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).
|
 |