引言

射頻定時(shí)發(fā)送器是射頻控制模塊中的一個(gè)重要組成部分，用于產(chǎn)生需要定時(shí)發(fā)送的射頻控制信號(hào)：AD_ON（模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)）、DA_ON（數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)）、APC（自動(dòng)功率控制信號(hào)）、AGC（自動(dòng)增益控制信號(hào)）和AFC（自動(dòng)頻率控制信號(hào)），再通過選擇兩個(gè)SPI接口RF_SPI和AD_SPI把控制信號(hào)定時(shí)地傳送到射頻發(fā)送模塊。射頻定時(shí)發(fā)送器需要完成的四種基本功能分別是：定時(shí)發(fā)送、競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送、數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘分頻，以及APC_burst模式，如圖1所示，本文將詳細(xì)闡述這些基本功能模塊的設(shè)計(jì)原理。

圖1 射頻定時(shí)發(fā)送器功能結(jié)構(gòu)圖

定時(shí)發(fā)送模塊

射頻定時(shí)發(fā)送器的主要功能就是定時(shí)傳輸射頻控制信息，為了滿足此功能，需要在模塊中設(shè)計(jì)兩個(gè)FIFO：DATA FIFO用于存儲(chǔ)射頻控制信息；TIME FIFO用于存儲(chǔ)時(shí)間信息。模塊中設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)幀計(jì)數(shù)器與TIME FIFO中存儲(chǔ)的某一時(shí)間相同時(shí)，就把與這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的射頻控制信息發(fā)送出去。因此還需設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，判斷當(dāng)幀計(jì)數(shù)器的值等于FIFO_time（FIFO中存儲(chǔ)的時(shí)間）時(shí)，產(chǎn)生使能信號(hào)（read_en， fifo_read_en， time_int）發(fā)送信息，工作流程如圖2所示。

圖2 定時(shí)發(fā)送射頻控制信息設(shè)計(jì)流程圖

FIFO

該模塊中將設(shè)計(jì)兩個(gè)FIFO，它們將需要發(fā)送的射頻控制信息及其發(fā)送時(shí)間緩存起來，設(shè)計(jì)用FIFO進(jìn)行存儲(chǔ)的目的是將這兩種信息一一對(duì)應(yīng)起來，避免發(fā)送的時(shí)候出錯(cuò)。

define data_fifo

module data_fifo （rst_，clk，we_i，rd_i， addwr_i，addrd_i，fifo_data_i，fifo_data_o）;

1） 首先定義該模塊的信號(hào)線：輸入信號(hào)為rst_ （復(fù)位信號(hào)）、clk（標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘）、 we_i（寫信號(hào)）、 rd_i（讀信號(hào)）、addwr_i［4:0］（寫FIFO地址）、 addrd_i［4:0］（讀FIFO地址）和fifo_data_i［11:0］（寫入FIFO的值）；輸出信號(hào)為fifo_data_o［11:0］ （FIFO輸出值）。

2） 再定義一個(gè)寬度為12位、深度為32的FIFO：reg ［11:0］ register_fifo［0:31］;

3） 設(shè)計(jì)寫FIFO的情況：以clk為參考時(shí)鐘，首先判斷復(fù)位信號(hào)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低時(shí)，對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位：if（！rst_） register_fifo［0.。..。.31］ 《= 12’b0；當(dāng)rst_不為低且we_i為高時(shí)，則對(duì)FIFO進(jìn)行寫操作：if（we_i == 1’b1） register_fifo［addwr_i］ 《= fifo_data_i;

4） 設(shè)計(jì)讀FIFO的情況：同樣以clk為參考時(shí)鐘，先判斷復(fù)位信號(hào)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低時(shí)，對(duì)fifo_data_o進(jìn)行復(fù)位：if（！rst_） fifo_data_o《= 12’b0；當(dāng)rst_不為低且rd_i為高時(shí)，則對(duì)FIFO進(jìn)行讀操作：if（rd_i == 1’b1） fifo_data_o 《= regsiter_fifo［addrd_i］;

使能信號(hào)及中斷產(chǎn)生模塊

FIFO讀/寫使能信號(hào)是由外部模塊驅(qū)動(dòng)的，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)模塊用于產(chǎn)生控制FIFO的讀/寫信號(hào)，并且該模塊還需產(chǎn)生時(shí)間中斷信號(hào)用于使能發(fā)送器。

define transfer time

module time_count（rst_，clk，fifo _time，framc，read_en，fifo_read _en，time_int）;

