一種基于LTC2270的高速數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬延軍，張　紅，李新民，康曉非

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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一種基于LTC2270的高速數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬延軍，張紅，李新民，康曉非

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

摘要軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，然而高速及高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集仍然是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。針對(duì)此難點(diǎn)問(wèn)題，基于LTC2270高速AD采樣芯片及USB2.0接口芯片F(xiàn)T232H，設(shè)計(jì)了一款高速數(shù)據(jù)采樣模塊，其最高傳輸速率達(dá)到了40 Mbytes/s，對(duì)應(yīng)16 bits量化的AD芯片，其符號(hào)速率達(dá)到20 Msymbols/s。其中，采用了Altera公司的EP3C5可編程器件完成了對(duì)LTC2270與FT232H的時(shí)序控制。在頻譜分析儀的配合下，完成了對(duì)中頻信號(hào)的直接采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能提供大約77 dB的動(dòng)態(tài)范圍，可廣泛應(yīng)用于軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)及通信信號(hào)采集與處理。

關(guān)鍵詞高速數(shù)據(jù)采集；FPGA；LTC2270；USB2.0

Design and Implementation of High-speed Data Acquisition System Based on LTC2270

MA Yan-jun,ZHANG Hong,LI Xin-min,KANG Xiao-fei

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’anShaanxi710054,China)

AbstractThe software-defined-radio has been widely adopted,one of the difficulties in design is high-speed and high-dynamic data acquisition.To address this issue,a high data rate acquisition module is designed based on an LTC2270 ADC chip and an FT232H USB2.0 chip,of which the highest transmission speed reaches 40 Mbytes/s and the symbol rate is 20 Msymbols/s for 16 bits quantization of the LTC2270.An EP3C5 FPGA chip is used to control the LTC2270 and the FT232H chips.The direct sampling for IF signal is implemented by using spectrum analyzer.The experiment results show that this system can provide about 77 dB dynamic range,it can be widely used for signal acquisition in communication systems and software-defined-radio.

Key wordshigh speed data acquisition;FPGA;LTC2270;USB2.0

0引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信號(hào)與信息處理系統(tǒng)的重要組成部分，隨著信息技術(shù)和高速互聯(lián)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們面臨的信號(hào)處理任務(wù)越來(lái)越繁重，數(shù)字信號(hào)處理的速度和精度要求也越來(lái)越高。這些高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)儀器儀表、電子通信及軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)等領(lǐng)域[1-7]。衡量其性能的關(guān)鍵參數(shù)有采樣速率、采樣精度及數(shù)據(jù)采集深度等幾個(gè)方面?，F(xiàn)有的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常采用PCI、通用串行總線(xiàn)USB及以太網(wǎng)等接口與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)。其中PCI總線(xiàn)接口技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為PCIe，廣泛用于計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。USB的接口速率由USB1.0規(guī)范中定義的1.5 Mbps一直發(fā)展到USB3.0接口規(guī)范的5 Gbps。以太網(wǎng)作為計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，其傳輸速率也發(fā)展到千兆以太網(wǎng)，現(xiàn)在已廣泛配置在標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)上面。相對(duì)而言，USB2.0接口速率為480 Mbps且應(yīng)用廣泛、成本低廉。因此，選擇了USB2.0作為高速采樣系統(tǒng)與PC機(jī)的交互接口。

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成部分包括高采樣率ADC、大存儲(chǔ)深度及數(shù)字信號(hào)處理單元等幾個(gè)方面。本文基于Linear公司的LTC2270芯片及FTDI公司的FT232H芯片[8]設(shè)計(jì)了一款高速數(shù)據(jù)采集器，采用Altera公司的EP3C5可編程器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)LTC2270芯片及FT232H芯片接口的控制邏輯，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)設(shè)計(jì)相比[1-7]，本系統(tǒng)采用較少的邏輯單元完成了USB2.0接口控制與數(shù)據(jù)采集，顯著降低了高速采集系統(tǒng)的成本。數(shù)據(jù)量化達(dá)到了16 bits，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到77 dB。借助于PC機(jī)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度大大增加。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于軟件無(wú)線(xiàn)電等高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，分為基帶處理與模擬前端2個(gè)部分。其中，基帶處理部分包括USB2.0接口芯片F(xiàn)T232H、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件(FPGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分。由FPGA控制ADC完成數(shù)據(jù)采集與緩沖，進(jìn)而控制FT232H完成與上位機(jī)的通信處理。模擬前端為抗混疊低通濾波器，由于ADC最高采樣時(shí)鐘為20 MHz，這里前端低通濾波器取其40%，即為8 MHz。PC機(jī)在上位機(jī)軟件的控制下，完成與FT232H的互操作，讀取數(shù)據(jù)并保存。

圖1　高速數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1高速USB2.0接口的實(shí)現(xiàn)方法

FT232H是FTDI公司的一款單通道USB2.0高速收發(fā)器芯片[8]，可以配置成多種工作模式。此芯片在片上完全完成USB2.0的協(xié)議，不需要額外進(jìn)行USB協(xié)議相關(guān)的編程。它支持480 Mbit/s高速傳輸及12 Mbits/s全速傳輸。這里采用了USB到同步245并行FIFO操作模式，其最高速率可達(dá)40 Mbytes/s。

