基于FPGA高速并行采样技术的研究

liyf

摘要：介绍一种基于四通道ADC的高速交错采样设计方法以及在FPGA平台上的实现。着重阐述四通道高速采样时钟的设计与实现、高速数据的同步接收以及采样数据的校正算法。实验及仿真结果表明，同步数据采集的结构设计和预处理算法，能良好抑制并行ADC输出信号因相位偏移、时钟抖动等造成的失配误差。
关键词：交错采样；高速采样时钟；同步接收；信号处理

0 引言
??? 高速、超宽带信号采集技术在雷达、天文和气象等领域应用广泛。高采样率需要高速的模／数转换器(ADC)。目前市场上单片高速ADC的价格昂贵，分辨率较低，且采用单片超高速ADC实现的数据采集对FPGA的性能和PCB布局布线技术提出了严峻的挑战。
??? 利用时间交叉采样原理，对同一信号用多个相对较低速的ADC并行采样是可行的。本文针对某项目要求构建了四路采样率为400 MHz的ADC和高性能FPGA接口处理平台，实现1．6 GHz数据采集。着重讨论了ADC采样时钟的设计、数据同步接收和校正预处理等关键技术，并提出软硬件优化方案。

1 采样系统设计
1．1 多ADC并行采样原理
??? 时间交叉采样原理基于使用多片相对低速的并行ADC实现高速数据采集。m路ADC中每一片ADC的采样频率是整个系统采样频率的1／m，通过算法调整可使每一路通道时钟具有固定相位差，采样数据经多路排序合并后，可达到一路ADC采样速率m倍的效果。图1是四路采样时序结构，理想条件下各路时钟相位依次相差90°。




1．2 时钟设计
??? 外部时钟信号经“时钟分配模块1”转换成两路同相差分时钟信号，一路送“时钟分配模块2”，另一路经PCB走线移相90°后送“时钟分配模块3”。模块2，3各输出两路180°相差时钟信号，最终得到依次相差近似90°的四路ADC采样时钟。
??? 四路时钟信号并非严格均匀相差90°，各路独立进入“相位调整电路”微调。相位微调电路由可编程移相LC网络组成，FPGA独立控制四路调整电路，使相位时延控制在200～300 ps范围。时钟分配及调整电路结构如图2所示。




                          
                       
                          
                               
1．3 数据接收和存储
??? ADC输出数据速率为400 MHz，与之相对应的随路时钟为200 MHz，利用DDR方式接收数据。FPGA内部PLL产生的四路时钟信号的上升沿和下降沿都对输入数据进行实时采样，数据与采样时钟之间保持一定的相位差，以满足同步时序的数据建立时间(Tsu)和保持时间(Th)，如图3所示。




??? 通过FPGA输入模块IDDR映射生成内部寄存器接收数据，并由异步FIFO实现内部时序同步和存储。ADC采样数据的有效位是14 b，利用FPGA软核生成的FIFO宽度和深度可分别设置为28 b和128，其中高14位[27：14]存储奇数时刻的采样数据，低14位[13：0]存储偶数时刻的采样数据，数据存储如图4所示。





2 数据预处理
2．1 时间交叉采样引起的误差
??? 在图1所示的多通道并行时间交叉采样的数据采集系统结构中，各个子通道间数据不可能完全匹配，主要会产生三种误差：
??? (1)由于各个子通道ADC的增益不一致而引起的增益误差(Gain Error)；
??? (2)多相时钟设计不完全理想以及PCB板线路走线延迟不一致引起的采样时刻偏离带来的时间相位误差(Time Skew Error)；
??? (3)各通道ADC基准电压不一致而引起的偏置误差(Offset Error)。
??? 以正弦信号为例，令输入信号S=Acos(2πfint)+θ。其中：A，fin，θ分别为输入信号的幅度、频率和初始相位。若系统总采样率为fs，经m片ADC时间交叉采样后第k个子通道的输出为：
???


??? 式中：0≤n<N-1，N为每个子通道数据采样点数；gk为第k个子通道的增益；δ为时间误差；σ为偏置误差。
                          
                       
                          
                               
2．2 增益误差的计算和校正
??? 在本文的设计中，经过模拟前端多相时钟电路设计，时间相位误差可以忽略，且ADC的基准电压由同一电源供电，偏置误差也可忽略，在此，利用DFT变换校正增益误差。对于只有增益误差的第k个子通道的输出信号yk(n)=gkAcos[2πfin(mn+k)／fs+θ]，做N点DFT得：



??? 以第一个子通道的增益go为校正的起始标准，则第k个子通道的相对增益误差为



??? 图6是采集得到的数据经过增益误差校正前后的频谱对比图，可以看到在40 MHz处，杂散得到了明显的抑制。其中，模拟输入信号的频率为20 MHz。





4 结语
??? 针对高速并行ADC时间交叉采样技术对多相时钟信号的高要求以及采集数据的误差，介绍了多相时钟设计的一种方法和利用FFT技术实现对增益误差的校正。通过实验仿真证明，该设计能够有效提升数据采集系统的性能。