基于DDR3的相控陣面幅相補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)

洪偉 錢倩云

相控陣面各通道原始幅度和相位的一致性難以保證，必須進(jìn)行幅相校正。本文提出了一種基于DDR3存儲(chǔ)器的相控陣面幅相補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)，以FPGA作為控制核心，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、讀寫控制、存儲(chǔ)器控制等功能，詳細(xì)介紹了硬件設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，給出了完整的設(shè)計(jì)方案。性能測試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)具有快速查詢、大容量存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧小型化、易移植、方便擴(kuò)展等需求。

【關(guān)鍵詞】幅相補(bǔ)償單元 DDR3 相控陣

相控陣面具有快速改變波束指向和波束形狀的能力，在軍事和通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相控陣面要求每個(gè)通道信號(hào)的幅度和相位穩(wěn)定、一致和可控，否則會(huì)對(duì)波束形成產(chǎn)生不利的影響，但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于元器件性能的差異、設(shè)備加工裝配精度的差異以及設(shè)備工作頻率和環(huán)境的差異，導(dǎo)致了相控陣面各通道原始幅度和相位的一致性難以保證，因此相控陣面必須進(jìn)行幅相校正，并用校正數(shù)據(jù)對(duì)波控碼進(jìn)行修正，相控陣面的波控系統(tǒng)用修正后的波控碼進(jìn)行布相。大型寬帶相控陣面工作頻帶寬、工作模式多，幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù)量大，需要大容量高性能的幅相補(bǔ)償單元。針對(duì)此應(yīng)用，本文提出了一種基于DDR3的相控陣面幅相補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

幅相補(bǔ)償單元主要由邏輯控制器、讀控制器、寫控制器、存儲(chǔ)控制器、DDR3控制器和DDR3存儲(chǔ)器組成，幅相補(bǔ)償單元組成框圖如圖1所示。

幅相補(bǔ)償單元的控制器全部在FPGA中實(shí)現(xiàn)。邏輯控制器根據(jù)幅相補(bǔ)償單元的輸入信號(hào)產(chǎn)生控制邏輯，啟動(dòng)讀寫操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅相補(bǔ)償單元外部數(shù)據(jù)與內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互。讀控制器在邏輯控制器的控制下產(chǎn)生讀命令、讀地址和讀控制時(shí)序并將讀取的數(shù)據(jù)傳遞給邏輯控制器，幅相補(bǔ)償單元的查詢操作主要由讀控制器完成。寫控制器在邏輯控制器的控制下產(chǎn)生寫命令、寫地址和寫控制時(shí)序并將經(jīng)邏輯控制器輸入的外部數(shù)據(jù)寫入DDR3存儲(chǔ)器，幅相補(bǔ)償單元的初始化操作主要由寫控制器完成。存儲(chǔ)控制器在一組讀、寫控制器與多組DDR3控制器之間實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)緩存功能。DDR3控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR3存儲(chǔ)器的底層操作。

DDR3存儲(chǔ)器是一種大容量高速存儲(chǔ)器件，有著非常高的讀寫速度，其數(shù)據(jù)接口一般為8位或者16位。DDR3存儲(chǔ)器的讀寫操作是基于突發(fā)的，即從一個(gè)選定的地址單元開始，連續(xù)存取己設(shè)置長度的地址單元，該長度就是所謂的突發(fā)長度（Burst Length）。DDR3存儲(chǔ)器提供的可編程的讀或?qū)懙耐话l(fā)長度為4或8。由于DDR3存儲(chǔ)器的預(yù)取為8位，所以不管突發(fā)長度設(shè)置為4還是8，一次操作的執(zhí)行時(shí)間是相同的，因此實(shí)際操作突發(fā)長度設(shè)置為8，8位數(shù)據(jù)接口的器件一次讀操作返回64位數(shù)據(jù)，16位數(shù)據(jù)接口的器件一次讀操作返回128位數(shù)據(jù)。相控陣面幅相補(bǔ)償單元按照通道順序查詢補(bǔ)償值，一個(gè)通道一個(gè)狀態(tài)的幅相補(bǔ)償值通常不超過16位，所以8位數(shù)據(jù)接口的器件就可以滿足幅相補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)需要并占用較少的資源，同樣通過多片DDR3存儲(chǔ)器拼接實(shí)現(xiàn)更大數(shù)據(jù)位寬從而提高存取帶寬的常規(guī)方法并不能提高幅相補(bǔ)償單元的性能，因此本設(shè)計(jì)使用多控制器獨(dú)立工作的方式，每片8位DDR3存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)一個(gè)DDR3控制器，在提高存儲(chǔ)容量的同時(shí)提高了性能。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)FPGA選擇賽靈思公司的XC7K325T，DDR3存儲(chǔ)器選擇鎂光公司的MT41J512M8，整個(gè)電路工作頻率高，時(shí)序要求復(fù)雜，必須多方面精心設(shè)計(jì)才能獲得盡可能最佳的信號(hào)完整性和時(shí)序裕量以保證穩(wěn)定可靠運(yùn)行。DDR3存儲(chǔ)器電路及其與FPGA的連接是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本文對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。