本文設(shè)計(jì)的FT232H芯片的接口電路示意圖如圖2所示，其中Mini-USB是USB2.0的接口，93LC56B為FT232H的配置芯片。FT232H的ADBUS與ACBUS全部引出并接到FPGA上面，其中ADBUS是USB接口的8位數(shù)據(jù)線(xiàn)，ACBUS用于讀寫(xiě)及相應(yīng)的控制功能。FPGA芯片將通過(guò)ADBUS與ACBUS引腳完成USB2.0高速收發(fā)控制。

圖2　FT232H接口電路

1.2LTC2270高速AD采樣芯片

Linear公司的LTC2270芯片是低功耗16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其標(biāo)稱(chēng)SNR達(dá)到84.1 dB，SFDR為99 dB，最高采樣頻率為20 MHz，DC指標(biāo)包括±1 LSB INL，±0.2 LSB DNL。CMOS輸出擺幅為1.2～1.8 V，已廣泛用在通信、軟件定義無(wú)線(xiàn)電等系統(tǒng)中。其數(shù)字輸出是全速率CMOS，雙數(shù)據(jù)速率CMOS或者雙數(shù)據(jù)速率LVDS，可以通過(guò)外部引腳配置。文本配置為全速率CMOS傳輸方式，簡(jiǎn)化了FPGA開(kāi)發(fā)工作量。

LTC2270芯片及其電路示意圖如圖3所示，2路模擬信號(hào)從AD0和AD1接口輸入，經(jīng)過(guò)射頻變壓器ADT16-1T轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)后進(jìn)入LTC2270。在時(shí)鐘信號(hào)CLK的控制下數(shù)據(jù)通過(guò)D0及D1接口輸出。

圖3　LTC2270部分電路

1.3高速采樣FPGA接口設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的FPGA功能模塊圖如圖4所示。

圖4　FPGA內(nèi)部能夠結(jié)構(gòu)

其板載時(shí)鐘芯片為50 MHz，采用了PLL方式以獲得20 MHz采樣時(shí)鐘及40 MHz傳輸速率時(shí)鐘，ADC芯片接到FPGA上面，F(xiàn)PGA提供ADC芯片采樣的時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)采集與USB控制功能為adc_module功能塊。adc_module功能模塊中包含了adc_ctrl模塊、rate_ctrl邏輯模塊、FIFO模塊和ft232_ctrl模塊。adc_ctrl模塊完成采樣控制，把16 bits的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2個(gè)8 bits的數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)到FIFO模塊中。FIFO模塊為2 048字節(jié)的先入先出存儲(chǔ)模塊緩沖處理。采集的數(shù)據(jù)先暫存到FIFO里面，達(dá)到一定數(shù)量后經(jīng)過(guò)USB控制邏輯輸出。rate_ctrl模塊用來(lái)完成FIFO內(nèi)容的讀取并交給ft232_ctrl模塊。

2高速采樣測(cè)試結(jié)果

2.1模塊測(cè)試結(jié)果

當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)候，獲得的采樣數(shù)據(jù)及其分布特性如圖5所示。輸入電壓的可變范圍為±0.525 V，即峰—峰值為1.05 V，圖5(a)顯示的是沒(méi)有任何信號(hào)輸入時(shí)系統(tǒng)的底噪，可見(jiàn)其峰—峰值在±150 μV左右，從而可以估算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍約為77 dB。圖5(b)是其采樣數(shù)據(jù)的分布情況，服從高斯白噪聲分布特性。

圖5　采樣數(shù)據(jù)及分布

2.2模塊作為中頻直接采樣測(cè)試

本例采用了MS2601A頻譜儀，其中頻輸出頻率為3.56 MHz，調(diào)整其RBW為300 kHz，正好涵蓋一個(gè)GSM載波信號(hào)[9-11]。將頻譜分析儀的中頻輸出接口接到此采樣系統(tǒng)，同時(shí)將頻譜分析儀接收頻率調(diào)到GSM系統(tǒng)的中心工作頻率，本實(shí)驗(yàn)采用了853.8 MHz(頻率值與測(cè)試地點(diǎn)有關(guān))，圖6得到了采集的GSM系統(tǒng)主載波的一個(gè)時(shí)隙。其橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位為μs)，縱坐標(biāo)為中頻采樣后的電壓值，可清晰觀(guān)察到一個(gè)GSM時(shí)隙的周期大約570 μs。數(shù)據(jù)采集后，可進(jìn)一步做分析處理。此模塊可廣泛用于中頻采樣，如對(duì)3G移動(dòng)通信的中頻數(shù)據(jù)采集等，篇幅所限，不再一一列出。

圖6　采用頻譜儀進(jìn)行中頻采樣

3結(jié)束語(yǔ)

基于LTC2270高速AD采樣芯片及USB2.0接口芯片F(xiàn)T232H，設(shè)計(jì)了一款直接采樣接收機(jī)，可以作為軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)用于HF接收與處理或者作為軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的基帶部分，用于各類(lèi)調(diào)制信號(hào)的采集與后處理。在Matlab的配合下，可以完成擴(kuò)頻接收與解調(diào)處理、OFDM接收與解調(diào)處理等。

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馬延軍男，(1978—)，博士，講師。主要研究方向：移動(dòng)通信與軟件無(wú)線(xiàn)電等。

張紅女，(1971—)，碩士，副教授。主要研究方向：信息論與編碼。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(15JK1470)；西安科技大學(xué)培育基金(201355,201357)；2014年度校級(jí)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目(JG14029)。

收稿日期：2015-11-11

中圖分類(lèi)號(hào)TN911；G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)03-0065-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.18

引用格式：馬延軍,張紅,李新民,等.一種基于LTC2270的高速數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2016,46(3):65-67.