宽带数据采集与实时处理系统

1、系统简介:

1.1 系统主要组成:

l CPCI机箱:

l 高速数据采集及宽带信号处理卡

1.2 系统原理:

高速数据采集卡完成对模拟信号的采集和存储，通过该采集板的10位高速AD将模拟信号转换成数字信号后传输到高速FPGA芯片，然后通过FPGA芯片控制大容量存储器，将数字信号存储在DDR大容量存储器内。该FPGA我们采用Xilinx公司的XC6VLX240T，该具有768多个18X18的乘法器，非常适合高速信号处理；以2G的速率和10bit的采样位数进行采集，经过FPGA预处理以后数据存储于连接在FPGA上的高速大容量DDR储存器中，采集的数据根据指令进行处理后，将存储在DDR存储器内读出下载到工控机存储器，需要处理存储于该存储器上的数据时，将这些数据读入处理器进行处理，处理后的结果可以通过CPCI接口下载到板载存储器，经过可变延时后，送入DAC恢复信号。该系统的主要原理框图如下：

图1、宽带数据采集及实时信号处理系统框图

2、系统性能指标

n 板卡尺寸为6UcPCI板（160mm×233mm）。

n 2GSPS 10bit ADC

n 10M 16bit ADC

n 大于2.5GSPS 12bit DAC

n DDR3 1333  2G内存条

n 采集板提供可重新定义的标准32bit＋32bit数字I/O接口，其中32bit可双向选择定义。数字I/O采用后面板J3/P3与J4/P4实现输入输出。

n 模拟接口为：  

时钟输入（小于1VPP电平，50欧匹配负载，输入接口为SMA接口）；

ADC提供模拟单端交流耦合输入（输入接口为SMA接口）。

DAC提供模拟单端交流耦合输出（输出接口为SMA接口）。

n CPCI及高速通信口

n 环境要求

储存温度：-40摄氏度；

工作温度： C:   0摄氏度～+55摄氏度。

   I:  -20摄氏度～+65摄氏度。

l 硬件资源

n 1个TMS320处理器及相应的缓冲资源。

n CPCI通信接口。

n 高速光纤通信接口。

n 1片FPGA采用Xilinx的XC6V系列的XC4VLX240T。

n 电路板FPGA装配兼容“XC6VSX315T”和“XC6VLX365T”。

n FPGA通过总线方式和PCI桥芯片相连，理论峰值速率可达256MB/s。

n 详见自定义引脚。

3、宽带数据采集及实时信号处理系统技术实现

3.1 高速AD数据采集的实现

    ADC芯片是沟通模拟域和数据域的重要器件,高速AD转换系统对测量仪器、通信、网络、卫星接收、数据采集、自动测试设备等具有重要的意义.文中介绍了基于AT84AS004模,数转换器且采样率高达lGsps的高速ADC系统的设计方法.

AT84AS004是E2V公司的采样速率高达2000MSPS的高速ADC芯片，其是业界zui早单片10位超高速ADC的模数转换器。这款产品实现了高性能，在2000MSPS下的有效位数（ENOB）可达8左右，从而能够支持各种高带宽应用，其中包括测试与测量设备、软件定义无线电、雷达系统以及通信仪表等，这些设备以前只能采用分辨率较低的ADC。AT84AS004数据输出端口有1:4的DEMUX模块，能够和FPGA实现无缝链接，这样可以降低高速数据采集系统的技术风险。同时该芯片理论上能够实现的无杂散抑制为48dBc。

3.2 高精度AD数据采集的实现

本系统中还设计了16位的高精度ADC，主要用于低速的数据高精度的数据采集。该芯片是德州仪器 （TI）公司推出的16位10MSPS的Δ-ΣADC ADS1610,采用TQFP-64 封装,工作电压为 +5V模拟电源以及 +3V 数字电源。可在 5MHz 带宽上实现优异的 86dB 信噪比以及 95dB 无寄生动态范围。通过其纹波低于0.0002dB的4.4MHz通频带可以提供宽带信号处理,而片上数字滤波器与 SAR 及管线转换器相比则可以简化抗混淆（anti-alias）需求。是通信、科研仪表、测试测量应用领域中要求高精度测量的理想选择。

