基于CPCI體系的高性能監(jiān)測(cè)測(cè)向處理平臺(tái)研究

　　摘 要： 提出一種新的高速并行采樣技術(shù)架構(gòu)以及基于可編程芯片技術(shù)和支持靈活配置的并行處理嵌入式硬件架構(gòu)。該平臺(tái)集多通道高速采集、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高性能DSP與大規(guī)模FPGA緊耦合實(shí)時(shí)處理等功能于一體，在綜合集成與應(yīng)用方面具有創(chuàng)新性，能夠保障對(duì)多模式、多速率、多頻段信號(hào)分析在信號(hào)層上頻域的寬闊全覆蓋和時(shí)域的連續(xù)性，同時(shí)又因其硬件上提供了豐富的資源裕量，因而可以滿足信息層上對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議分析的需求及應(yīng)對(duì)其未來(lái)的演進(jìn)。

　　為了克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)測(cè)向處理系統(tǒng)通用性和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)[1]，本文依托軟件無(wú)線電技術(shù)[2]，對(duì)一體化設(shè)計(jì)所需的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及高速實(shí)時(shí)分析處理所需的終端處理硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入闡述。該系統(tǒng)能夠滿足目前新體制和復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)測(cè)向設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)要求，在有效節(jié)約資源和成本的同時(shí)，擁有較高水平的多系統(tǒng)集成效能。在研究過(guò)程中，本文綜合考慮目前數(shù)字處理終端與不同類型CPU(主機(jī))的接口與結(jié)構(gòu)關(guān)系的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了基于Compact PCI體系的高性能監(jiān)測(cè)測(cè)向處理平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文所述的平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有靈活性和開放性的特點(diǎn)，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(hào)的處理要求仲裁各路FPGA/DSP的片選信號(hào)，同步啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；多片實(shí)時(shí)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(guò)局部總線接口送入中央處理CPU作進(jìn)一步分析處理，完成信息的綜合存儲(chǔ)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(cè)測(cè)向處理平臺(tái)研究[4]的首要問(wèn)題。其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，一方面由需求引導(dǎo)，另一方面也要求對(duì)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)有整體的把握。合理設(shè)計(jì)模擬信號(hào)調(diào)理電路、高穩(wěn)時(shí)鐘產(chǎn)生電路、高速數(shù)據(jù)流傳輸路徑、合理的時(shí)序及控制邏輯，并充分考慮信號(hào)完整性和電磁兼容等問(wèn)題，是設(shè)計(jì)一個(gè)高性能數(shù)據(jù)采集模塊的基本保障。

　　對(duì)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(jì)要求的單片ADC芯片實(shí)現(xiàn)，會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)范圍不夠、缺乏靈活性和成本較高、風(fēng)險(xiǎn)較大等問(wèn)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(lái)實(shí)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(shí)的不一致和增益的不匹配會(huì)使采樣后的信號(hào)難以無(wú)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(jì)思路是：模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集方案。本技術(shù)架構(gòu)在硬件設(shè)計(jì)上具有模塊化、可擴(kuò)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(diǎn)。采集模塊工作原理如圖2所示。