基于FPGA的高速數據采集系統接口設計

引言

當前，越來(lái)越多的通信系統工作在很寬的頻帶上，對于保密和抗干擾有很高要求的某些無(wú)線(xiàn)通信更是如此，隨著(zhù)信號處理器件的處理速度越來(lái)越快，數據采樣的速率也變得越來(lái)越高，在某些電子信息領(lǐng)域，要求處理的頻帶要盡可能的寬、動(dòng)態(tài)范圍要盡可能的大，以便得到更寬的頻率搜索范圍，獲取更多的信息量。因此，通信系統對信號處理前端的a/d采樣電路提出了更高的要求，即希望a/d轉換速度快而采樣精度高，以便滿(mǎn)足系統處理的要求。

可編程門(mén)陣列fpga的出現已經(jīng)顯著(zhù)改變了數字系統的設計方式。應用可編程門(mén)陣列fpga，可使數字系統設計具有高度的靈活性，因此fpga的應用越來(lái)越廣泛，而新一代fpga--virtex ⅱ－pro的出現使fpga的功能更加強大，但隨之而來(lái)的是要求提高數據的傳輸速率，過(guò)去人們總是關(guān)心如何提高處理器運行速度，而現在關(guān)心的是怎樣才能更快地將數據從一個(gè)芯片傳輸到另一個(gè)芯片?？梢?jiàn)，高速數據采集系統的輸入輸出接口設計就顯得尤為重要。

1 高速采集系統介紹

數據采集系統原理框圖如圖1所示，輸入的中頻信號經(jīng)a/d采樣電路采樣后，轉換成lvds信號送入fpga中，或通過(guò)fpga的端口rocketio從高速接口輸出，或通過(guò)fpga的端口lvds循環(huán)存儲于高速緩存中，再由低速接口輸出。其中，fpga主要完成對外接口管理、高速緩存的控制和管理。時(shí)鐘控制電路對a/d數據轉換器和可編程門(mén)陣列fpga起同步和均衡作用。

2 輸入輸出接口研究

virtex ⅱ－pro系列是在virtex ⅱ系列fpga的基礎上，嵌入了高速i/o接口和ibm powerpc處理器，它能實(shí)現超高帶寬的系統芯片設計，支持lvds，lvpecl等多種差分接口，適應性很強。其中高速串行（mgt）技術(shù)采用了rocketio技術(shù)，在可編程邏輯器件中內嵌了速率為3.125gb/s的多端串行通信接口，該技術(shù)包括千mb以太網(wǎng)、10千以太網(wǎng)、3gio、serialata、infiniband和fibre channel，為高性能接口提供了完成的解決方案。lvds（low voltage differential signaling）信號標準是一種小振幅差分信號技術(shù)，如圖2所示，它使用非常低的幅度信號（100－450mv），通過(guò)一對平行的pcb走線(xiàn)或平衡電纜傳輸數據。在兩條平行的差分信號線(xiàn)上流經(jīng)的電流方向相反，噪聲信號同時(shí)耦合到兩條線(xiàn)上，而接收端只關(guān)心兩信號的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線(xiàn)周?chē)碾姶艌?chǎng)也互相抵消，故差分信號傳輸比單線(xiàn)信號傳輸電磁輻射小很多，從而提高了傳輸效率并降低了功耗。

在高速數據采集系統中，使用了最新的a/d芯片max104a。該芯片是maxim公司的最新產(chǎn)品，采樣頻率可以達到1ghz，采樣精度為8位。芯片輸出是pecl（positive emitter－coupled logic）電平輸出。pecl信號的擺幅相對ecl要小，適合于高速數據的串行或并行連接。pecl的輸出電路結構如圖3所示。該電路包含一個(gè)差分對管和一對射隨器。輸出射隨器工作在正電壓范圍內，無(wú)信號時(shí)電流始終存在，這樣有利于提高開(kāi)關(guān)速度，標準的輸出負載接50ω電阻至vcco－2v的電平上，如圖3所示，在這種負載條件下，out＋與out－的靜態(tài)電平典型值為ucco－1.3v，out＋與out－輸出電流為14ma。pecl結構的輸出阻抗很低，典型值為4－5ω，這表明它有很強的驅動(dòng)能力。但當負載與pecl的輸出端之間有一段傳輸線(xiàn)時(shí)，低阻抗造成的失配將導致信號時(shí)域波形的振鈴現象。

