多功能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

趙 磊

引言

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、圖像處理等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著信息科學(xué)的高速發(fā)展，人們面臨的信號(hào)處理任務(wù)越來(lái)越繁重，對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。所用系統(tǒng)要求具有處理大量高速數(shù)據(jù)的能力，這就要求系統(tǒng)硬件達(dá)到很高的運(yùn)算速度，并且軟件處理程序也盡可能優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，伴隨著電子產(chǎn)品應(yīng)用的多樣化，電路設(shè)計(jì)的通用性也受到了大家的重視。

器件選型

A／D采樣芯片

凌力爾特(Linear)的LTC2260是一種14 bit ADC，它具有105 Msps的采樣率，功耗僅為106m，顯著減少了用于高速數(shù)據(jù)采集的功率預(yù)算，同時(shí)集成有高性能采樣保持電路，提供CMOS兼容的輸出，輸入信號(hào)和采樣時(shí)鐘均支持差分模式。LTC2260具有以下特點(diǎn)：信噪比73.4dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍85dB，單1.8V電源，滿功率帶寬800MHz，CMOS、DDR CMOS或DDR LVDS輸出，可選輸入范圍1VP-P至2VP-P。

FPGA

在FPGA的選型中，通過(guò)對(duì)算法所需資源的估算和充分考慮器件的適用性，選用Altera公司StratixⅢ系列的EP3SE260。

StratixⅢ擁有功能強(qiáng)大的DSP模塊，速度高達(dá)550MHz，具有896個(gè)18×18的乘法器，支持可變位寬，支持基本乘法器、求和、累加、級(jí)聯(lián)、取整、飽和以及桶形移位寄存器等功能。EP3SE260資源如表1所示。

DSP

本設(shè)計(jì)中DSP選用ADI公司的新一代ADSP TS201s數(shù)字信號(hào)處理器，兼有FPGA和ASlC信號(hào)處理性能和指令集處理器的高度可編程性，適用于大存儲(chǔ)量、高性能、高速度的信號(hào)處理領(lǐng)域。ADSP TS201S采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)，靜態(tài)超標(biāo)量操作適合多處理器模式運(yùn)算，可直接構(gòu)成分布式并行系統(tǒng)和共享存儲(chǔ)式系統(tǒng)，專為大的信號(hào)處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了四路A／D，采樣后的數(shù)字信號(hào)送到FPGA進(jìn)行預(yù)處理，F(xiàn)PGA同時(shí)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘、對(duì)A/D和D／A進(jìn)行控制、與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、還要為CPCI接口的實(shí)現(xiàn)提供時(shí)序邏輯和通信接口，DSP做相應(yīng)的算法處理，四路D／A可提供測(cè)試信號(hào)和自檢信號(hào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

A/D電路

高速A／D芯片的輸入端通常采用差分輸入，這種方式有以下優(yōu)點(diǎn)：差分特性對(duì)來(lái)自電源和其他電路的外部共模噪聲源具有抑制作用；能夠抵消偶次諧波；每個(gè)差分輸入所需電壓擺幅僅為單端輸入時(shí)的50％。可以降低對(duì)電源的要求。

本設(shè)計(jì)中運(yùn)放采用的是ADI公司的AD8138，體積非常小巧，使得A／D芯片與信號(hào)輸入點(diǎn)的距離可以很近，大大減少了外界噪聲的影響，是理想的驅(qū)動(dòng)芯片。單端轉(zhuǎn)差分器件選用Mini-Circuits公司的寬帶變壓器ADT1-1WT，其工作頻帶為0.4～800MHz，配合簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)及濾波電容就可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)了。

LTC2260的工作時(shí)鐘由FPGA提供，輸出1.8V的并行數(shù)據(jù)到FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA采用2.5V的I／O電壓。

