基于FPGA的高速数据采集系统接口设计

引言

当前，越来越多的通信系统工作在很宽的频带上，对于保密和抗干扰有很高要求的某些无线通信更是如此，随着信号处理器件的处理速度越来越快，数据采样的速率也变得越来越高，在某些电子信息领域，要求处理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以便得到更宽的频率搜索范围，获取更多的信息量。因此，通信系统对信号处理前端的A/D采样电路提出了更高的要求，即希望A/D转换速度快而采样精度高，以便满足系统处理的要求。

可编程门阵列FPGA的出现已经显著改变了数字系统的设计方式。应用可编程门阵列FPGA，可使数字系统设计具有高度的灵活性，因此FPGA的应用越来越广泛，而新一代FPGA--Virtex Ⅱ－PRO的出现使FPGA的功能更加强大，但随之而来的是要求提高数据的传输速率，过去人们总是关心如何提高处理器运行速度，而现在关心的是怎样才能更快地将数据从一个芯片传输到另一个芯 片。可见，高速数据采集系统的输入输出接口设计就显得尤为重要。

1 高速采集系统介绍  

数据采集系统原理框图如图1所示，输入的中频信号经A/D采样电路采样后，转换成LVDS信号送入FPGA中，或通过FPGA的端口RocketIO从高速接口输出，或通过FPGA的端口LVDS循环存储于高速缓存中，再由低速接口输出。其中，FPGA主要完成对外接口管理、高速缓存的控制和管理。时钟控制电路对A/D数据转换器和可编程门阵列FPGA起同步和均衡作用。

2 输入输出接口研究  

Virtex Ⅱ－PRO系列是在Virtex Ⅱ系列FPGA的基础上，嵌入了高速I/O接口和IBM PowerPC处理器，它能实现超高带宽的系统芯片设计，支持LVDS，LVPECL等多种差分接口，适应性很强。其中高速串行（MGT）技术采用了RocketIO技术，在可编程逻辑器件中内嵌了速率为3.125Gb/s的多端串行通信接口，该技术包括千Mb以太网、10千以太网、3GIO、SerialATA、Infiniband和Fibre Channel，为高性能接口提供了完成的解决方案。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）信号标准是一种小振幅差分信号技术，如图2所示，它使用非常低的幅度信号（100－450mV），通过一对平行的PCB走线或平衡电缆传输数据。在两条平行的差分信号线上流经的电流方向相反，噪声信号同时耦合到两条线上，而接收端只关心两信号的差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也互相抵消，故差分信号传输比单线信号传输电磁辐射小很多，从而提高了传输效率并降低了功耗。

在高速数据采集系统中，使用了最新的A/D芯片MAX104A。该芯片是Maxim公司的最新产品，采样频率可以达到1GHz，采样精度为8位。芯片输出是PECL（Positive Emitter－Coupled Logic）电平输出。PECL信号的摆幅相对ECL要小，适合于高速数据的串行或并行连接。PECL的输出电路结构如图3所示。该电路包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器工作在正电压范围内，无信号时电流始终存在，这样有利于提高开关速度，标准的输出负载接50Ω电阻至VCCO－2V的电平上，如图3所示，在这种负载条件下，OUT＋与OUT－的静态电平典型值为UCCO－1.3V，OUT＋与OUT－输出电流为14mA。PECL结构的输出阻抗很低，典型值为4－5Ω，这表明它有很强的驱动能力。但当负载与PECL的输出端之间有一段传输线时，低阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。

3 RocketIO设计  

Xilinx公司的Virtex Ⅱ－PRO FPGA采用具有时钟恢复功能的全双工串行I/O收发器，可高效地实施每通道带宽达到3.125Gb/s的不同协议设计。收发器支持高达到每通道3.125Gb/s的数据速率，并可利用通道捆绑功能满足各种应用不断增长的数据传输速率的要求，Virtex Ⅱ－PRO的收发模块由物理编码子层（PCS）和物理介质接入（PMA）构成，其中物理编码子层提供与FPGA逻辑内的数字接口，内部包括：循环冗余码校验CRC、8B/10B编解码器、先进先出缓冲器FIFO；物理介质接入提供与外部媒体的模拟接口，其中包括：20倍时钟倍频器、发送端时钟生成器、发送缓冲器、串化器、接收端的时钟恢复电路，接收缓冲器、解串器、可变速率的全双工收发器、可编程的五级差分输出幅度（摆率）控制和可编程的四级输出预加重模块。RocketIO的原始设计是比较复杂的，但幸运的是，Xilinx公司提供了大量成熟的和高效的IP（Intellectual Property）核来使用。如果能够很好地掌握该工具的使用，将会极大地缩短设计的进度，减少开发和调试时间，由于IP核是根据Xilinx FPGA器件的特点和结构设计的，直接用Xilinx FPGA底层硬件原语进行描述，可充分地将FPGA的性能开发出来，其实现结果在面积和速度上都能达到令人满意的效果。在设计中，还要考虑到以下方面。