基于Compact PCI體系的高性能監(jiān)測測向處理平臺研究
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1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文所述的平臺結(jié)構(gòu)具有靈活性和開放性的特點，其主要工作原理為：大規(guī)模FPGA用于接收多通道高速采樣數(shù)據(jù)流，完成必要的預(yù)處理；主控FPGA依據(jù)每路信號的處理要求仲裁各路FPGA/DSP的片選信號，同步啟動進行實時處理；多片實時處理DSP和主控FPGA緊耦合構(gòu)成并行處理系統(tǒng)的核心；最后通過局部總線接口送入中央處理CPU作進一步分析處理，完成信息的綜合存儲管理等[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 具體方案
2.1 高速數(shù)據(jù)采集
高速數(shù)據(jù)采集是高性能監(jiān)測測向處理平臺研究[4]的首要問題。其設(shè)計與實現(xiàn)，一方面由需求引導(dǎo)，另一方面也要求對系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)有整體的把握。合理設(shè)計模擬信號調(diào)理電路、高穩(wěn)時鐘產(chǎn)生電路、高速數(shù)據(jù)流傳輸路徑、合理的時序及控制邏輯，并充分考慮信號完整性和電磁兼容等問題，是設(shè)計一個高性能數(shù)據(jù)采集模塊的基本保障。
對于本文所關(guān)注的高速數(shù)據(jù)采集而言，若直接采用滿足采樣率設(shè)計要求的單片ADC芯片實現(xiàn)，會帶來動態(tài)范圍不夠、缺乏靈活性和成本較高、風(fēng)險較大等問題。而如果選擇采用多片采樣率較低的芯片用交替采樣的方法來實現(xiàn)高速采樣的方案，則電路較復(fù)雜，而且多片ADC之間延時的不一致和增益的不匹配會使采樣后的信號難以無失真的復(fù)合。鑒于此，本文所述的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)計思路是：模塊化設(shè)計具有適當(dāng)采樣率的A/D板，基于頻帶分割和精確同步觸發(fā)的寬帶、大動態(tài)數(shù)據(jù)采集方案。本技術(shù)架構(gòu)在硬件設(shè)計上具有模塊化、可擴展的特色，在性能上具有等效采樣率高及采樣帶寬不受ADC及調(diào)理電路限制的優(yōu)點。采集模塊工作原理如圖2所示。
高速ADC是大功耗器件，通常更高的采樣率將消耗更多的功耗。在使用多ADC多通道的系統(tǒng)中，耗散問題則更為嚴(yán)重。Linear推出低功耗14 bit、125MS/s ADC LTC2261，該器件功耗127 mW，用1.8 V低壓模擬電源工作，提供73.4 dB的信噪比和85 dB的無寄生動態(tài)范圍。0.17 ps RMS的超低孔徑抖動允許其以卓越噪聲性能進行中頻欠采樣。創(chuàng)新性數(shù)字輸出可以設(shè)置為全速率CMOS、雙數(shù)據(jù)速率CMOS或雙數(shù)據(jù)速率LVDS。雙數(shù)據(jù)速率數(shù)字輸出允許數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿和下降沿發(fā)送，從而將所需數(shù)據(jù)線數(shù)量減少了一半。另外，對高速信號進行高分辨率的數(shù)字化處理需審慎設(shè)計時鐘電路，就LTC2261和LTC其他高速14 bit系列ADC所表現(xiàn)出的性能看，在高速采樣時，0.5 ps的抖動就可對SNR產(chǎn)生明顯影響。由公式(1)可以看出，采樣速率越高、轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，對A/D采樣時鐘的抖動指標(biāo)要求就越高。
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