FPGA和DSP的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用松耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA和DSP都有其各自獨(dú)立的存儲(chǔ)器，DSP和FPGA之間通過(guò)LINK進(jìn)行互連，DSP與FPGA之間通信通過(guò)編寫(xiě)FPGA仿TS201 Lib／K邏輯完成，DSP還可通過(guò)LINK與外部交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)DSP和EIFPGA片間數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)率更高，最高可達(dá)4GB／s；

(2)DSP和FGPA可以同時(shí)訪問(wèn)各自的外部存儲(chǔ)器，系統(tǒng)總的存儲(chǔ)帶寬較大；

(3)DSP和FPGA訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的同時(shí)可以通過(guò)LINK鏈路進(jìn)行數(shù)傳通信；

(4)系統(tǒng)硬件連線相對(duì)獨(dú)立，易實(shí)現(xiàn)。

FPGA接口設(shè)計(jì)

FPGA主要提供3個(gè)邏輯接口，分別為與DSP的LINK接口、外部存儲(chǔ)器sDRAM的接口以及系統(tǒng)的輸入輸出接口。與DSP的LINK接口采用IP核設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，接口能夠穩(wěn)定工作在500MHz速度上，為FPGA和DDSP之間提供4GB／s的數(shù)據(jù)傳輸能力。

FPGA到SDRAM接口邏輯自行設(shè)計(jì)，與DSP外部存儲(chǔ)器相同采用4片K4SS11632M構(gòu)成64bit的256MB存儲(chǔ)空間。接口工作在80MHz時(shí)鐘頻率，數(shù)據(jù)率為640MB／s。

FPGA的輸入輸出接口連接到系統(tǒng)外，因此采用LVDS協(xié)議來(lái)保證信號(hào)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確傳輸，雙向備提供32bit數(shù)據(jù)寬度，采用250MHz的板間傳輸頻率，可以提供2GB／s的傳輸能力。

DSP總線接口設(shè)計(jì)

ADSP TS201外部總線支持多種不同的協(xié)議，并且可以通過(guò)編程進(jìn)行配置。外部總線接口支持流水線協(xié)議，SDRAM協(xié)議和慢速設(shè)備協(xié)議。TS201可以采用流水線協(xié)議訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)。另外TS201有片上的SDRAM控制器，支持與sDRAM的無(wú)縫連接。本設(shè)計(jì)中總線上的外設(shè)分別為SDRAM以及DSP加載程序的FLASH存儲(chǔ)器。

TS201處理器的sDRAM接口，支持1024、512、256字的頁(yè)面長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)sDRCON寄存器的編程可實(shí)現(xiàn)頁(yè)面長(zhǎng)度的選擇。同時(shí)sDRAM占用TS201的外部存儲(chǔ)空間地址，通過(guò)／MSSD3～0來(lái)確定SDRAM的地址空間范圍。本設(shè)計(jì)選用的sDRAM型號(hào)為K4S511632M，頁(yè)面長(zhǎng)度為s12字，將四片SDRAM拼接成64位的總線寬度，實(shí)現(xiàn)與TS201的無(wú)縫接口的2S6MB存儲(chǔ)空間。

DSP進(jìn)行運(yùn)算除了其外部存儲(chǔ)器外，還需要對(duì)其自身進(jìn)行程序加載的BOOT FLASH。本設(shè)計(jì)中使用AT49BV321，設(shè)計(jì)中FLAsH的cE信號(hào)需要使用DSP的BMS和MSO相與后給入，這樣才能保證可以通過(guò)DSP的外總線給FLASH進(jìn)行在線編程。

系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，借助上面介紹的硬件平臺(tái)，可以完成通用的數(shù)據(jù)采集與處理，其中關(guān)鍵的問(wèn)題就是后續(xù)的處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即后續(xù)的信號(hào)處理系統(tǒng)完成的算法與功能。針對(duì)輸入信號(hào)的不同以及高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的用途，后續(xù)的信號(hào)處理算法也具有多樣性。

