ĐỒ ÁN KỸ THUẬT
SỬ DỤNG FPGA ĐỂ THIẾT KẾ MÔ HÌNH SOFTWARE DEFINED RADIO CHO HỆ ĐO THỬ KÊNH MIMO
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL
1.1. Giới thiệu về FPGA
FPGA là viết tắt của “Field Programmable Gate Array”, là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được, có thể thực hiện các tính năng logic thông qua máy tính của mình với giá rẻ, và có thể xóa đi viết lại nhiều lần. Xilinx là công ty đầu tiên bán ra FPGA và luôn chiếm thị phần lớn nhất. Ngoài ra còn có Alterna, Lattice, Actel, QuickLogic.
Nhiều nhà sản xuất hiện đang cung cấp rất nhiều cấu trúc và phương pháp xử lý khác nhau. Vì vậy, việc chọn một cấu trúc và một phương pháp xử lý để có thể đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và độ ổn định, đối với một hệ thống trong thực tế là vấn đề mang tính quyết định.
Thiết bị logic lập trình được được phát minh lần đầu vào cuối thập kỷ 1970 và ngay lập tức đã trở lên phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn. Ngoài khả năng lập trình đa dạng, công nghệ này còn có thời gian sản xuất nhỏ nên có khả năng cạnh tranh thương mại rất lớn. Hơn nữa, việc thiết kế với nó khá dễ dàng và nó có khả năng lập trình lại nhiều lần.
FPGA được thiết kế đầu tiêm bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tính hợp số lượng tương đối lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD (Complex Programmable Logic Device).
Điểm tương đồng của CPLD và FPGA là ở chỗ chúng đều bao gồm một số lượng tương đối lớn các phần tử logic khả trình. Tuy nhiên mật độ tích hợp thì khác nhau, mật độ cổng logic của CPLD nằm trong khoảng từ vài nghìn đến hàng chục nghìn, trong khi với FPGA thì mật độ tích hợp cỡ hàng chục nghìn cho đến vài triệu.
FPGA và CPLD có rất nhiều điểm khác biệt tuy nhiên kiến trúc là điểm khác biệt chính giữa CPLD và FPGA. CPLD có kiến trúc giới hạn ở một mức độ nào đó, nó bao gồm một hoặc nhiều dải logic “sum-of-products” khả trình và được cung cấp một số tương đối nhỏ các thanh ghi được đồng bộ.
Điều này làm cho CPLD trở nên không được mềm dẻo lắm, nhưng bù lại trễ timing lại dễ dự đoán hơn và tốc độ kết nối logic cũng cao hơn FPGA. Với FPGA, thì kiến trúc theo một cách khác trội hơn hẳn CPLD bởi vì FPGA sử dụng các liên kết nối. Điều này không những tạo cho nó mềm dẻo hơn rất nhiều mà còn làm tăng độ phức tạp trong thết kế.
Điểm khác biệt nữa giữa FPGA và CPLD là trong hầu hết chip FPGA đều có các hàm cấp cao (như bộ cộng và bộ nhân) Và các bộ nhớ đã được nhúng vào. Ngoài ra, trong các FPGA đời mới còn hỗ trợ đầy đủ hoặc một phần việc cấu hình lại trong hệ thống, cho phép thay đổi thiết kế tức là có thể cập nhật hệ thống hoặc cấu hình động (dynamic reconfiguration) Khi chúng đang hoạt động như là một chức rất bình thường. Một vài FPGA còn có khả năng cấu hình lại cục bộ (partial re-configuration) Tức là một phần của thiết bị được cấu hình trong khi các phần còn lại vẫn đang hoạt động.
1.2. Kiến trúc chung của một FPGA
Cấu trúc tổng thể của FPGA bao gồm:
-Các khối Logic
-Hệ thống liên kết mạch
-Các phần tử tích hợp sẵn
1.2.1. Khối logic FPGA
Hình 1.2 Khối Logic FPGA chứa trong nó rất nhiều khối logic có thể tái cấu hình CLB (Configurable Logic Blocks) Được liên kết với nhau thành bằng các liên kết khả trình (Programmable Interconnect). Các khối vào ra được phân bố xung quanh chip tạo thành các liên kết với bên ngoài. Bên trong khối logic CLB có bảng LUT (Look-Up Table) Và các phần tử nhớ (FlipFlop hoặc bộ chốt). LUT (Look up table) Là khối logic có thể thực hiện bất kì hàm logic nào từ 4 đầu vào, kêt quả của hàm này tùy vào mục đích mà gửi ra ngoài khối logic trực tiếp hay thông qua phần tử nhớ flip-flop.
Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng khái niệm SLICE, 1 Slice tạo thành từ gồm 4 khối logic, số lượng các Slices thay đổi từ vài nghìn đến vài chục nghìn tùy theo loại FPGA.
Nếu nhìn cấu trúc tổng thể của mảng LUT thì ngoài 4 đầu vào kể trên còn hỗ trợ thêm 2 đầu vào bổ xung từ các khối logic phân bố trước và sau nó nâng tổng số đầu vào của LUT lên 6 chân. Cấu trúc này là nhằm tăng tốc các bộ số học logic.
1.2.2. Hệ thống mạch liên kết
Mạng liên kết trong FPGA được cấu thành từ các đường kết nối theo hai phương ngang và đứng, tùy theo từng loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các nhóm khác nhau, ví dụ trong XC4000 của Xilinx có 3 loại kết nối: Ngắn, dài và rất dài.
Các đường kết nối được nối với nhau thông qua các khối chuyển mạch lập trình được (programable switch), trong một khối chuyển mạch chứa một số lượng nút chuyển lập trình được đảm bảo cho các dạng liên kết phức tạp khác nhau.
1.2.3. Các phần tử tích hợp sẵn
Ngoài các khối logic tùy theo các loại FPGA khác nhau mà có các phần tử tích hợp thêm khác nhau, ví dụ để thiết kế những ứng dụng SoC, trong dòng Virtex 4,5 của Xilinx có chứa nhân xử lý PowerPC, hay trong Atmel FPSLIC tích hợp nhân ARV…, hay cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP trong FPGA được tích hợp các DSP Slide là bộ nhân cộng tốc độ cao, thực hiện hàm A* B+ C, ví dụ dòng Virtex của Xilinx chứa từ vài chục đến hàng trăm DSP slices với A, B, C 18-bit.
1.3. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL)
Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) Là ngôn ngữ lập trình phần mềm dùng để mô hình họat động mong muốn của phần cứng. Có hai khía cạnh mà HDL tạo điều kiện để mô tả phần cứng: Mô hình hành vi trừu tượng và mô hình cấu trúc phần cứng.
Mô hình hành vi trừu tượng. Ngôn ngữ mô tả phần cứng tạo điều kiện dễ dàng cho việc mô tả trừu tượng hành vi của phần cứng đối với các mục đích đặc tả (chỉ rõ chi tiết kỹ thuật). Hành vi này không chỉ bị chi phối bới các khía cạnh cấu trúc hoặc thiết kế của ý địh phần cứng.
Mô hình cấu trúc phần cứng. Cấu trúc phần cứng có khả năng được mô hình trong ngôn ngữ mô tả phần cứng mà không cần quan tâm đến hành vi thiết kế.
Năm 1980 bộ Quốc phòng Mỹ (DOD) Muốn thực hiện việc thiết kế mạch tự dẫn chứng, muốn theo đuổi một hệ phương pháp thiết kế tổng quát và có thể sử dụng lại được với các công nghệ mới. Rõ ràng đã có nhu cầu cho một ngôn ngữ lập trình chuẩn để mô tả chức năng và cấu trúc của các mạch số đối với việc thiết kế vi mạch (IC).
Sau đó DOD đã tài trợ cho một dự án thuộc chương trình vi mạch có tốc độ rất cao VHSIC (very high speed integrated circuit) Để tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn. Kết quả là dự án này đã tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC hay thường được gọi là VHDL (VHSIC Hardware Description Language-Ngôn ngữ miêu tả phần cứng VHSIC) Như hiện nay.
----------------------------------
MỤC LỤC
Mở đầu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL
1.1. Giới thiệu về FPGA
1.2. Kiến trúc chung của một FPGA
1.3. Ngôn ngữ phần cứng HDL
CHƯƠNG 2. CÁC CÔNG CỤ THIẾT KẾ
2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV
2.2. Các phần mềm chuyên dụng
2.3. Quy trình thiết kế tổng quát
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SOFTWARE DEFINED RADIO CHO HỆ ĐO THỬ KÊNH MIMO
3.1. Khái niệm MIMO
3.2. Lịch sử phát triển hệ MIMO
3.3. Những ưu điểm của hệ MIMO
3.4. Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1. Cơ sở lý thuyết
4.2. Mô hình thiết kế
4.3. Kết quả mô phỏng trên MATLAB
4.4. Kết quả thực nghiệm trên FPGA
Kết luận
Tài liệu tham khảo
---------------------------------------------
Keyword: download,do an ky thuat,su dung fpga,de thiet ke,mo hinh software defined radio,cho he do,thu kenh mimo
Nhận xét
Đăng nhận xét