1） 首先定義該模塊的信號(hào)線：輸入信號(hào)為rst_、clk、 fifo_time［15:0］（FIFO中存儲(chǔ)的時(shí)間信息）、framc（幀計(jì)數(shù)器值）；輸出信號(hào)為read_en（FIFO地址累加使能信號(hào)）、 fifo_read_en（讀FIFO值使能信號(hào)）、time_int（時(shí)間中斷信號(hào)）；再定義一個(gè)reg ［1:0］ time_int_delay，用于存儲(chǔ)time_int在上一個(gè)時(shí)鐘的信息，如time_int_delay［0］ 《= time_int; time_int_delay［1］ 《= time_int_delay［0］;

2） 定義fifo_read_en信號(hào)在time_int被拉高后延遲一個(gè)clk拉高，再延遲一個(gè)clk拉低，即assign fifo_read_en = time_int |（time_int_delay［0］）;定義read_en信號(hào)在time_int被拉高后延遲兩個(gè)clk后拉高，再延遲一個(gè)clk拉低，即 assgin read_en = time_int_delay［0］ |（time_int_delay［1］）。這樣做的目的是控制在當(dāng)前clk的上升沿到來時(shí)取出FIFO中當(dāng)前地址的值，然后在下一個(gè)clk的上升沿立即計(jì)算出下一次取值的地址，這樣就能保證在每一次取值之前其所在的位置已經(jīng)計(jì)算完成，避免了取值出錯(cuò)的情況。

3） 最后定義如何產(chǎn)生time_int信號(hào)。time_int產(chǎn)生的條件是：當(dāng)fifo_time中存儲(chǔ)的時(shí)間信息等于framc時(shí)，time_int被拉高，即被使能，if（fifo_time== framc ） time_int 《= 1‘b1;

FIFO讀寫操作的仿真結(jié)果如圖3所示，對(duì)FIFO的讀/寫操作分別由we_i和rd_i（fifo_read_en）控制，而計(jì)算讀FIFO的地址由read_en控制，這樣就能保證在每次取FIFO值之前其所在地址已經(jīng)被計(jì)算完成。

圖3 FIFO讀/寫操作仿真圖

競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送模塊

芯片在空閑情況下，可能會(huì)有空閑狀態(tài)的射頻控制信息（idle_data）需要發(fā)送，當(dāng)芯片喚醒后則應(yīng)優(yōu)先發(fā)送該信息。但當(dāng)芯片喚醒后產(chǎn)生的射頻控制信息fifo_data與idle_data在同一時(shí)刻發(fā)送時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送的情況。因此，在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)限定當(dāng)idle_en（空閑使能信號(hào)）與pllon（pll時(shí)鐘使能信號(hào)）同時(shí)拉高時(shí)，發(fā)送idle_data中的相應(yīng)比特來取代fifo_data中的相應(yīng)比特，如圖4所示。

圖4 射頻定時(shí)發(fā)送器在空閑情況下的工作流程

transfer idle_data and fifo_data：

module idle_time（fifo_ data，pllon，idle_en，idle_data，rfctrl_o）;

1） 定義該模塊的信號(hào)線：輸入信號(hào)為fifo_data［11:0］（FIFO中存儲(chǔ)的射頻控制信息）、idle_data （空閑時(shí)需發(fā)送的射頻控制信息）、idle_en、pllon；輸出信號(hào)為rfctrl_o（最后輸出的射頻控制信息）。

2） 下面對(duì)需發(fā)送的控制信息進(jìn)行邏輯組合。其敏感電平是pllon、fifo_data、idle_data和idle_en，即當(dāng)上述電平中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，就執(zhí)行下面的語(yǔ)句：

always @（pllon or fifo_data or idle_data or idle_en）//組合邏輯電路

begin

rfctrl_o［0］ = （idle_en［0］）？idle_ data［0］：fifo_data［0］;

rfctrl_o［1］ = （idle_en［1］）？idle_ data［1］：fifo_data［1］;

rfctrl_o［2］ = （idle_en［2］）？idle_ data［2］：fifo_data［2］;

rfctrl_o［3］ = （idle_en［3］）？idle_ data［3］：fifo_data［3］;

rfctrl_o［4］ = （idle_en［4］）？idle_ data［4］：fifo_data［4］;

。..。..。..。..。.. 。..。..。..。..。..。. 。..。..。..。..。.

end

競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送的仿真結(jié)果如圖5所示：在pllon沒有被拉高的情況下，rfctrl_o發(fā)送的就是fifo_data的值，只有當(dāng)pllon被拉高的條件下才會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送的情況。

