MICROCHIP Costas ループ管理ユーザー ガイド
導入
ワイヤレス伝送では、送信機 (Tx) と受信機 (Rx) は一定の距離だけ離れており、電気的に絶縁されています。 Tx と Rx の両方が同じ周波数に同調されている場合でも、Tx と Rx で使用される発振器間の ppm の違いにより、搬送周波数間に周波数オフセットが存在します。周波数オフセットは、データ支援または非データ支援 (ブラインド) 同期方法を使用して補償されます。
Costas ループは、キャリア周波数オフセット補償のための非データ支援 PLL ベースの方法です。 Costas ループの主な用途はワイヤレス受信機です。これを使用すると、Tx と Rx の間の周波数オフセットがパイロット トーンやシンボルの助けを借りずに補償されます。 Costas ループは、誤差計算ブロックを変更して BPSK および QPSK 変調用に実装されています。位相または周波数の同期にコスタス ループを使用すると、位相のあいまいさが生じる可能性があるため、差動エンコードなどの技術を使用して修正する必要があります。
まとめ
次の表は、コスタス ループの特性をまとめたものです。
表 1. コスタス ループの特性
| コア バージョン | このドキュメントは Costas Loop v1.0 に適用されます。 |
| サポートされているデバイス ファミリ |
|
| サポート 道具 流れ | Libero® SoC v12.0 以降のリリースが必要です。 |
| ライセンス | Costas Loop IP クリア RTL はライセンス ロックされており、暗号化された RTL は任意の Libero ライセンスで自由に利用できます。 暗号化された RTL: 完全に暗号化された RTL コードがコアに提供されるため、スマート デザインを使用してコアをインスタンス化できます。シミュレーション、合成、レイアウトは Libero ソフトウェアで実行できます。 RTL をクリア: 完全な RTL ソース コードがコアとテスト ベンチに提供されます。 |
特徴
Costas Loop には次の主な機能があります。
- BPSK および QPSK 変調をサポート
- 広い周波数範囲に対応する調整可能なループパラメータ
Libero® Design Suite での IP コアの実装
IP コアは、Libero SoC ソフトウェアの IP カタログにインストールする必要があります。これは IP 経由で自動的にインストールされます
Libero SoC ソフトウェアのカタログ更新機能、または IP コアをカタログから手動でダウンロードします。一度
IP コアは Libero SoC ソフトウェア IP カタログにインストールされ、コアは Libero プロジェクト リストに含めるために Smart Design ツール内で構成、生成、インスタンス化されます。
デバイスの使用率とパフォーマンス
次の表に、Costas ループに使用されるデバイス使用率を示します。
表 2. QPSK の Costas ループ使用率
| デバイスの詳細 | リソース | 性能 (MHz) | RAM について | 数学ブロック | チップグローバル | |||
| 家族 | デバイス | LUT | ダフ | LSRAM | μSRAM | |||
| PolarFire®SoC | MPFS250T | 1256 | 197 | 200 | 0 | 0 | 6 | 0 |
| ポーラファイア | MPF300T | 1256 | 197 | 200 | 0 | 0 | 6 | 0 |
表 3. BPSK の Costas ループ使用率
| デバイスの詳細 | リソース | 性能 (MHz) | RAM について | 数学ブロック | チップグローバル | |||
| 家族 | デバイス | LUT | ダフ | LSRAM | μSRAM | |||
| PolarFire®SoC | MPFS250T | 1202 | 160 | 200 | 0 | 0 | 7 | 0 |
| ポーラーファイア | MPF300T | 1202 | 160 | 200 | 0 | 0 | 7 | 0 |
重要：
- この表のデータは、一般的な合成およびレイアウト設定を使用してキャプチャされます。 CDR リファレンス クロック ソースは Dedicated に設定され、他のコンフィギュレータ値は変更されていません。
- パフォーマンス数値を達成するためにタイミング解析を実行している間、クロックは 200 MHz に制限されます。
機能説明
このセクションでは、Costas ループの実装の詳細について説明します。
次の図は、Costas ループのシステム レベルのブロック図を示しています。
図1-1。 Costas ループのシステムレベルのブロック図
Costas トップの入力と出力間のレイテンシは 11 クロック サイクルです。 THETA_OUTのレイテンシーは10クロックです
サイクル。 Kp (比例定数)、Ki (積分定数)、シータ係数、および LIMIT 係数は、ノイズ環境と導入される周波数オフセットに従って固定する必要があります。 Costas ループは、PLL 動作と同様に、ロックするまでに時間がかかります。一部のパケットは、コスタス ループの初期ロック時間中に失われる可能性があります。
建築
Costas ループの実装には、次の 4 つのブロックが必要です。
- ループ フィルター (この実装では PI コントローラー)
- シータジェネレーター
- 誤差計算
- ベクトル回転
図1-2。 Costas ループのブロック図