3 rocketio設計

xilinx公司的virtex ⅱ－pro fpga采用具有時(shí)鐘恢復功能的全雙工串行i/o收發(fā)器，可高效地實(shí)施每通道帶寬達到3.125gb/s的不同協(xié)議設計。收發(fā)器支持高達到每通道3.125gb/s的數據速率，并可利用通道捆綁功能滿(mǎn)足各種應用不斷增長(cháng)的數據傳輸速率的要求，virtex ⅱ－pro的收發(fā)模塊由物理編碼子層（pcs）和物理介質(zhì)接入（pma）構成，其中物理編碼子層提供與fpga邏輯內的數字接口，內部包括：循環(huán)冗余碼校驗crc、8b/10b編解碼器、先進(jìn)先出緩沖器fifo；物理介質(zhì)接入提供與外部媒體的模擬接口，其中包括：20倍時(shí)鐘倍頻器、發(fā)送端時(shí)鐘生成器、發(fā)送緩沖器、串化器、接收端的時(shí)鐘恢復電路，接收緩沖器、解串器、可變速率的全雙工收發(fā)器、可編程的五級差分輸出幅度（擺率）控制和可編程的四級輸出預加重模塊。rocketio的原始設計是比較復雜的，但幸運的是，xilinx公司提供了大量成熟的和高效的ip（intellectual property）核來(lái)使用。如果能夠很好地掌握該工具的使用，將會(huì )極大地縮短設計的進(jìn)度，減少開(kāi)發(fā)和調試時(shí)間，由于ip核是根據xilinx fpga器件的特點(diǎn)和結構設計的，直接用xilinx fpga底層硬件原語(yǔ)進(jìn)行描述，可充分地將fpga的性能開(kāi)發(fā)出來(lái)，其實(shí)現結果在面積和速度上都能達到令人滿(mǎn)意的效果。在設計中，還要考慮到以下方面。

（1）參考時(shí)鐘

高性能的通信質(zhì)量要求有高穩定性和高精度的時(shí)鐘源。抖動(dòng)和頻偏是衡量時(shí)鐘源的兩個(gè)重要指標。頻偏是指時(shí)鐘標稱(chēng)頻率與實(shí)際頻率的偏差，主要是受晶體精度的影響，由于rocketio模塊內部將輸入參考時(shí)鐘20倍頻，而rocketio模塊可容忍的輸入參考時(shí)鐘抖動(dòng)公差為40ps，可見(jiàn)參考時(shí)鐘的抖動(dòng)對其性能有直接影響，所以必須選擇性能優(yōu)良的參考時(shí)鐘。抖動(dòng)一般是指一個(gè)實(shí)際情況下的周期信號每個(gè)周期的圖樣相對于該信號理想情況下一個(gè)周期圖樣的偏差。抖動(dòng)產(chǎn)生的原因包括：時(shí)鐘晶體本身的機械振動(dòng)、器件的熱噪聲和電源串入噪聲等。抖動(dòng)可以分為確定性抖動(dòng)和隨機抖動(dòng)，確定性抖動(dòng)包括信號在傳輸中煤質(zhì)損耗、碼間串擾（isi）等周期性因素導致的抖動(dòng)；隨機抖動(dòng)是由半導體器件熱噪聲、電源波動(dòng)等共模隨機噪聲源導致的。在virtex ⅱ－pro系列fpga中，rocketio模塊集中分布在上、下4個(gè)通道中，當rocketio工作在2.0 gbaud以上時(shí)，參考時(shí)鐘應采用差分輸入方式（如lvds、lvpech），由上述4個(gè)通道的專(zhuān)用差分時(shí)鐘引腳輸入，至相同時(shí)鐘信號引入不必要的抖動(dòng)，在2.0 gbaud速率以下應用時(shí)，不要用fpga內部的dcm來(lái)生成rocketio的輸入時(shí)鐘，因為經(jīng)dcm倍頻的時(shí)鐘會(huì )引入較大的抖動(dòng)，使rocketio的接收鎖相環(huán)無(wú)法穩定地鎖定發(fā)送時(shí)鐘，致使系統無(wú)法正常工作。

（2）復位

在virtex ⅱ－pro系列fpga中，rocketio模塊的復位引腳分為發(fā)送（tx_reset）和接收（rx_reset）兩部分。由于dcm在輸出時(shí)鐘鎖定在設定值前，輸出時(shí)鐘處于不穩定狀態(tài)，不能用作內部邏輯電路時(shí)鐘，所以要在dcm時(shí)鐘輸出鎖定有效，并經(jīng)過(guò)適當延遲后才可將片內邏輯復位。rocketio模塊要求復位輸入至少保持2個(gè)usrclk時(shí)鐘周期來(lái)完成內部fifo的初始化。

