MICROCHIP Costas Loop Management-Benutzerhandbuch

Einführung

Bei der drahtlosen Übertragung sind Sender (Tx) und Empfänger (Rx) durch einen Abstand voneinander getrennt und elektrisch isoliert. Obwohl sowohl Tx als auch Rx auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind, gibt es aufgrund der ppm-Differenz zwischen den in Tx und Rx verwendeten Oszillatoren einen Frequenzversatz zwischen den Trägerfrequenzen. Der Frequenzversatz wird durch die Verwendung der datengestützten oder nicht datengestützten (blinden) Synchronisationsverfahren kompensiert.

Eine Costas-Schleife ist eine nicht datengestützte PLL-basierte Methode zur Trägerfrequenz-Offset-Kompensation. Die Hauptanwendung von Costas-Schleifen sind drahtlose Empfänger. Dadurch wird der Frequenzversatz zwischen Tx und Rx ohne die Hilfe von Pilottönen oder Symbolen ausgeglichen. Die Costas-Schleife wird für die BPSK- und QPSK-Modulationen mit einer Änderung im Fehlerberechnungsblock implementiert. Die Verwendung einer Costas-Schleife für die Phasen- oder Frequenzsynchronisierung kann zu Phasenmehrdeutigkeiten führen, die durch Techniken wie Differenzkodierung korrigiert werden müssen.

Zusammenfassung

Die folgende Tabelle bietet eine Zusammenfassung der Costas Loop-Eigenschaften.

Tabelle 1. Eigenschaften der Costas-Schleife

Core-Version	Dieses Dokument gilt für Costas Loop v1.0.
Unterstützte Gerätefamilien	Polar Fire® SoC Polarfeuer
Unterstützt Werkzeug Fließen	Erfordert Libero® SoC v12.0 oder spätere Versionen.
Lizenzierung	Costas Loop IP Clear RTL ist lizenzgeschützt und das verschlüsselte RTL ist mit jeder Libero-Lizenz frei verfügbar. Verschlüsseltes RTL: Für den Kern wird vollständig verschlüsselter RTL-Code bereitgestellt, sodass der Kern mit Smart Design instanziiert werden kann. Simulation, Synthese und Layout können mit der Libero-Software durchgeführt werden. Klares RTL: Für den Kern und die Prüfstände wird vollständiger RTL-Quellcode bereitgestellt.

Merkmale

Costas Loop hat die folgenden Hauptmerkmale:

• Unterstützt BPSK- und QPSK-Modulationen
• Einstellbare Schleifenparameter für einen breiten Frequenzbereich

Implementierung von IP Core in Libero® Design Suite
Der IP-Kern muss im IP-Katalog der Libero SoC-Software installiert werden. Dies wird automatisch über die IP installiert
Katalogaktualisierungsfunktion in der Libero SoC-Software, oder der IP-Core wird manuell aus dem Katalog heruntergeladen. Einmal
Der IP-Kern wird im IP-Katalog der Libero SoC-Software installiert, der Kern wird im Smart Design-Tool konfiguriert, generiert und instanziiert, um in die Libero-Projektliste aufgenommen zu werden.

Gerätenutzung und Leistung

In den folgenden Tabellen ist die für Costas Loop verwendete Geräteauslastung aufgeführt.

Tabelle 2. Costas-Schleifennutzung für QPSK

Gerätedetails		Ressourcen		Leistung (MHz)	Arbeitsspeicher		SumBlox	Chip-Globals
Familie	Gerät	LUTs	DFF		LSRAM	μSRAM
PolarFire®-SoC	MPFS250T	1256	197	200	0	0	6	0
PolarFire	MPF300T	1256	197	200	0	0	6	0

Tabelle 3. Costas-Loop-Nutzung für BPSK

Gerätedetails		Ressourcen		Leistung (MHz)	Arbeitsspeicher		SumBlox	Chip-Globals
Familie	Gerät	LUTs	DFF		LSRAM	μSRAM
PolarFire®-SoC	MPFS250T	1202	160	200	0	0	7	0
Polarfeuer	MPF300T	1202	160	200	0	0	7	0

Wichtig: 

1. Die Daten in dieser Tabelle werden mit typischen Synthese- und Layouteinstellungen erfasst. Die CDR-Referenztaktquelle wurde auf „Dedicated“ gesetzt, wobei andere Konfiguratorwerte unverändert blieben.
2. Der Takt wird auf 200 MHz beschränkt, während die Timing-Analyse ausgeführt wird, um die Leistungszahlen zu erreichen.

