基于FPGA的无线通信平台设计

孙玉浩 陈梓源 解志斌

摘要：设计了基于现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）和nRF24L01 的无线通信平台架构。以FPGA 为主控芯片，设计了串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）、直接数字频率合成（direct digital synthesis，DDS）模块以及逻辑控制模块，并对nRF24L01 进行芯片配置，实现了FPGA 与nRF24L01 之间的高速数据交互。通过测试证明，基于FPGA 的无线通信平台具有通信速率高、通用性强、性能稳定等特点，能够适用于多种通信应用场景。

关键词：无线通信；现场可编程逻辑门阵列；nRF24L01 芯片；串行外设接口

中图分类号：TN92 文献标识码：A

0 引言

随着电子技术的高速发展，无线通信技术取得了不断进步，无线通信的质量也越来越高。传统的射频收发单元包含功率放大器、低噪声放大器、混频器和声表面波滤波器等大量的分立器件，导致通信系统设计过程复杂、难度大，并且面对新需求时，难以对系统进行修改完善，造成时间和资源的浪费。因此，可修改、低功耗、集成度高的无线通信系统成为未来发展的趋势。为了满足上述需求，工程师设计出了各种射频芯片，如面向基站应用的芯片AD9361、面向无线局域网的芯片MAX2830和中短距离传输芯片nRF24L01 等。禹永植等[1] 基于現场可编程逻辑门阵列（field programmable gatearray，FPGA）和AD9361 设计出了一种软件无线电平台，该平台能够根据需求更改数据调制方式和收发通道参数，具有较高的灵活性和通用性。杨园格等[2-3] 基于FPGA 和MAX2830 设计出一种软件无线通信平台，该平台拥有开放式自有协议，兼容蓝牙低能耗通信协议，适用于多种通信场景。虽然上述两种软件无线通信平台相较于传统通信系统具有无法比拟的优势，但需要设计者熟练掌握通信系统原理、数字信号处理算法以及算法硬件化方法等，这对于初学者难度较大。

nRF24L01 芯片是挪威Nordic 公司设计的一款射频芯片，该芯片数据传输速率高、功耗低且通信接口简单，应用非常广泛。目前，市场上大多是通过单片机软件模拟串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）对nRF24L01 进行控制，这种方式严重制约了无线通信平台的传输速率[4]。因此，本文设计了基于FPGA 和nRF24L01 的无线通信平台，利用可编程逻辑资源实现了SPI 控制nRF24L01 模块，并通过信源产生正弦波作为待传数据，进一步验证无线通信系统的合理性。该无线通信平台解决了传统通信系统设计复杂、难修改等问题，大大提高了系统通用性。