (rstn), .din (din), .din_clk (clk_fast), .din_en (din_en), .dout (dout), .dout_clk (clk_slow), .dout_en (dout_en)); `else `endif //stop sim initial begin forever begin #100; if ($time >= 5000) $finish ; end end endmodule仿真分析根据 testbench 中的 3 步测试激励，分析如下：测试 (1) : FIFO 端口及一些内部信号时序结果如下。由图可知，FIFO 内部开始写数据，空状态信号拉低之前有一段时间延迟，这是同步读写地址信息导致的。由于此时没有进行读 FIFO 操作，相对于写数据操作，full 和 prog_full 拉高几乎没有延迟。图片测试 (2) : FIFO 同时进行读写时，数字顶层异步处理模块的端口信号如下所示，两图分别显示了数据开始传输、结束传输时的读取过程。由图可知，数据在开始、末尾均能正确传输，完成了不同时钟域之间多位宽数据的异步处理。图片图片测试 (3) ：整个 FIFO 读写行为及读停止的时序仿真图如下所示。由图可知，读写同时进行时，读空状态信号 rempty 会拉低，表明 FIFO 中有数据写入。一方面读数据速率稍高于写速率，且数据之间传输会有延迟，所以中间过程中 rempty 会有拉高的行为。读写过程中，full 与 prog_full 信号一直为低，说明 FIFO 中数据并没有到达一定的数量。当停止读操作后，两个 full 信号不久便拉高，表明 FIFO 已满。仔细对比读写地址信息，FIFO 行为没有问题。图片

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刘航宇 3年前
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2022-08-30
【verilog】单端口与双端口RAM设计 RAM (Random Access Memory)随机访问存储器. RAM又称随机存取存储器，存储单元的内容可按照需要随机取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时，将丢失其存储内容，所以主要用于存储短时间使用的程序。它主要用来存储程序中用到的变量。凡是整个程序中，所用到的需要被改写的量（包括全局变量、局部变量、堆栈段等），都存储在RAM中。目录单端口RAM设计双端口RAM设计单端口RAM设计题目描述：设计一个单端口RAM，它有：写接口，读接口，地址接口，时钟接口和复位；存储宽度是4位，深度128。注意rst为低电平复位信号示意图：图片输入描述：输入信号 enb, clk, rst addr w_data 类型 wire 在testbench中，clk为周期5ns的时钟，rst为低电平复位输出描述：输出信号 r_data 类型 wire `timescale 1ns/1ns module RAM_1port( input clk, input rst, input enb, input [6:0]addr, input [3:0]w_data, output wire [3:0]r_data ); //*************code***********// reg [3:0] ram_reg[127:0]; reg [3:0] ram_data; integer i; always@(posedge clk or negedge rst)begin if(~rst) begin for(i=0;i<128;i=i+1)begin ram_reg[i]<=4'b0; end end else begin if(enb)begin//wire ram_reg[addr]<=w_data; end else begin ram_reg[addr]<=ram_reg[addr]; end end end assign r_data = enb? 4'b0:ram_reg[addr]; //*************code***********// endmodule双端口RAM设计描述实现一个深度为8，位宽为4bit的双端口RAM，数据全部初始化为0000。具有两组端口，分别用于读数据和写数据，读写操作可以同时进行。当读数据指示信号read_en有效时，通过读地址信号read_addr读取相应位置的数据read_data，并输出；当写数据指示信号write_en有效时，通过写地址信号write_addr 和写数据write-data，向对应位置写入相应的数据。程序的信号接口图如下：图片模块的时序图如下：图片使用Verilog HDL实现以上功能并编写testbench验证。输入描述： clk：系统时钟信号 rst_n：异步复位信号，低电平有效 read_en,write_en：单比特信号，读/写使能信号，表示进行读/写操作 read_addr,write_addr：8比特位宽的信号，表示读/写操作对应的地址 write_data：4比特位宽的信号，在执行写操作时写入RAM的数据输出描述： read_data：4比特位宽的信号，在执行读操作时从RAM中读出的数据 `timescale 1ns/1ns module ram_mod( input clk, input rst_n, input write_en, input [7:0]write_addr, input [3:0]write_data, input read_en, input [7:0]read_addr, output reg [3:0]read_data ); reg [3:0] ram_reg[7:0]; integer i; always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(~rst_n) begin for(i=0;i<8;i=i+1)begin ram_reg[i]<=4'b0; end end else begin if(write_en)begin ram_reg[write_addr]<=write_data; end end end always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(~rst_n) begin read_data<=4'b0; end else begin if(read_en)begin read_data<=ram_reg[read_addr]; end end end endmodule