數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘分頻模塊

為了數(shù)據(jù)發(fā)送同步，射頻定時(shí)發(fā)送器輸出數(shù)據(jù)的頻率應(yīng)與外接模塊保持一致，射頻定時(shí)發(fā)送器采樣發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘是系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻時(shí)鐘。因此，產(chǎn)生分頻時(shí)鐘和采樣使能信號(hào)是該模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，并要求每次對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的采樣都應(yīng)發(fā)生在分頻時(shí)鐘的上升沿。

generator ad_clk and send ad_sdatao：

module drv_clk（rst_，clk，frq_ drv，ad_sclk，spi_en，rfctrl_data，ad_datao）;

1） 定義該模塊的信號(hào)線：輸入信號(hào)為rst_、 clk、 frq_drv（分頻系數(shù)）、rfctrl_data（射頻控制信息）；輸出信號(hào)為ad_sclk（分頻時(shí)鐘）、ad_sdatao（發(fā)送數(shù)據(jù)）。

2） 以clk為基準(zhǔn)時(shí)鐘，定義一個(gè)reg［3:0］ count計(jì)數(shù)器對(duì)clk的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)count=frq_drv-1時(shí)，ad_sclk進(jìn)行反轉(zhuǎn)并對(duì)count清零，這樣就產(chǎn)生了分頻時(shí)鐘。

3） 該模塊設(shè)計(jì)要求每次對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的采樣都應(yīng)發(fā)生在分頻時(shí)鐘的上升沿。但為了避免產(chǎn)生異步，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣時(shí)不能以產(chǎn)生的ad_sclk為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)仍以clk為基準(zhǔn)時(shí)鐘。即在每8個(gè)clk時(shí)鐘的上升沿發(fā)送1位的rfctrl_data，并由高位到低位發(fā)送，這樣采樣時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)毛刺，能做到較好的同步。

always @（posedge clk or negedge rst_）

begin

count 《= count+1

if（count == 2*frq_drv－1）

begin

ad_sdatao 《= rfctrl_data［11］; //每次發(fā)送rfctrl_data的最高bit

rfctrl_data［11:0］ 《= {rfctrl_data［10:0］， 1’b0};

//然后rfctrl_data［11:0］左移一位，去除已發(fā)送的bit

end

end

這種方式能確保在每一個(gè)ad_sclk的上升沿對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，避免了產(chǎn)生毛刺。

圖5 競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送仿真圖

burst發(fā)送模式設(shè)計(jì)

為了使發(fā)送功率更加穩(wěn)定，射頻定時(shí)發(fā)送器中設(shè)計(jì)了一種burst模式，即把一次性需要發(fā)送的功率分為幾步發(fā)送出去，并規(guī)定了每步發(fā)送的功率值＝step_value*para（每步值×增益），這樣就可以避免在發(fā)送功率控制信息時(shí)產(chǎn)生突激。

burst step design：

module burst（rst_，clk，apc_ flag_i，step0.。...step11，para，ad_s datao，apc_burst_en，apc_burstout）;

1） 定義該模塊的信號(hào)線：輸入信號(hào)為rst_、 clk、 apc_flag_i（apc標(biāo)志信號(hào)）、step0.。...step11 （每步需發(fā)送的功率值）、para（每步增益）、apc_burst_en（burst模式使能信號(hào)）；輸出信號(hào)為apc_burstout（每步最終發(fā)送的功率）、ad_sdatao（發(fā)送數(shù)據(jù)）。

2） 定義assign apc_burstout = step_value*para，設(shè)置step_count記錄目前發(fā)送的步數(shù)，并根據(jù)step_count的信息，用step_value存儲(chǔ)當(dāng)前步數(shù)的值。

always @（posedge clk or negedge rst_）

begin

case（step_count）

2‘b00： step_value［11:0］《= step0［11:0］;

2’b01： step_value［11:0］《= step1［11:0］;

2‘b10： step_value［11:0］《= step2［11:0］;

。..。..。..。..。..。.

endcase

end

3） 最后定義當(dāng)每次apc_burst_en使能時(shí)，step_count累加。

仿真結(jié)果如圖6所示：當(dāng)apc_flag_i拉高時(shí)，射頻控制信息開始從0步到11步分步發(fā)送；當(dāng)apc_flag_i拉低時(shí)，再?gòu)牡?2步到第1步發(fā)送。

圖6 APC在burst模式下發(fā)送數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果時(shí)序圖

結(jié)語(yǔ)

作為射頻控制模塊中的重要部分，射頻定時(shí)發(fā)送器能夠定時(shí)發(fā)送射頻控制信息，并能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整發(fā)送模式。本文對(duì)該模塊最重要的四大功能模塊，即定時(shí)發(fā)送模塊、競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送模塊、分頻采樣時(shí)鐘模塊以及burst模式發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)方案作了基本介紹，希望對(duì)芯片設(shè)計(jì)人員有所幫助。