Funktionsbeschreibung

In diesem Abschnitt werden die Implementierungsdetails der Costas-Schleife beschrieben.

Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm der Costas-Schleife auf Systemebene.

Abbildung 1-1. Blockdiagramm der Costas-Schleife auf Systemebene

Die Latenz zwischen Ein- und Ausgang des Costas-Tops beträgt 11 Taktzyklen. Die THETA_OUT-Latenz beträgt 10 Takte
Fahrräder. Kp (Proportionalitätskonstante), Ki (Integralkonstante), Theta-Faktor und LIMIT-Faktor müssen entsprechend der Rauschumgebung und dem eingeführten Frequenzversatz festgelegt werden. Das Einrasten der Costas-Schleife dauert wie beim PLL-Betrieb einige Zeit. Während der anfänglichen Sperrzeit des Costas Loop können einige Pakete verloren gehen.

Architektur

Die Implementierung der Costas-Schleife erfordert die folgenden vier Blöcke:

• Schleifenfilter (PI-Controller in dieser Implementierung)
• Theta-Generator
• Fehlerberechnung
• Vektordrehung

Abbildung 1-2. Costas-Schleifenblockdiagramm

Der Fehler für ein bestimmtes Modulationsschema wird anhand der gedrehten I- und Q-Werte mithilfe des Vektorrotationsmoduls berechnet. Der PI-Regler berechnet die Frequenz basierend auf dem Fehler, der Proportionalverstärkung Kp und der Integralverstärkung Ki. Als Grenzwert für den Frequenzausgang des PI-Reglers wird der maximale Frequenzoffset eingestellt. Das Theta-Generator-Modul generiert den Winkel durch Integration. Die Eingabe des Theta-Faktors bestimmt die Steigung der Integration und hängt davon ab.

auf der sampLing-Uhr. Der vom Theta-Generator erzeugte Winkel wird zum Drehen der I- und Q-Eingangswerte verwendet. Die Fehlerfunktion ist spezifisch für eine Modulationsart. Da der PI-Regler im Festkommaformat implementiert ist, erfolgt die Skalierung an den proportionalen und integralen Ausgängen des PI-Reglers.

Ebenso wird die Skalierung für die Theta-Integration implementiert.

IP-Kernparameter und Schnittstellensignale

In diesem Abschnitt werden die Parameter im Costas Loop GUI-Konfigurator und die E/A-Signale erläutert.

Konfigurationseinstellungen

Die folgende Tabelle listet die Beschreibung der Konfigurationsparameter auf, die in der Hardware-Implementierung von Costas Loop verwendet werden. Hierbei handelt es sich um generische Parameter, die je nach den Anforderungen der Anwendung variiert werden.
Tabelle 2-1. Konfigurationsparameter

Signalname	Beschreibung
Modulationsart	BPSK oder QPSK

Ein- und Ausgangssignale
In der folgenden Tabelle sind die Eingabe- und Ausgabeports von Costas Loop aufgeführt.
Tabelle 2-2. Eingangs- und Ausgangssignale