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刘航宇 3年前
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Verilog教程-CIC 滤波器设计积分梳状滤波器（CIC，Cascaded Integrator Comb），一般用于数字下变频（DDC）和数字上变频（DUC）系统。CIC 滤波器结构简单，没有乘法器，只有加法器、积分器和寄存器，资源消耗少，运算速率高，可实现高速滤波，常用在输入采样率最高的第一级，在多速率信号处理系统中具有着广泛应用。目录 DDC 原理带通采样定理 DDC 频谱搬移单级 CIC 滤波器积分器梳状器抽取器参数说明多级 CIC 滤波器 CIC 滤波器设计积分器设计抽取器设计梳状器设计顶层例化仿真结果 DDC 原理 DDC 工作原理 DDC 主要由本地振荡器（NCO）、混频器、滤波器等组成，如下图所示。图片 DDC 将中频信号与振荡器产生的载波信号进行混频，信号中心频率被搬移，再经过抽取滤波，恢复原始信号，实现了下变频功能。中频数据采样时，需要很高的采样频率来确保 ADC（模数转换器）采集到信号的信噪比。经过数字下变频后，得到的基带信号采样频率仍然是 ADC 采样频率，所以数据率很高。此时基带信号的有效带宽往往已经远小于采样频率，所以利用抽取、滤波进行数据速率的转换，使采样率降低，避免资源的浪费和设计的困难，就成为 DDC 不可缺少的一部分。而采用 CIC 滤波器进行数据处理，是 DDC 抽取滤波部分最常用的方法。带通采样定理在 DDC 系统中，输入的中频载波信号会根据载波频率进行频移，得到一个带通信号。如果此时仍然采用奈奎斯特采样定理，即采样频率为带通信号最高频率的两倍，那么此时所需的采样频率将会很高，设计会变的复杂。此时可按照带通采样定理来确定抽样频率。带通采样定理：一个频带限制在$\left(f_{L}, f_{H}\right)$的连续带通信号，带宽为$\mathrm{B}=f_{H}-f_{L}$。令$0 \leq m \leq N-1$，其中 N 为不大于$f_{H} / B$的最大正整数，如果采样频率满足条件：$\frac{2 f_{H}}{m+1} \leq F_{S} \leq \frac{2 f_{L}}{m}$，$0 \leq m \leq N-1$ 则该信号完全可以由其采样值无失真的重建。当 m=1 时，带通采样定理便是奈奎斯特采样定理。带通采样定理的另一种描述方式为：若信号最高频率为信号带宽的整数倍，采样频率只需大于信号带宽的两倍即可，此时不会发生频谱混叠。所以，可以认为采样频率的一半是 CIC 滤波器的截止频率。 DDC 频谱搬移例如一个带宽信号中心频率为 60MHz，带宽为 8MHz, 则频率范围为 56MHz ~ 64MHz，m 的可取值范围为 0 ~ 7。取 m=1, 则采样频率范围为 64MHz ~ 112MHz。取采样频率为 80MHz，设 NCO 中心频率为 20 MHz，下面讨论复信号频谱搬移示意图。（1）考虑频谱的对称性，输入复信号的频谱示意图如下：图片（2）80MHz 采样频率采样后，56~64MHz 的频带被搬移到了 -24~ -16MHz 与 136 ~ 144MHz（高于采样频率被滤除）的频带处，-64~ -56MHz 的频带被搬移到 -144~ -136MHz（高于采样频率被滤除）与 16~24MHz 的频带处。采样后频带分布如下：图片（3）信号经过 20MHz NCO 的正交电路后， -24~ -16MHz 的频带被搬移到 -4~4MHz 与 -44~ -36MHz 的频带处，16~24MHz 的频带被搬移到 -4~4MHz 与 36~44MHz 的频带处，如下所示。图片（4）此时中频输入的信号已经被搬移到零中频基带处。 -44~ -36MHz 和 36~44MHz 的带宽信号是不需要的，可以滤除；-4~4MHz 的零中频信号数据速率仍然是 80MHz，可以进行抽取降低数据速率。而 CIC 滤波，就是要完成这个过程。上述复习了很多数字信号处理的内容，权当抛 DDC 的砖，引 CIC 的玉。 CIC 滤波器原理单级 CIC 滤波器设滤波器抽取倍数为 D，则单级滤波器的冲激响应为：图片对其进行 z 变换，可得单级 CIC 滤波器的系统函数为：图片令图片可以看出，单级 CIC 滤波器包括两个基本组成部分：积分部分和梳状部分，结构图如下：图片积分器积分器是一个单级点的 IIR（Infinite Impulse Response，无限长脉冲冲激响应）滤波器，且反馈系数为 1，其状态方程和系统函数分别为：图片图片梳状器梳状器是一个 FIR 滤波器，其状态方程和系统函数分别为：图片图片抽取器在积分器之后，还有一个抽取器，抽取倍数与梳状器的延时参数是一致的。利用 z 变换的性质进行恒等变换，将抽取器移动到积分器与梳状器之间，可得到单级 CIC 滤波器结构，如下所示。图片参数说明 CIC 滤波器结构变换之前的参数 D 可以理解为梳状滤波器的延时或阶数；变换之后，D 的含义变为抽取倍数，而此时梳状滤波器的延时为 1，即阶数为 1。很多学者会引入一个变量 M，表示梳状器每一级的延时，此时梳妆部分的延时就不为 1 了。那么梳状器的系统函数就变为：图片其实把 DM 整体理解为单级滤波器延时，或者抽取倍数，也都是可以的。可能实现的方式或结构不同，但是最后的结果都是一样的。本次设计中，单级滤波器延时都为 M=1，即抽取倍数与滤波延时相同。