XC7K325T的IO Bank分為HR Bank和HP Bank兩種，HR Bank具有更寬的工作電壓范圍，HP Bank具有更高的工作性能，HRBank和HP Bank都可以用于連接DDR3存儲(chǔ)器，但是為了獲得更好的性能和設(shè)計(jì)裕量，本設(shè)計(jì)使用HP Bank連接DDR3存儲(chǔ)器并且一片DDR3存儲(chǔ)器獨(dú)占一個(gè)HP Bank。時(shí)鐘信號(hào)CK按照差分阻抗80Q布線并在終端并聯(lián)80Q匹配電阻，數(shù)據(jù)信號(hào)DQS按照差分阻抗80Q布線，數(shù)據(jù)信號(hào)DQ[7：0]和DM按照單端40Q阻抗布線，地址和控制信號(hào)按照單端40Q阻抗布線并在終端串聯(lián)40Ω匹配電阻并上拉至VTT。數(shù)據(jù)信號(hào)DQ[7：0]和DM參考DQS做等長設(shè)計(jì)，實(shí)際按照±3 0mil布線，地址和控制信號(hào)參考時(shí)鐘信號(hào)CK做等長設(shè)計(jì)，實(shí)際按照±1OOmil布線，差分信號(hào)CK和DQS內(nèi)部按照±1Omil等長布線。數(shù)據(jù)信號(hào)使用單獨(dú)布線層布線，通過參考平面與其它信號(hào)隔離，時(shí)鐘信號(hào)、地址和控制信號(hào)共用兩個(gè)布線層布線。DDR3存儲(chǔ)器電源分為VDDQ和VDD兩組，電壓均為1.5V，為了簡化設(shè)計(jì)使用一組電源供電，但是每組分別濾波并在每個(gè)電源引腳使用O.1uF和O.O1uF電容組合濾波。FPGA IOBank電壓與DDR3存儲(chǔ)器電源電壓保持一致并使用同一組電源供電，同樣在電源引腳使用O.1uF和O.O1uF電容組合濾波。DDR3存儲(chǔ)器電源電流隨操作模式變化很大，在靠近FPGA一側(cè)和DDR3存儲(chǔ)器一側(cè)各放置lOOuF大電容。FGPA的IO Bank和DDR3存儲(chǔ)器需要的參考電壓Vref通過VDDQ經(jīng)過電阻分壓得到并在每個(gè)Vref引腳使用O.luF和O.OluF電容組合濾波。

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

初始化操作和查詢操作是幅相補(bǔ)償單元的兩個(gè)主要操作，初始化操作是將相控陣面通過測試并整理得到的補(bǔ)償表數(shù)據(jù)寫入幅相補(bǔ)償單元，通常在加電后執(zhí)行，查詢操作是以相控陣面的工作狀態(tài)和通道的原始波控碼為地址讀取補(bǔ)償值，在工作時(shí)頻繁執(zhí)行。系統(tǒng)復(fù)位后幅相補(bǔ)償單元處于空閑狀態(tài)，通過設(shè)置命令碼觸發(fā)幅相補(bǔ)償單元啟動(dòng)操作，幅相補(bǔ)償單元軟件工作流程如圖2所示。

初始化命令啟動(dòng)初始化操作，邏輯控制器通過激活寫控制器設(shè)置幅相補(bǔ)償單元進(jìn)入寫模式，寫控制器根據(jù)狀態(tài)碼計(jì)算補(bǔ)償表起始地址，然后將接收到的表數(shù)據(jù)和當(dāng)前地址一同發(fā)送給存儲(chǔ)控制器，每發(fā)送64bit數(shù)據(jù)，地址遞增8，如果地址超過當(dāng)前補(bǔ)償表預(yù)設(shè)空間則本次初始化操作結(jié)束，返回空閑狀態(tài)，等待下一個(gè)命令，否則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)并寫入存儲(chǔ)器。查詢命令啟動(dòng)查詢操作，查詢操作輸入和輸出部分獨(dú)立運(yùn)行。邏輯控制器通過激活讀控制器設(shè)置幅相補(bǔ)償單元進(jìn)入讀模式，讀控制器根據(jù)狀態(tài)碼計(jì)算補(bǔ)償表起始地址，然后接收1個(gè)通道的波控碼并根據(jù)起始地址、狀態(tài)碼和波控碼計(jì)算本次查詢地址并將地址發(fā)送給存儲(chǔ)控制器，如果所有通道查詢地址都已經(jīng)發(fā)送完則輸入操作結(jié)束，等待輸出操作完成。邏輯控制器在激活讀控制器的同時(shí)啟動(dòng)輸出操作，讀取讀控制器返回的查詢結(jié)果并截取有效數(shù)據(jù)輸出，如果所有通道補(bǔ)償值都輸出完則本次查詢操作結(jié)束，返回空閑狀態(tài)，等待下一個(gè)命令，否則繼續(xù)讀取查詢結(jié)果并輸出。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