Signalname	Richtung	Signaltyp	Breite	Beschreibung
CLK_I	Eingang	—	1	Taktsignal
ARST_N_IN	Eingang	—	1	Aktiv niedriges asynchrones Rücksetzsignal
I_DATA_IN	Eingang	Unterzeichnet	16	In Phase / Echte Dateneingabe
Q_DATA_IN	Eingang	Unterzeichnet	16	Eingabe von Quadratur-/Imaginärdaten
KP_IN	Eingang	Unterzeichnet	18	Proportionalitätskonstante des PI-Reglers
KI_IN	Eingang	Unterzeichnet	18	Integralkonstante des PI-Reglers
LIMIT_IN	Eingang	Unterzeichnet	18	Grenzwert für den PI-Regler
THETA_FACTOR_IN	Eingang	Unterzeichnet	18	Theta-Faktor für die Theta-Integration.
I_DATA_OUT	Ausgabe	Unterzeichnet	16	In-Phase/Echtdatenausgabe
Q_DATA_OUT	Ausgabe	Unterzeichnet	16	Ausgabe von Quadratur-/Imaginärdaten
THETA_OUT	Ausgabe	Unterzeichnet	10	Berechneter Theta-Index (0-1023) für die Verifizierung
PI_OUT	Ausgabe	Unterzeichnet	18	PI-Ausgang

Zeitdiagramme

In diesem Abschnitt wird das Zeitdiagramm der Costas-Schleife erläutert.
Die folgende Abbildung zeigt das Zeitdiagramm der Costas-Schleife.
Abbildung 3-1. Zeitdiagramm der Costas-Schleife

Prüfstand

Zum Verifizieren und Testen von Costas Loop wird eine einheitliche Testbench verwendet, die als Benutzertestbench bezeichnet wird. Zur Überprüfung der Funktionalität des Costas Loop IP steht ein Prüfstand zur Verfügung.

Simulationszeilen

Um den Kern mithilfe der Testbench zu simulieren, führen Sie die folgenden Schritte aus:

1. Öffnen Sie die Libero SoC-Anwendung, klicken Sie auf die Registerkarte „Katalog“, erweitern Sie „Solutions-Wireless“, doppelklicken Sie auf COSTAS LOOP und klicken Sie dann auf „OK“. Die mit der IP verknüpfte Dokumentation ist unter Dokumentationen aufgeführt.
   Wichtig: Wenn die Registerkarte „Katalog“ nicht angezeigt wird, navigieren Sie zu View > Menü Windows und klicken Sie auf Katalog, um es sichtbar zu machen.
   Abbildung 4-1. Costas Loop IP Core im Libero SoC-Katalog
   
   
2. Konfigurieren Sie die IP gemäß Ihren Anforderungen.
   Abbildung 4-2. Konfigurator-GUI
   
   Bringen Sie alle Signale auf die oberste Ebene und erstellen Sie das Design
3. Klicken Sie auf der Registerkarte Stimulushierarchie auf Hierarchie erstellen.
   Abbildung 4-3. Hierarchie aufbauen
   
   
4. Klicken Sie auf der Registerkarte „Stimulushierarchie“ mit der rechten Maustaste auf die Testbench (Costas-Loop-Bevy), zeigen Sie auf „Präsentatives Design simulieren“ und klicken Sie dann auf „Interaktiv öffnen“.
   Abbildung 4-4. Simulieren des Prä-Synthese-Designs
   
   ModelSim öffnet sich mit der Testbench file, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
   Abbildung 4-5. ModelSim-Simulationsfenster
   

Wichtig: Wenn die Simulation aufgrund der in der .do. angegebenen Laufzeitbegrenzung unterbrochen wird file, verwenden Sie den Befehl run -all, um die Simulation abzuschließen

Änderungsverlauf

Der Revisionsverlauf beschreibt die Änderungen, die im Dokument vorgenommen wurden. Die Änderungen werden nach Revision aufgelistet, beginnend mit der aktuellsten Veröffentlichung.
Tabelle 5-1. Revisionsverlauf

Revision	Datum	Beschreibung
A	03/2023	Erstveröffentlichung

Microchip FPGA-Unterstützung

Die Microchip FPGA-Produktgruppe unterstützt ihre Produkte mit verschiedenen Supportdiensten, darunter Kundendienst,
Technisches Kundendienstzentrum, a webStandort und weltweite Vertriebsniederlassungen. Kunden wird ein Besuch empfohlen
Bevor Sie sich an den Support wenden, wenden Sie sich bitte an die Online-Ressourcen von Microchip, da Ihre Fragen höchstwahrscheinlich bereits gestellt wurden
beantwortet.