（3）pcb設計

在pcb的設計中，應使差分線(xiàn)對內的長(cháng)度相互匹配，以減少信號扭曲。為使設計傳輸速率達到2.0 gbaud，在差分線(xiàn)對內部每個(gè)走線(xiàn)區間內的實(shí)際布線(xiàn)公差應控制在5 mil內。差分線(xiàn)對內兩條線(xiàn)之間的距離應盡可能小，以使外部干擾為共模特征。差分線(xiàn)對間的距離應盡可能保持一致，以降低差分阻抗分布的不連續性。采用電源層作為差分線(xiàn)的信號回路，因為電源平面有最小的傳輸阻抗，從而減少噪聲，由于每個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)0.5－1.0db的損耗，應盡量減少過(guò)孔數目。過(guò)孔的通孔和焊盤(pán)應有盡量小的物理尺寸，并且在通孔穿越的未連接不加焊盤(pán)，差分對內的過(guò)孔不僅在數量上要匹配，而且在放置的位置上也要接近，以使阻抗分布盡量一致，避免導致阻抗不連續的90°走線(xiàn)，而要用圓弧或45°折線(xiàn)來(lái)代替。走線(xiàn)時(shí)應使向左、向右折角的數量接近，這樣可減少信號經(jīng)差分線(xiàn)傳輸引起的扭曲。在模擬數字混合系統設計中，首先，應在電源和地線(xiàn)之間加上去耦電容；其次，盡量加寬電源和地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，使得地線(xiàn)寬度＞電源線(xiàn)寬度＞信號線(xiàn)寬度；第三，使用統一地，而將pcb分區為模擬部分和數字部分，模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線(xiàn)，而數字信號在數字電路區內布線(xiàn)，在這種情況下，數字信號返回電流不會(huì )流入到模擬信號的地。經(jīng)過(guò)以上設計，噪聲影響明顯降低。

4 接口解決方案

隨著(zhù)高速數據傳輸業(yè)務(wù)需求的增加，如何高質(zhì)量地解決高速ic芯片的相互連接變得越來(lái)越重要，低功耗及高的信噪比是有待解決的主要問(wèn)題。本文所介紹的高速采集系統中芯片間有兩種接口：pecl和lvds，如何進(jìn)行兩接口相互連接就成為一個(gè)影響系統性能的關(guān)鍵因素，lvds的輸入與輸出都是內匹配的，所以lvds間的連接可采用圖4所示的直接連接，在fpga內，需對差分輸入時(shí)鐘緩沖器（ibufds），差分輸入的全局時(shí)鐘緩沖區（ibufgds）和差分輸出時(shí)鐘緩沖器（obufds）例化，在本項目的應用中，發(fā)送及接收f(shuō)ifo的設計用了雙口塊內存（block ram），時(shí)鐘倍頻器用了延遲鎖定環(huán)（dll），幀解碼器由30位并行數據產(chǎn)生器、同步字檢測陣列和接收狀態(tài)機組成。

fpga的部分代碼如下：

pecl間的連接一般常用直流耦合。在直流耦合情況下，pecl輸出設計驅動(dòng)50ω負載至（vcc－2v），電路如圖5所示。

fpga的部分代碼如下：

經(jīng)實(shí)際測試，輸入輸出指標均符號系統要求，在硬件電路設計中，由于lvds信號的偏置電壓為1.25v，電壓擺幅只有350mv，傳輸速率≥100mb/s；因此，電路板制作至關(guān)重要，要求至少使用四層板。為使干擾信號以共模方式加到差分線(xiàn)對上（不影響數據正確性），要求差分線(xiàn)對間的距離盡可能小。電源方面，fpga芯片上電時(shí)要求有大于500ma的驅動(dòng)電流，同時(shí)，由于多個(gè)輸出引腳的電位速度變化，要求每對電源和地引腳都要良好旁路。

5 結論

本文給出了基于fpga高速數據采集系統中的輸入輸出接口的實(shí)現，介紹了高速傳輸系統中rocketio設計以及l(fā)vds接口、lvpecl接口電路結構及連接方式，并在我們設計的高速數傳系統中得到應用。rocketio傳輸速度可以達到2.5gbaud，lvds總線(xiàn)上的傳輸速率可以達到120mb/s，系統性能穩定。