MICROCHIP Costas 循环管理用户指南

Costas 环路是一种基于 PLL 的非数据辅助载波频率偏移补偿方法。科斯塔斯环的主要应用是无线接收器。通过使用此功能，无需导频音或符号的帮助即可补偿 Tx 和 Rx 之间的频率偏移。 Costas 环是针对 BPSK 和 QPSK 调制实现的，并更改了误差计算块。采用科斯塔斯环进行相位或频率同步可能会导致相位模糊，必须通过差分编码等技术进行纠正。

概括

下表总结了 Costas Loop 的特性。

表 1. Costas Loop 特性

核心版	本文档适用于 Costas Loop v1.0。
支持的设备系列	Polar Fire® SoC 极地之火
支持工具流动	需要 Libero® SoC v12.0 或更高版本。
许可	Costas Loop IP 透明 RTL 已锁定许可证，加密 RTL 可通过任何 Libero 许可证免费使用。加密 RTL：为核心提供完整的加密RTL代码，使核心能够通过Smart Design实例化。可以使用 Libero 软件执行仿真、综合和布局。清除 RTL：为核心和测试平台提供了完整的 RTL 源代码。

特征

Costas Loop 具有以下主要特点：

支持BPSK和QPSK调制

适用于宽频率范围的可调环路参数

在 Libero® Design Suite 中实现 IP 核
IP 核必须安装到 Libero SoC 软件的 IP 目录中。这是通过IP自动安装的
Libero SoC软件中的目录更新功能，或者从目录中手动下载IP核。一次
IP 核安装在 Libero SoC 软件 IP 目录中，该核在智能设计工具中进行配置、生成和实例化，以包含在 Libero 项目列表中。

设备利用率和性能

下表列出了用于 Costas Loop 的设备利用率。

表 2. QPSK 的 Costas 环路利用率

设备详细信息		资源		性能（兆赫）	内存		数学块	全球芯片
家庭	设备	查找表	数字化光纤	性能（兆赫）	大容量静态随机存取存储器	μSRAM	数学块	全球芯片
PolarFire® SoC	MPFS250T	1256	197	200	0	0	6	0
PolarFire	强积金300T	1256	197	200	0	0	6	0

表 3. BPSK 的 Costas 环利用率

设备详细信息		资源		性能（兆赫）	内存		数学块	全球芯片
家庭	设备	查找表	数字化光纤	性能（兆赫）	大容量静态随机存取存储器	μSRAM	数学块	全球芯片
PolarFire® SoC	MPFS250T	1202	160	200	0	0	7	0
极地之火	强积金300T	1202	160	200	0	0	7	0

重要的：

此表中的数据是使用典型的综合和布局设置捕获的。 CDR 参考时钟源设置为专用，其他配置器值不变。
在运行时序分析以实现性能数字时，时钟被限制为 200 MHz。

功能描述

本节介绍 Costas Loop 的实现细节。

下图是Costas Loop的系统级框图。

图 1-1。 Costas Loop 系统级框图

Costas top 的输入和输出之间的延迟为 11 个时钟周期。 THETA_OUT 延迟为 10 个时钟
循环。 Kp（比例常数）、Ki（积分常数）、Theta 因子和 LIMIT 因子必须根据噪声环境和引入的频率偏移来固定。 Costas 循环需要一些时间来锁定，就像在 PLL 操作中一样。在 Costas Loop 的初始锁定时间内，某些数据包可能会丢失。

建筑学

科斯塔斯环路的实施需要以下四个模块：

环路滤波器（本实施中的 PI 控制器）
西塔发生器

误差计算
矢量旋转

图 1-2。 Costas 环路框图

特定调制方案的误差是使用矢量旋转模块根据旋转的 I 和 Q 值计算的。 PI 控制器根据误差、比例增益 Kp 和积分增益 Ki 计算频率。最大频率偏移设置为 PI 控制器频率输出的限制值。 Theta Generator 模块通过积分生成角度。 Theta 因子输入决定积分的斜率并取决于。

在amp灵钟。 Theta 发生器生成的角度用于旋转 I 和 Q 输入值。误差函数特定于调制类型。由于 PI 控制器以定点格式实现，因此对 PI 控制器的比例和积分输出执行缩放。

类似地，缩放是针对 theta 积分实现的。

IP核参数和接口信号

本节讨论 Costas Loop GUI 配置器和 I/O 信号中的参数。

配置设置

下表列出了 Costas Loop 硬件实现中使用的配置参数的说明。这些是通用参数，根据应用的要求而变化。
表 2-1。配置参数

信号名称	描述
调制类型	BPSK 或 QPSK

输入和输出信号
下表列出了 Costas Loop 的输入和输出端口。
表 2-2。输入和输出信号

信号名称	方向	信号类型	宽度	描述
时钟信号	输入	—	1	时钟信号
ARST_N_IN	输入	—	1	低电平有效异步复位信号
数据输入	输入	已签名	16	同相/实际数据输入
Q_数据输入	输入	已签名	16	正交/虚数数据输入
KP_IN	输入	已签名	18	PI控制器的比例常数
KI_IN	输入	已签名	18	PI控制器的积分常数
LIMIT_IN	输入	已签名	18	PI 控制器的限制
THETA_FACTOR_IN	输入	已签名	18	用于 θ 积分的 θ 因子。
I_数据_输出	输出	已签名	16	同相/实际数据输出
Q_数据_输出	输出	已签名	16	正交/虚数数据输出
西塔_输出	输出	已签名	10	计算的 Theta 指数 (0-1023) 用于验证
PI_输出	输出	已签名	18	PI输出

时序图

本节讨论 Costas 循环时序图。
下图是Costas Loop的时序图。
图 3-1。 Costas 循环时序图

试验台

一个统一的测试平台用于验证和测试 Costas Loop，称为用户测试平台。提供测试台来检查 Costas Loop IP 的功能。

模拟行

要使用测试平台模拟核心，请执行以下步骤：

打开 Libero SoC 应用程序，单击目录选项卡，展开解决方案-无线，双击 COSTAS LOOP，然后单击确定。与 IP 相关的文档列在文档下。
重要的： 如果您没有看到“目录”选项卡，请导航至 View > Windows 菜单并单击目录以使其可见。
图 4-1。 Libero SoC 目录中的 Costas Loop IP 核
根据您的要求配置 IP。
图 4-2。配置器图形用户界面

将所有信号提升到顶层并生成设计
在刺激层次结构选项卡上，单击构建层次结构。
图 4-3。建立层次结构
在“刺激层次结构”选项卡上，右键单击测试平台（Costas 循环组），指向“模拟当前设计”，然后单击“交互式打开”
图 4-4。模拟预综合设计

ModelSim 打开测试台 file，如下图所示。
图 4-5。 ModelSim 仿真窗口

重要的： 如果仿真由于 .do 中指定的运行时间限制而中断 file、使用run -all命令完成模拟

修订历史

修订历史描述了文档中实施的更改。更改按修订列出，从最新发布开始。
表 5-1。修订记录

修订	日期	描述
A	03/2023	初始版本

微芯片 FPGA 支持

Microchip FPGA 产品组通过各种支持服务为其产品提供支持，包括客户服务、
客户技术支持中心， web站点和全球销售办事处。建议客户参观
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通过以下方式联系技术支持中心 web网站 www.microchip.com/support. 提及 FPGA 设备
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微芯信息

微芯片 Web地点

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文件/资源

MICROCHIP Costas 循环管理 [pdf] 用户指南
Costas 循环管理、循环管理、管理

参考

用户手册

介绍

概括

特征