多级 CIC 滤波器单级 CIC 滤波器的阻带衰减较差，为了提高滤波效果，抽取滤波时往往会采用多级 CIC 滤波器级联的结构。实现多级直接级联的 CIC 滤波器在设计和资源上并不是最优的方式，需要对其结构进行调整。如下所示，将积分器和梳状滤波器分别移至一组，并将抽取器移到梳状滤波器之前。先抽取再进行滤波，可以减少数据处理的长度，节约硬件资源。图片当然，级联数越大，旁瓣抑制越好，但是通带内的平坦度也会变差。所以级联数不宜过多，一般最多 5 级。 CIC 滤波器设计设计说明 CIC 滤波器本质上就是一个简单的低通滤波器，截止频率为采样频率除以抽取倍数后的一半。输入数据信号仍然是 7.5MHz 和 250KHz，采样频率 50MHz。抽取倍数设置为 5，则截止频率为 5MHz，小于 7.5MHz，可以滤除 7.5MHz 的频率成分。设计参数如下：输入频率： 7.5MHz 和 250KHz 采样频率： 50MHz 阻带： 5MHz 阶数： 1（M=1）级数： 3（N=3）关于积分时中间数据信号的位宽，很多地方给出了不同的计算方式，计算结果也大相径庭。这里总结一下使用最多的计算方式：图片其中，D 为抽取倍数，M 为滤波器阶数，N 为滤波器级数。抽取倍数为 5，滤波器阶数为 1，滤波器级联数为 3，取输入信号数据位宽为 12bit，对数部分向上取整，则积分后数据不溢出的中间信号位宽为 21bit。为了更加宽裕的设计，滤波器阶数如果理解为未变换结构前的多级 CIC 滤波器直接型结构，则滤波器阶数可以认为是 5，此时中间信号最大位宽为 27bit。积分器设计根据输入数据的有效信号的控制，积分器做一个简单的累加即可，注意数据位宽。 //3 stages integrator module integrator #(parameter NIN = 12, parameter NOUT = 21) ( input clk , input rstn , input en , input [NIN-1:0] din , output valid , output [NOUT-1:0] dout) ; reg [NOUT-1:0] int_d0 ; reg [NOUT-1:0] int_d1 ; reg [NOUT-1:0] int_d2 ; wire [NOUT-1:0] sxtx = {{(NOUT-NIN){1'b0}}, din} ; //data input enable delay reg [2:0] en_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin en_r <= 'b0 ; end else begin en_r <= {en_r[1:0], en}; end end //integrator //stage1 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin int_d0 <= 'b0 ; end else if (en) begin int_d0 <= int_d0 + sxtx ; end end //stage2 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin int_d1 <= 'b0 ; end else if (en_r[0]) begin int_d1 <= int_d1 + int_d0 ; end end //stage3 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin int_d2 <= 'b0 ; end else if (en_r[1]) begin int_d2 <= int_d2 + int_d1 ; end end assign dout = int_d2 ; assign valid = en_r[2]; endmodule抽取器设计抽取器设计时，对积分器输出的数据进行计数，然后间隔 5 个数据进行抽取即可。 module decimation #(parameter NDEC = 21) ( input clk, input rstn, input en, input [NDEC-1:0] din, output valid, output [NDEC-1:0] dout); reg valid_r ; reg [2:0] cnt ; reg [NDEC-1:0] dout_r ; //counter always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin cnt <= 3'b0; end else if (en) begin if (cnt==4) begin cnt <= 'b0 ; end else begin cnt <= cnt + 1'b1 ; end end end //data, valid always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin valid_r <= 1'b0 ; dout_r <= 'b0 ; end else if (en) begin if (cnt==4) begin valid_r <= 1'b1 ; dout_r <= din; end else begin valid_r <= 1'b0 ; end end end assign dout = dout_r ; assign valid = valid_r ; endmodule梳状器设计梳状滤波器就是简单的一阶 FIR 滤波器，每一级的 FIR 滤波器对数据进行一个时钟延时，然后做相减即可。因为系数为 ±1，所以不需要乘法器。 