基于FPGA的無線通信平臺設計

孫玉浩 陳梓源 解志斌

摘要：設計了基于現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）和nRF24L01 的無線通信平臺架構。以FPGA 為主控芯片，設計了串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）、直接數字頻率合成（direct digital synthesis，DDS）模塊以及邏輯控制模塊，并對nRF24L01 進行芯片配置，實現了FPGA 與nRF24L01 之間的高速數據交互。通過測試證明，基于FPGA 的無線通信平臺具有通信速率高、通用性強、性能穩定等特點，能夠適用于多種通信應用場景。

關鍵詞：無線通信；現場可編程邏輯門陣列；nRF24L01 芯片；串行外設接口

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A

0 引言

隨著電子技術的高速發展，無線通信技術取得了不斷進步，無線通信的質量也越來越高。傳統的射頻收發單元包含功率放大器、低噪聲放大器、混頻器和聲表面波濾波器等大量的分立器件，導致通信系統設計過程復雜、難度大，并且面對新需求時，難以對系統進行修改完善，造成時間和資源的浪費。因此，可修改、低功耗、集成度高的無線通信系統成為未來發展的趨勢。為了滿足上述需求，工程師設計出了各種射頻芯片，如面向基站應用的芯片AD9361、面向無線局域網的芯片MAX2830和中短距離傳輸芯片nRF24L01 等。禹永植等[1] 基于現場可編程邏輯門陣列（field programmable gatearray，FPGA）和AD9361 設計出了一種軟件無線電平臺，該平臺能夠根據需求更改數據調制方式和收發通道參數，具有較高的靈活性和通用性。楊園格等[2-3] 基于FPGA 和MAX2830 設計出一種軟件無線通信平臺，該平臺擁有開放式自有協議，兼容藍牙低能耗通信協議，適用于多種通信場景。雖然上述兩種軟件無線通信平臺相較于傳統通信系統具有無法比擬的優勢，但需要設計者熟練掌握通信系統原理、數字信號處理算法以及算法硬件化方法等，這對于初學者難度較大。

nRF24L01 芯片是挪威Nordic 公司設計的一款射頻芯片，該芯片數據傳輸速率高、功耗低且通信接口簡單，應用非常廣泛。目前，市場上大多是通過單片機軟件模擬串行外設接口（serial peripheral?interface，SPI）對nRF24L01 進行控制，這種方式嚴重制約了無線通信平臺的傳輸速率[4]。因此，本文設計了基于FPGA 和nRF24L01 的無線通信平臺，利用可編程邏輯資源實現了SPI 控制nRF24L01 模塊，并通過信源產生正弦波作為待傳數據，進一步驗證無線通信系統的合理性。該無線通信平臺解決了傳統通信系統設計復雜、難修改等問題，大大提高了系統通用性。