Практикум по проектированию радиоэлектроники на FPGA (ПЛИС)

О курсе

Практикум знакомит с проектированием цифровых радиоэлектронных систем на программируемых логических интегральных схемах (FPGA/ПЛИС). Курс идёт от основ языка описания аппаратуры SystemVerilog и работы в среде Vivado к цифровой обработке сигналов: генерации синусоиды, фильтрации, модуляции и детектированию амплитуды. Завершается курс сборкой простой системы LLRF (Low-Level RF), то есть стабилизации высокочастотного поля ускоряющей системы циклотрона.

Каждое занятие состоит из короткой теоретической части и практики. Алгоритмы сначала моделируются в Python, затем реализуются на SystemVerilog и проверяются в симуляции. В отличие от классического курса цифровой схемотехники, глубокий разбор булевой алгебры и низкоуровневых деталей не требуется: акцент сделан на понимании систем, идеи алгоритмов и скорости разработки.

Что необходимо знать для успешного выполнения практикума

• основы математического анализа, комплексных чисел и тригонометрии;

• знание цифровой обработки сигналов не требуется — она вводится с нуля со второй лекции;

• базовые навыки работы с компьютером; опыт программирования (например, на Python) не обязателен, но ускоряет освоение HDL.

Используемые инструменты

• язык описания аппаратуры SystemVerilog;

• среда проектирования Xilinx (AMD) Vivado, включая симуляцию;

• Python — моделирование алгоритмов и построение спектров;

• MATLAB (filterDesigner) — расчёт коэффициентов КИХ- и БИХ-фильтров.

Курс состоит из 10 занятий. 

 

Список занятий:

1. Основы FPGA и SystemVerilog 

Результат: умение создать проект в Vivado, описать синхронный модуль на SystemVerilog, выполнить поведенческую симуляцию, собрать блок-дизайн и прошить плату.

 

 

 

 

2. Введение в цифровую обработку сигналов

Результат: понятие о частоте Найквиста, переносе частоты и спектре сигнала. Навык генерации и анализа сигналов в Python (numpy, matplotlib), в том числе реального сигнала с АЦП ПЛИС.

 

 

 

 

3. Генерация синусоиды: DDS и CORDIC

Результат: понятие о цифровом синтезе синусоиды (DDS и CORDIC). Опыт настройки IP-блоков DDS Compiler и CORDIC в Vivado, проверки сигнала в симуляции и на осциллографе. Умение объяснить искажения формы сигнала по данным ILA.

 

 

 

4. Цифровая фильтрация: КИХ и БИХ фильтры

Результат: понятие о КИХ- и БИХ-фильтрах и их частотных характеристиках. Опыт реализации КИХ-фильтра нижних частот на IP-блоке FIR Compiler и проверки на реальном сигнале: ЦАП → АЦП → ILA.

 

5. Модуляция: AM, FM, PSK, QAM

Результат: понятие об AM, FM, PSK и квадратурной (IQ) модуляции. Опыт сборки QAM-модулятора на IP-блоках CORDIC и DDS Compiler, управления амплитудой, частотой и фазой через VIO и проверки сигнала осциллографом.

 

 

6. Детекторы амплитуды №1: диодный мост и квадратичная огибающая

Результат: понятие об огибающей сигнала. Опыт реализации двух детекторов амплитуды (цифровой диодный мост и квадратичная реальная огибающая) с фильтром нижних частот на FIR Compiler. Навык сбора данных через ILA и анализа спектра и SNR на Python.

 

7. Детекторы амплитуды №2: преобразование Гильберта

Результат: понятие об аналитическом сигнале и преобразовании Гильберта. Опыт проектирования КИХ-фильтра Гильберта в MATLAB, его реализации на FIR Compiler и сравнения SNR с предыдущими детекторами.

 

8. Детекторы амплитуды №3: IQ-демодуляция

Результат: понятие об IQ-демодуляции. Опыт реализации IQ-детектора с выделением амплитуды и начальной фазы (фильтр нижних частот и преобразование в полярные координаты на CORDIC) и сравнения его SNR с другими методами.

 

 

9. PID-регулятор   (Л + П)

Результат: понятие об объекте управления, обратной связи, устойчивости и составляющих PID-регулятора. Опыт самостоятельной реализации PID-регулятора на SystemVerilog с тестбенчем и его проверки на стабилизации постоянного напряжения на выходе ЦАП (настройка через VIO, наблюдение на осциллографе).

 

 

10. Простая LLRF-система циклотрона

Результат: понятие о структуре LLRF-системы циклотрона. Опыт анализа полной цифровой LLRF-системы на FPGA (IQ-детектор, модель резонатора, PID-регулятор, источник возмущений) и оценки качества стабилизации по SNR (рост с ≈21 до ≈59 дБ при включении PID).