module comb #(parameter NIN = 21, parameter NOUT = 17) ( input clk, input rstn, input en, input [NIN-1:0] din, input valid, output [NOUT-1:0] dout); //en delay reg [5:0] en_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin en_r <= 'b0 ; end else if (en) begin en_r <= {en_r[5:0], en} ; end end reg [NOUT-1:0] d1, d1_d, d2, d2_d, d3, d3_d ; //stage 1, as fir filter, shift and add(sub), //no need for multiplier always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d1 <= 'b0 ; else if (en) d1 <= din ; end always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d1_d <= 'b0 ; else if (en) d1_d <= d1 ; end wire [NOUT-1:0] s1_out = d1 - d1_d ; //stage 2 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d2 <= 'b0 ; else if (en) d2 <= s1_out ; end always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d2_d <= 'b0 ; else if (en) d2_d <= d2 ; end wire [NOUT-1:0] s2_out = d2 - d2_d ; //stage 3 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d3 <= 'b0 ; else if (en) d3 <= s2_out ; end always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) d3_d <= 'b0 ; else if (en) d3_d <= d3 ; end wire [NOUT-1:0] s3_out = d3 - d3_d ; //tap the output data for better display reg [NOUT-1:0] dout_r ; reg valid_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin dout_r <= 'b0 ; valid_r <= 'b0 ; end else if (en) begin dout_r <= s3_out ; valid_r <= 1'b1 ; end else begin valid_r <= 1'b0 ; end end assign dout = dout_r ; assign valid = valid_r ; endmodule顶层例化按信号的流向将积分器、抽取器、梳状器分别例化，即可组成最后的 CIC 滤波器模块。梳状滤波器的最终输出位宽一般会比输入信号小一些，这里取 17bit。当然输出位宽完全可以与输入数据的位宽一致。 module cic #(parameter NIN = 12, parameter NMAX = 21, parameter NOUT = 17) ( input clk, input rstn, input en, input [NIN-1:0] din, input valid, output [NOUT-1:0] dout); wire [NMAX-1:0] itg_out ; wire [NMAX-1:0] dec_out ; wire [1:0] en_r ; integrator #(.NIN(NIN), .NOUT(NMAX)) u_integrator ( .clk (clk), .rstn (rstn), .en (en), .din (din), .valid (en_r[0]), .dout (itg_out)); decimation #(.NDEC(NMAX)) u_decimator ( .clk (clk), .rstn (rstn), .en (en_r[0]), .din (itg_out), .dout (dec_out), .valid (en_r[1])); comb #(.NIN(NMAX), .NOUT(NOUT)) u_comb ( .clk (clk), .rstn (rstn), .en (en_r[1]), .din (dec_out), .valid (valid), .dout (dout)); endmoduletestbench testbench 编写如下，主要功能就是不间断连续的输入 250KHz 与 7.5MHz 的正弦波混合信号数据。输入的混合信号数据也可由 matlab 生成，具体过程参考《并行 FIR 滤波器设计》一节。 module test ; parameter NIN = 12 ; parameter NMAX = 21 ; parameter NOUT = NMAX ; reg clk ; reg rstn ; reg en ; reg [NIN-1:0] din ; wire valid ; wire [NOUT-1:0] dout ; //===================================== // 50MHz clk generating localparam T50M_HALF = 10000; initial begin clk = 1'b0 ; forever begin # T50M_HALF clk = ~clk ; end end //============================ // reset and finish initial begin rstn = 1'b0 ; # 30 ; rstn = 1'b1 ; # (T50M_HALF * 2 * 2000) ; $finish ; end //======================================= // read cos data into register parameter SIN_DATA_NUM = 200 ; reg [NIN-1:0] stimulus [0: SIN_DATA_NUM-1] ; integer i ; initial begin $readmemh("../tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt", stimulus) ; i = 0 ; en = 0 ; din = 0 ; # 200 ; forever begin @(negedge clk) begin en = 1 ; din = stimulus[i] ; if (i == SIN_DATA_NUM-1) begin i = 0 ; end else begin i = i + 1 ; end end end end cic #(.NIN(NIN), .NMAX(NMAX), .NOUT(NOUT)) u_cic ( .clk (clk), .rstn (rstn), .en (en), .din (din), .valid (valid), .dout (dout)); endmodule // test仿真结果由下图仿真结果可知，经过 CIC 滤波器后的信号只有一种低频率信号（250KHz），高频信号（7.5MHz）被滤除了。但是波形不是非常完美，这与设计的截止频率、数据不是持续输出等有一定关系。此时发现，积分器输出的数据信号也非常的不规则，这与其位宽有关系。图片为了更好的观察积分器输出的数据，将其位宽由 21bit 改为 34bit，仿真结果如下。此时发现，CIC 滤波器的数据输出并没有实质性的变化，但是积分器输出的数据信号呈现锯齿状，也称之为梳状。这也是梳状滤波器名字的由来。图片

FPGA&ASIC

刘航宇 3年前
0 1,073 2
2022-08-13
Verilog 实现并行 FIR 滤波器设计 FIR（Finite Impulse Response）滤波器是一种有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器。 FIR 滤波器具有严格的线性相频特性，同时其单位响应是有限长的，因而是稳定的系统，在数字通信、图像处理等领域都有着广泛的应用。目录 FIR 滤波器原理并行 FIR 滤波器设计并行设计仿真结果附录：matlab 使用生成输入的混合信号 FIR 滤波器原理 FIR 滤波器是有限长单位冲击响应滤波器。直接型结构如下：图片 FIR 滤波器本质上就是输入信号与单位冲击响应函数的卷积，表达式如下：图片 FIR 滤波器有如下几个特性： (1) 响应是有限长序列。 (2) 系统函数在 |z| > 0 处收敛，极点全部在 z=0 处，属于因果系统。 (3) 结构上是非递归的，没有输出到输入的反馈。 (4) 输入信号相位响应是线性的，因为响应函数 h(n) 系数是对称的。 (5) 输入信号的各频率之间，相对相位差也是固定不变的。 (6) 时域卷积等于频域相乘，因此该卷积相当于筛选频谱中各频率分量的增益倍数。某些频率分量保留，某些频率分量衰减，从而实现滤波的效果。并行 FIR 滤波器设计设计说明输入频率为 7.5 MHz 和 250 KHz 的正弦波混合信号，经过 FIR 滤波器后，高频信号 7.5MHz 被滤除，只保留 250KHz 的信号。设计参数如下：输入频率： 7.5MHz 和 250KHz 采样频率： 50MHz 阻带： 1MHz ~ 6MHz 阶数： 15（N-1=15）由 FIR 滤波器结构可知，阶数为 15 时，FIR 的实现需要 16 个乘法器，15 个加法器和 15 组延时寄存器。为了稳定第一拍的数据，可以再多用一组延时寄存器，即共用 16 组延时寄存器。由于 FIR 滤波器系数的对称性，乘法器可以少用一半，即共使用 8 个乘法器。并行设计，就是在一个时钟周期内对 16 个延时数据同时进行乘法、加法运算，然后在时钟驱动下输出滤波值。这种方法的优点是滤波延时短，但是对时序要求比较高。并行设计设计中使用到的乘法器模块代码，可参考流水线式设计的乘法器。为方便快速仿真，也可以直接使用乘号 * 完成乘法运算，设计中加入宏定义 SAFE_DESIGN 来选择使用哪种乘法器。 FIR 滤波器系数可由 matlab 生成，具体见附录。 /*********************************************************** >> V201001 : Fs：50Mhz, fstop：1Mhz-6Mhz, order： 15 ************************************************************/ `define SAFE_DESIGN module fir_guide ( input rstn, //复位，低有效 input clk, //工作频率，即采样频率 input en, //输入数据有效信号 input [11:0] xin, //输入混合频率的信号数据 output valid, //输出数据有效信号 output [28:0] yout //输出数据，低频信号，即250KHz ); //data en delay reg [3:0] en_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin en_r[3:0] <= 'b0 ; end else begin en_r[3:0] <= {en_r[2:0], en} ; end end //(1) 16 组移位寄存器 reg [11:0] xin_reg[15:0]; reg [3:0] i, j ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0; i<15; i=i+1) begin