數(shù)字下變頻

對(duì)于接收通道送來(lái)的中頻信號(hào)，由于本系統(tǒng)采用了10SMsps的采樣率，故可以直接采樣后進(jìn)行下變頻處理，如圖3所示。數(shù)字下變頻器的組成包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器和低通

濾波器，全部可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)，醫(yī)為通過(guò)軟件進(jìn)行運(yùn)算，乘法器和低通濾波器可以做到完全一致，解決了I、Q通道幅度不平衡的問(wèn)題，數(shù)字下變頻器的控制和修改也更加容易。

脈壓

在雷達(dá)回波信號(hào)處理中，通常利用線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)來(lái)獲得高的距離分辨率，它可以在保證雷達(dá)作用距離的情況下提高雷達(dá)的距離分辨率。數(shù)字脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖壓縮，分為時(shí)域和頻域兩種實(shí)現(xiàn)方式。一般而言，對(duì)于小時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用時(shí)域脈壓較好，可以用專用的FIR濾波器或FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用頻域脈壓較好，一般采用FFT方法在頻域?qū)崿F(xiàn)。由于DSP芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，完全能夠滿足雷達(dá)脈沖壓縮信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的需求。

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)

MTD是根據(jù)最佳濾波器理論發(fā)展起來(lái)的一種雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。MTD濾波器是一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，覆蓋整個(gè)重復(fù)頻率的范圍。由于固定雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多譜勒頻移不相同，利用多譜勒濾波器濾去固定雜波而取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，就可以大大改善在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。采用加權(quán)法的每個(gè)濾波器具有較低的副瓣，可以抑制運(yùn)動(dòng)雜波，還有在零頻附近的深凹口抑制固定雜波，具有較好的雜波抑制性能。MTD利用DSP內(nèi)部的FFT運(yùn)算實(shí)現(xiàn)相參積累，不但提高了系統(tǒng)輸出的信噪比，還增強(qiáng)了雷達(dá)在各種雜波以及干擾條件下的目標(biāo)檢測(cè)能力。

上面舉了一些應(yīng)用方面的例子，諸如MTI、CFAR、積累、求模以及目標(biāo)錄取之類的應(yīng)用，在本系統(tǒng)中也可以輕松地實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA和DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)具有一定的通用性和可擴(kuò)展性，F(xiàn)PGA可完成高速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，為DSP分擔(dān)部分信號(hào)處理工作，且硬件實(shí)現(xiàn)速度快于DSP的數(shù)據(jù)處理；采用浮點(diǎn)DSP進(jìn)行后續(xù)處理，提高了數(shù)據(jù)處理精度。該高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可以通過(guò)修改FPGA內(nèi)部程序來(lái)實(shí)現(xiàn)其它功能擴(kuò)展，并利用后續(xù)DsP的強(qiáng)大實(shí)時(shí)處理能力，完成更為復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，因此在工程應(yīng)用上具有較強(qiáng)的通用性。

Tota IPON解決方案，適應(yīng)多標(biāo)準(zhǔn)、多規(guī)范的電信市場(chǎng)應(yīng)用

近日在北京舉辦的中國(guó)光網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，PMC-Sierra&司帶來(lái)的TotalPON產(chǎn)品是為電信領(lǐng)域提供的一種完整解決方案。TotalPON是一款單芯片產(chǎn)品，只需一顆芯片、一款軟件，就可實(shí)現(xiàn)不同的PON標(biāo)準(zhǔn)，即目前市場(chǎng)上存在的兩套標(biāo)準(zhǔn)GPON和EPON，以及PON的下一代標(biāo)準(zhǔn)10GEPON和XGPON。因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上存在很多共性，不論是標(biāo)準(zhǔn)層面還是物理層上，以及相應(yīng)的一些應(yīng)用。同時(shí)在實(shí)施層面上，單就線卡而言，GPON和EPON也有很多相似的地方，如都有相應(yīng)的處理器、交換器，不同的只是PON在光模塊這方面的差別，而這方面比較容易解決，因?yàn)槎际强刹灏蔚?，這樣就誕生了TotalPON。