特定の変調方式の誤差は、ベクトル回転モジュールを使用して回転された I 値と Q 値に基づいて計算されます。 PI コントローラーは、誤差、比例ゲイン Kp、積分ゲイン Ki に基づいて周波数を計算します。最大周波数オフセットは、PI コントローラーの周波数出力の制限値として設定されます。 Theta Generator モジュールは積分によって角度を生成します。シータ係数の入力は積分の傾きを決定し、依存します。
sにampリンクロック。 Theta Generator から生成された角度は、I および Q 入力値を回転するために使用されます。誤差関数は変調タイプに固有です。 PI コントローラーは固定小数点形式で実装されているため、スケーリングは PI コントローラーの比例出力と積分出力で実行されます。
同様に、シータ統合に対してスケーリングが実装されます。
IP コアのパラメータとインターフェイス信号
このセクションでは、Costas Loop GUI コンフィギュレータのパラメータと I/O 信号について説明します。
構成設定
次の表に、Costas ループのハードウェア実装で使用される構成パラメータの説明を示します。これらは一般的なパラメータであり、アプリケーションの要件に従って変化します。
表 2-1. 設定パラメータ
| 信号名 | 説明 |
| 変調タイプ | BPSK または QPSK |
入力信号と出力信号
次の表に、コスタス ループの入力ポートと出力ポートを示します。
表 2-2.入力信号と出力信号
| 信号名 | 方向 | 信号タイプ | 幅 | 説明 |
| CLK_I | 入力 | — | 1 | クロック信号 |
| ARST_N_IN | 入力 | — | 1 | アクティブローの非同期リセット信号 |
| I_DATA_IN | 入力 | 署名済み | 16 | 同相 / 実数データ入力 |
| Q_DATA_IN | 入力 | 署名済み | 16 | 直交/虚数データ入力 |
| KP_IN | 入力 | 署名済み | 18 | PIコントローラの比例定数 |
| KI_IN | 入力 | 署名済み | 18 | PIコントローラの積分定数 |
| LIMIT_IN | 入力 | 署名済み | 18 | PIコントローラーの制限 |
| THETA_FACTOR_IN | 入力 | 署名済み | 18 | シータ積分のためのシータ係数。 |
| I_DATA_OUT | 出力 | 署名済み | 16 | 同相 / 実数データ出力 |
| Q_DATA_OUT | 出力 | 署名済み | 16 | 直交/虚数データ出力 |
| THETA_OUT | 出力 | 署名済み | 10 | 検証用に計算されたシータ インデックス (0 ～ 1023) |
| PI_OUT | 出力 | 署名済み | 18 | PI出力 |
タイミング図
このセクションでは、Costas ループのタイミング図について説明します。
次の図は、Costas ループのタイミング図を示しています。
図3-1。 Costas ループのタイミング図
テストベンチ
Costas Loop の検証とテストには、ユーザー テスト ベンチと呼ばれる統合テストベンチが使用されます。 Costas ループ IP の機能をチェックするためのテストベンチが提供されています。
シミュレーション行
テストベンチを使用してコアをシミュレートするには、次の手順を実行します。
- Libero SoC アプリケーションを開き、[カタログ] タブをクリックし、[Solutions-Wireless] を展開して [COSTAS LOOP] をダブルクリックし、[OK] をクリックします。 IP に関連するドキュメントは「ドキュメント」にリストされています。
重要： [カタログ] タブが表示されない場合は、次の場所に移動します。 View > [ウィンドウ] メニューをクリックし、[カタログ] をクリックして表示します。
図4-1。 Libero SoC カタログの Costas ループ IP コア
- 要件に従って IP を構成します。
図4-2。コンフィギュレータ GUI
すべての信号をトップレベルにプロモートし、デザインを生成します - [刺激階層] タブで、[階層の構築] をクリックします。
図4-3。ビルド階層
- [Stimulus Hierarchy] タブで、テストベンチ (Costas ループ bevy) を右クリックし、[Simulate Present Design] をポイントして、[Open Interactively] をクリックします。
図4-4。 合成前の設計のシミュレーション
ModelSimがテストベンチで開きます file、次の図に示すように。
図4-5。 ModelSimシミュレーションウィンドウ
重要： .do ファイルで指定された実行時間制限によりシミュレーションが中断された場合 file、 run -all コマンドを使用してシミュレーションを完了します。
改訂履歴
改訂履歴には、ドキュメントに実装された変更内容が記述されます。変更内容は、最新の出版物から順に改訂順にリストされます。
表 5-1. 改訂履歴
| リビジョン | 日付 | 説明 |
| A | 03/2023 | 初回リリース |
マイクロチップFPGAのサポート
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ドキュメント / リソース
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MICROCHIP Costas ループ管理 [pdf] ユーザーガイド Costas ループ管理、ループ管理、管理 |