xin_reg[i] <= 12'b0; end end else if (en) begin xin_reg[0] <= xin ; for (j=0; j<15; j=j+1) begin xin_reg[j+1] <= xin_reg[j] ; //周期性移位操作 end end end //Only 8 multipliers needed because of the symmetry of FIR filter coefficient //(2) 系数对称，16个移位寄存器数据进行首位相加 reg [12:0] add_reg[7:0]; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0; i<8; i=i+1) begin add_reg[i] <= 13'd0 ; end end else if (en_r[0]) begin for (i=0; i<8; i=i+1) begin add_reg[i] <= xin_reg[i] + xin_reg[15-i] ; end end end //(3) 8个乘法器 // 滤波器系数，已经过一定倍数的放大 wire [11:0] coe[7:0] ; assign coe[0] = 12'd11 ; assign coe[1] = 12'd31 ; assign coe[2] = 12'd63 ; assign coe[3] = 12'd104 ; assign coe[4] = 12'd152 ; assign coe[5] = 12'd198 ; assign coe[6] = 12'd235 ; assign coe[7] = 12'd255 ; reg [24:0] mout[7:0]; `ifdef SAFE_DESIGN //流水线式乘法器 wire [7:0] valid_mult ; genvar k ; generate for (k=0; k<8; k=k+1) begin mult_man #(13, 12) u_mult_paral ( .clk (clk), .rstn (rstn), .data_rdy (en_r[1]), .mult1 (add_reg[k]), .mult2 (coe[k]), .res_rdy (valid_mult[k]), //所有输出使能完全一致 .res (mout[k]) ); end endgenerate wire valid_mult7 = valid_mult[7] ; `else //如果对时序要求不高，可以直接用乘号 always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin for (i=0 ; i<8; i=i+1) begin mout[i] <= 25'b0 ; end end else if (en_r[1]) begin for (i=0 ; i<8; i=i+1) begin mout[i] <= coe[i] * add_reg[i] ; end end end wire valid_mult7 = en_r[2]; `endif //(4) 积分累加，8组25bit数据 -> 1组 29bit 数据 //数据有效延时 reg [3:0] valid_mult_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin valid_mult_r[3:0] <= 'b0 ; end else begin valid_mult_r[3:0] <= {valid_mult_r[2:0], valid_mult7} ; end end `ifdef SAFE_DESIGN //加法运算时，分多个周期进行流水，优化时序 reg [28:0] sum1 ; reg [28:0] sum2 ; reg [28:0] yout_t ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin sum1 <= 29'd0 ; sum2 <= 29'd0 ; yout_t <= 29'd0 ; end else if(valid_mult7) begin sum1 <= mout[0] + mout[1] + mout[2] + mout[3] ; sum2 <= mout[4] + mout[5] + mout[6] + mout[7] ; yout_t <= sum1 + sum2 ; end end `else //一步计算累加结果，但是实际中时序非常危险 reg signed [28:0] sum ; reg signed [28:0] yout_t ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin sum <= 29'd0 ; yout_t <= 29'd0 ; end else if (valid_mult7) begin sum <= mout[0] + mout[1] + mout[2] + mout[3] + mout[4] + mout[5] + mout[6] + mout[7]; yout_t <= sum ; end end `endif assign yout = yout_t ; assign valid = valid_mult_r[0]; endmoduletestbench testbench 编写如下，主要功能就是不间断连续的输入 250KHz 与 7.5MHz 的正弦波混合信号数据。输入的混合信号数据也可由 matlab 生成，具体见附录。 `timescale 1ps/1ps module test ; //input reg clk ; reg rst_n ; reg en ; reg [11:0] xin ; //output wire valid ; wire [28:0] yout ; parameter SIMU_CYCLE = 64'd2000 ; //50MHz 采样频率 parameter SIN_DATA_NUM = 200 ; //仿真周期 //===================================== // 50MHz clk generating localparam TCLK_HALF = 10_000; initial begin clk = 1'b0 ; forever begin # TCLK_HALF ; clk = ~clk ; end end //============================ // reset and finish initial begin rst_n = 1'b0 ; # 30 rst_n = 1'b1 ; # (TCLK_HALF * 2 * SIMU_CYCLE) ; $finish ; end //======================================= // read signal data into register reg [11:0] stimulus [0: SIN_DATA_NUM-1] ; integer i ; initial begin $readmemh("../tb/cosx0p25m7p5m12bit.txt", stimulus) ; i = 0 ; en = 0 ; xin = 0 ; # 200 ; forever begin @(negedge clk) begin en = 1'b1 ; xin = stimulus[i] ; if (i == SIN_DATA_NUM-1) begin //周期送入数据控制 i = 0 ; end else begin i = i + 1 ; end end end end fir_guide u_fir_paral ( .xin (xin), .clk (clk), .en (en), .rstn (rst_n), .valid (valid), .yout (yout)); endmodule仿真结果由下图仿真结果可知，经过 FIR 滤波器后的信号只有一种低频率信号（250KHz），高频信号（7.5MHz）被滤除了。而且输出波形是连续的，能够持续输出。但是，如红圈所示，波形起始部分呈不规则状态，对此进行放大。图片波形起始端放大后如下图所示，可见不规则波形的时间段，即两根竖线之间的时间间隔是 16 个时钟周期。因为数据是串行输入，设计中使用了 16 组延时寄存器，所以滤波后的第一个正常点应该较第一个滤波数据输出时刻延迟 16 个时钟周期。即数据输出有效信号 valid 应该再延迟 16 个时钟周期，则会使输出波形更加完美。图片附录：matlab 使用生成 FIR 滤波器系数打开 matlab，在命令窗口输入命令： fdatool。然后会打开如下窗口，按照 FIR 滤波器参数进行设置。这里选择的 FIR 实现方法是最小二乘法（Least-squares），不同的实现方式滤波效果也不同。图片点击 File -> Export 将滤波器参数输出，存到变量 coef 中，如下图所示。图片此时 coef 变量应该是浮点型数据。对其进行一定倍数的相乘扩大，然后取其近似的定点型数据作为设计中的 FIR 滤波器参数。这里取扩大倍数为 2048，结果如下所示。图片生成输入的混合信号利用 matlab 生成混合的输入信号参考代码如下。信号为无符号定点型数据，位宽宽度为 12bit，存于文件 cosx0p25m7p5m12bit.txt。 clear all;close all;clc; %======================================================= % generating a cos wave data with txt hex format %======================================================= fc = 0.25e6 ; % 中心频率 fn = 7.5e6 ; % 杂波频率 Fs = 50e6 ; % 采样频率 T = 1/fc ; % 信号周期 Num = Fs * T ; % 周期内信号采样点数 t = (0:Num-1)/Fs ; % 离散时间 cosx = cos(2*pi*fc*t) ; % 中心频率正弦信号 cosn = cos(2*pi*fn*t) ; % 杂波信号 cosy = mapminmax(cosx + cosn) ; %幅值扩展到（-1,1）之间 cosy_dig = floor((2^11-1) * cosy + 2^11) ; %幅值扩展到 0~4095 fid = fopen('cosx0p25m7p5m12bit.txt', 'wt') ; %写数据文件 fprintf(fid, '%x\n', cosy_dig) ; fclose(fid) ; %时域波形 figure(1); subplot(121);plot(t,cosx);hold on ; plot(t,cosn) ; subplot(122);plot(t,cosy_dig) ; %频域波形 fft_cosy = fftshift(fft(cosy, Num)) ; f_axis = (-Num/2 : Num/2 - 1) * (Fs/Num) ; figure(5) ; plot(f_axis, abs(fft_cosy)) ;

FPGA&ASIC

刘航宇 3年前
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Verilog教程语句块顺序块，并行块，嵌套块，命名块，disable

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刘航宇 3年前
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芥末墩儿
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