DDR3存儲(chǔ)器按照Bank、Row、Column的結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)，每片DDR3存儲(chǔ)器有8個(gè)Bank。應(yīng)用模式不同，DDR3接口效率差異非常大。讀取操作時(shí)先根據(jù)Bank地址和Row地址將一行數(shù)據(jù)全部讀取到緩存中，然后根據(jù)Column地址選擇欲讀取數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)連續(xù)兩次讀取數(shù)據(jù)在同- Bank的不同行時(shí)，需要先執(zhí)行預(yù)沖操作，然后再執(zhí)行讀取操作，兩次操作之間有較大延時(shí)，當(dāng)連續(xù)兩次讀取數(shù)據(jù)在不同Bank中時(shí)，兩次操作可以同時(shí)執(zhí)行。因此，根據(jù)幅相補(bǔ)償單元工作模式和補(bǔ)償數(shù)據(jù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使幅相補(bǔ)償單元始終工作于方式二，可以獲得更高的效率。

幅相補(bǔ)償單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分為表、通道和狀態(tài)三級(jí)。表是按照相控陣面工作模式劃分的，例如發(fā)射補(bǔ)償表和接收補(bǔ)償表，每個(gè)表又劃分為若干個(gè)通道，每個(gè)通道占用一段連續(xù)的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)相控陣面一個(gè)通道全部狀態(tài)的校正數(shù)據(jù)，狀態(tài)是最小的存儲(chǔ)單元，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)補(bǔ)償值，根據(jù)補(bǔ)償表的不同，一個(gè)狀態(tài)通常占用1個(gè)字節(jié)或2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間。幅相補(bǔ)償單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

兩片存儲(chǔ)器構(gòu)成了一個(gè)整的存儲(chǔ)空間，該存儲(chǔ)空間劃分為若干個(gè)表，每個(gè)表同時(shí)占用兩片存儲(chǔ)器。表里的通道在兩片存儲(chǔ)器之間交替排列，序號(hào)為奇數(shù)的通道位于存儲(chǔ)器1，序號(hào)為偶數(shù)的通道位于存儲(chǔ)器2，查詢操作時(shí)兩片存儲(chǔ)器交替工作，突破了DDR3存儲(chǔ)器連續(xù)激活間隔時(shí)間的限制，提高了執(zhí)行效率。同一個(gè)存儲(chǔ)器里的通道按照Bank順序排列，以存儲(chǔ)器l為例，通道1的起始地址是第一個(gè)Bank的起始地址Ox00000000，通道3的起始地址是第二個(gè)bank的起始地址Ox04000000，以此類推，通道15的起始地址是最后一個(gè)Bank的起始OxlCOOOOOO，通道17又回到第一個(gè)Bank，排在通道1之后，起始地址為通道1起始地址加通道長度，以此類推，依次排列，直至最后一個(gè)通道，如此排列，存儲(chǔ)器始終處于8個(gè)Bank輪流操作狀態(tài)，減少了操作間隔時(shí)間，提高了操作速度。

3 性能測試

設(shè)計(jì)完成后通過時(shí)序仿真對(duì)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，以64個(gè)通道為例的時(shí)序驗(yàn)證如圖4所示。CLK 200MHz是系統(tǒng)工作時(shí)鐘，頻率200MHz，VALID CMD_ ADDR Ml和VALID_ CMD_ ADDR M2分別是給DDR3控制器1和DDR3控制器2的地址和命令使能信號(hào)，高電平有效，每個(gè)正脈沖表示啟動(dòng)一個(gè)通道查詢操作，VALID READ Ml和VALIDREAD M2分別是給DDR3控制器1和DDR3控制器2的讀取使能信號(hào)，高電平有效，每個(gè)正脈沖表示完成一個(gè)通道查詢操作。幅相補(bǔ)償單元的所有控制器以200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行，兩個(gè)DDR3控制器交替運(yùn)行，單個(gè)DDR3控制器執(zhí)行通道查詢操作頻率為100MHz，即每1Ons啟動(dòng)一次通道查詢操作，操作完成初始延時(shí)為220ns，之后按照操作啟動(dòng)順序每lOns完成一次操作，64個(gè)通道總的查詢時(shí)間為540ns（220ns+320ns）。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的相控陣面幅相補(bǔ)償單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)大容量幅相補(bǔ)償數(shù)據(jù)的快速查詢，具有小型、高速、容易移植和擴(kuò)展方便的特點(diǎn)，可以靈活地與不同相控陣面的波控系統(tǒng)集成，滿足陣面級(jí)或子陣級(jí)幅相補(bǔ)償應(yīng)用。

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