适用于UWB通信的SoC芯片原型设计

作     者：丁奇宁 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李伟

授予年度：2024年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：超宽带 片上系统 第五代精简指令集 

摘      要：超宽带(Ultra-Wideband,UWB)无线通信技术是一种利用极宽频带传输数据的无线技术,与传统的窄带无线通信技术相比具有高速率、低功耗、抗干扰能力强的显著优势,是近年来最为热门的短距离、高速无线通信技术之一。超宽带片上系统(System on Chip,SoC)是将UWB无线通信能力集成到单个芯片上的技术,以达到提高性能、减少系统功耗、缩小设备尺寸的目的。一个典型的UWB通信SoC主要包含UWB无线收发器、微控制器、存储器、通信接口等等。本文提出了一种新的基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的UWB通信SoC设计方案,针对UWB通信SoC中的UWB无线收发器和微控制器(Microcontroller Unit,MCU)这两个关键组成部分进行了改进,能够实现更灵活的基带信号生成、更快的响应速度和更小的硬件资源消耗,具体内容如下: 在UWB无线收发器上,现有产生UWB脉冲的方法主要是光电法和电子法,用于产生UWB通信基带信号存在脉冲序列不够灵活可控、发射机结构复杂的问题,并且难以满足IEEE 802.15.4a无线通信技术标准对于脉冲波形和调制方式的要求。本文实现了一种新的基于FPGA的UWB通信基带信号产生方式,并围绕该方式完成了参数配置和调制模块的设计。可以实现指令对UWB通信的数据速率、帧同步头等参数的配置。 在MCU的处理器架构选择上,目前市面上主流UWB雷达或通信SoC都采用ARM架构,ARM架构虽然成熟,但高昂的许可费用和闭源特性让厂商在进行SoC设计时面临较高的成本和定制化限制。本文选择使用开源的第五代精简指令集(Reduced Instruction Set Computing-V,RISC-V)架构处理器对SoC进行调度和控制,RISC-V架构开源、精简、模块化的优势可以让SoC的设计更加自由。在处理器设计上,本文在专为面积优化的开源Pico RV32 RISC-V处理器上加以改进,设计了专用于UWB通信参数配置的自定义指令,可以在有效节省硬件资源的同时提升参数配置的响应速度,并移植了开源鸿蒙轻量系统,能够在操作系统层面上运行人机交互程序控制UWB通信。 通过FPGA原型验证和相关实验,证明了本文所提出SoC设计的可行性和有效性,基于RISC-V架构处理器的MCU能够完成上层软件到底层硬件操作的实现并用于对UWB通信基带信号的配置,同时本文SoC产生的基带信号能够满足于IEEE 802.15.4a技术标准的要求,接收数据与参考引导码能展现出明显的相关峰值,且能够支持5种不同的数据速率。相比于现有的UWB SoC设计,本文在UWB无线收发器的基带信号产生方式上结构更加简单,波形更加符合技术标准,配置更加灵活。处理器和自定义指令的专门化设计使得开发成本更低、硬件资源消耗更少、响应速度更快。