3.3 高速DA的实现

MD652D采样时钟速率达4.5 GSPS（每秒千兆次采样）12 bit数模转换器（DAC）。这片DAC突破了3000 MSPS采样速率难关,建立了新的采样速率标准,同时并提供了的动态性能。随着对信号处理速度和复杂程度的增加,电子工程师需要能够比以前高很多的时钟频率合成高质量信号的DAC。MD652D的发布说明DAC在速度和性能方面都有重大的飞跃。这种*的数据传输速率的实现是由于采用了集成的低压差分信号（LVDS）数字接口技术和美国公司的*高速数据转换器。 

MD652D除了具有高速的特点,它在现在所有的高速12 bit DAC中具有zui低的功耗,这使它非常适合用于需要一种低功耗DAC来处理高频和宽带频率合成信号。这些应用包括宽带测试和测量仪器、自动测试仪器、雷达、航空用电子设备和宽带通信应用,例如,点到点无线通信、本地多点分配业务（LMDS）和功率放大器线性化。

集成的LVDS赋予其高转换速率，MD652D还使用一种双倍数据速率（DDR）方式提供一种快速LVDS输入接口,它能在宽带下提供高转换速率。这允许它以高速接收数据的同时保持低失真和低噪声,简化发送信号链并且能够在Nyquist速率（DAC采样速率的一半）范围内合成高质量中频宽带信号。

MD652D的输出电流在10 ～ 20 mA范围内可调节,并且可很容易地配置单端或差分输出电路结构。该器件在在2.5 GSPS采样速率下,在255 MHz输出频率时互调失真（IMD）为56 dBc,并且在600 MHz输出频率时IMD优于52 dBc 。SFDR在300 MHz输出频率时为53 dBc,在600 MHz输出频率时为51 dBc。MD652D具有优良的噪声性能。

3.4 高速FPGA信号处理的实现

 FPGA选用Xilinx公司的Virtex6VLX系列的XC4VLX240T-FF1156，该系列采用40nm，zui高容量达2000多万门，高速18×18位乘法器zui多可达768个，系统时钟可达550MHz。内部核心电源为1.0V，外部I/O口的电源, 新的Virtex-6 FPGA系列器件性能提高15%，功耗降低15%。新器件在1.0v 内核电压上操作，同时还有可选的0.9v低功耗版本。该FPGA具有下列特点：

1. 层次化的存储器系统，基本逻辑功能块可以配置成36K*1bit，1k*36bit等多种配置方式的单端同步RAM或双口同步RAM。RAM的zui大容量可以达到15Mb。

2. 高速运算时有进位逻辑，有的乘法器资源逻辑，可以设计出550MHz的700多个高速18×18位乘法器。

3. 高达600个用户自定义I/O管脚，采用SelectIO-Ultra技术，支持19种单端信号和6种差分信号的不同的电平格式，无须考虑电平转换和驱动能力的问题。支持数字匹配阻抗设计的功能，通过设置不同的终端阻抗达到*的匹配状态，节约了外部阻抗匹配电路占用空间。

4. 采用高性能的SelectLink技术，提供高带宽的数据通路，支持DDR2，DDR3的功能，在高速信号设计中起到重要作用。

5. 的时钟分配管理模块，提供高精度低抖动的输出时钟，合成时钟频率灵活设置。高速的时钟布线网络保证了FPGA可以正常工作的前提。

6. 符合IEEE1149.1标准的边界扫描逻辑，方便测试。 

4、宽带数据采集及实时信号处理系统关键技术

l 高速FPGA设计技术

l 高速数据存储缓冲技术

l 高速信号的SI和PI设计技术

l 高速数模混和PCB设计技术

l 高速数字信号处理技术