Wenden Sie sich über das Technical Support Center an webSeite unter www.microchip.com/support. Erwähnen Sie das FPGA-Gerät
Teilenummer, passende Gehäusekategorie auswählen und Design hochladen files beim Erstellen eines technischen Support-Falls.

Wenden Sie sich für nichttechnischen Produktsupport, z. B. Produktpreise, Produkt-Upgrades und Updates, an den Kundendienst
Informationen, Bestellstatus und Autorisierung.

• Rufen Sie aus Nordamerika an 800.262.1060
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Mikrochip-Informationen

Der Mikrochip WebWebsite

Microchip bietet Online-Support über unsere webSeite unter www.microchip.com/. Das webWebsite wird verwendet, um files und
Informationen für Kunden leicht zugänglich. Zu den verfügbaren Inhalten gehören unter anderem:

• Produktsupport – Datenblätter und Errata, Anwendungshinweise und sampDateiprogramme, Designressourcen, Benutzerhandbücher und Hardware-Supportdokumente, neueste Softwareversionen und archivierte Software
• Allgemeiner technischer Support – Häufig gestellte Fragen (FAQs), Anfragen zum technischen Support, Online-Diskussionsgruppen, Mitgliederliste des Microchip-Designpartnerprogramms
• Geschäft von Microchip – Produktauswahl- und Bestellleitfäden, neueste Pressemitteilungen von Microchip, Auflistung von Seminaren und Veranstaltungen, Auflistung von Microchip-Vertriebsbüros, Distributoren und Fabrikvertretern

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Der Benachrichtigungsservice für Produktänderungen von Microchip hilft Kunden, die Produkte von Microchip auf dem Laufenden zu halten. Abonnenten erhalten E-Mail-Benachrichtigungen, wenn Änderungen, Aktualisierungen, Überarbeitungen oder Errata in Bezug auf eine bestimmte Produktfamilie oder ein Entwicklungstool von Interesse vorliegen.

Um sich zu registrieren, gehen Sie zu www.microchip.com/pcn und befolgen Sie die Registrierungsanweisungen.

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Benutzer von Microchip-Produkten können über mehrere Kanäle Unterstützung erhalten:

• Vertriebshändler oder Vertreter
• Lokales Verkaufsbüro
• Ingenieur für eingebettete Lösungen (ESE)
• Technische Unterstützung

Kunden sollten sich für Unterstützung an ihren Händler, Vertreter oder ESE wenden. Lokale Verkaufsbüros stehen den Kunden ebenfalls zur Verfügung. Eine Liste der Verkaufsbüros und Standorte finden Sie in diesem Dokument.

Technischen Support erhalten Sie über die webWebsite unter: www.microchip.com/support

Codeschutzfunktion von Microchip Devices

Beachten Sie die folgenden Details zur Codeschutzfunktion bei Microchip-Produkten:

• Mikrochipprodukte erfüllen die in ihrem jeweiligen Mikrochip-Datenblatt enthaltenen Spezifikationen.
• Microchip ist davon überzeugt, dass seine Produktfamilie sicher ist, wenn sie bestimmungsgemäß, innerhalb der Betriebsspezifikationen und unter normalen Bedingungen verwendet wird.
• Microchip schätzt und schützt seine geistigen Eigentumsrechte aggressiv. Versuche, die Codeschutzfunktionen von Microchip-Produkten zu verletzen, sind streng verboten und können gegen das Digital Millennium Copyright Act verstoßen.
• Weder Microchip noch irgendein anderer Halbleiterhersteller kann die Sicherheit seines Codes garantieren. Code-Schutz bedeutet nicht, dass wir garantieren, dass das Produkt „unzerbrechlich“ ist. Der Codeschutz entwickelt sich ständig weiter. Microchip ist bestrebt, die Codeschutzfunktionen unserer Produkte kontinuierlich zu verbessern

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Dokumente / Ressourcen

MICROCHIP Costas Loop Management [pdf] Benutzerhandbuch Costas Schleifenmanagement, Schleifenmanagement, Management

Verweise

• Bedienungsanleitung