《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于4通道時(shí)間交織的FPGA高速采樣系統(tǒng)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
李 宇1，2,，劉崇慶2,，3，呂立鈞3,，譚洪舟3
1.廣東藥科大學(xué) 信息工程學(xué)院,，廣東 廣州510006； 2.華為技術(shù)有限公司,，廣東 深圳518129,； 3.廣東順德中山大學(xué)-卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院，廣東 順德528300
摘要： 時(shí)間交織采樣是提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率的一種有效途徑,。為了完成時(shí)間交織采樣的通道失配誤差方法評(píng)估,，提出并設(shè)計(jì)了一套基于4通道時(shí)間交織的FPGA高速模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。系統(tǒng)由前端模擬電路,、采樣陣列,、多相時(shí)鐘電路模塊、基于FPGA的數(shù)據(jù)緩沖與修正處理模塊構(gòu)成,。系統(tǒng)采樣輸出數(shù)據(jù)通過上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示與性能指標(biāo)分析,。測試結(jié)果表明，該TIADC系統(tǒng)通過對失配誤差的數(shù)字后端補(bǔ)償后能穩(wěn)定工作在1 GS/s采樣率,。其采樣有效位與平均信噪比分別達(dá)到7.03 bit與44.1 dB,，可以應(yīng)用于采樣失配修正方法的驗(yàn)證與評(píng)估。
中圖分類號(hào)： TN957.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172139
中文引用格式： 李宇,，劉崇慶,，呂立鈞，等. 基于4通道時(shí)間交織的FPGA高速采樣系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018,，44(1)：52-56.
英文引用格式： Li Yu，Liu Chongqing,，Lv Lijun,，et al. FPGA high-speed sampling system based on 4 channel time-interleaved[J]. Application of Electronic Technique，2018,，44(1)：52-56.

FPGA high-speed sampling system based on 4 channel time-interleaved
Li Yu1,，2，Liu Chongqing2,，3,，Lv Lijun3，Tan Hongzhou3
1.School of Information Engineering,，Guangdong Pharmaceutical University,，Guangzhou 510006,，China； 2.Huawei Technology Co.Ltd.,，Shenzhen 518129,，China； 3.SYSU-CMU Shunde International Joint Research Institute,，Shunde 528300,，China
Abstract： Time-interleaved sampling is an effective way to improve the sampling rate of the analog-digital converter. For evaluation of channel mismatch error correcting method, a high speed field－programmable gate array(FPGA) sampling system is presented， which is based on 4 channel time-interleave. It consists of front-end analog circuit module, sampling array module, multi-phase clock circuit module and FPGA logic module for data buffering and processing. The sampling output data of system are transmitted to upper computer then the performance index is analyzed and displayed. Experiment test result shows that it can work stably on 1 GS/s sampling rate after digital back-end error correction. Its significant bit and signal-to-noise ratio is 7.03 bit and 44.1 dB respectively. It is suitable for the verification and evaluation work of the sampling mismatch correction methods.
Key words : time-interleaved,；sampling system,；FPGA；multi-phase clock circuit,；mismatch correction

0 引言

    高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter,，ADC)被廣泛應(yīng)用于通信、儀器儀表,、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,，對國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)以及科學(xué)研究具有重要意義,。單采樣單元的ADC芯片由于存在內(nèi)部熱噪聲,、孔徑抖動(dòng)和渡越時(shí)間不確定性等因素，面臨采樣速度和精度相互制約的影響,，出現(xiàn)了瓶頸,。而由多通道時(shí)間交織ADC(Time-Interleaved ADC，TIADC)采用M個(gè)相同型號(hào)的ADC單元依次交替完成采樣,。理論上,，TIADC的采樣率可以到達(dá)單ADC的M倍，同時(shí)保持采樣精度基本不變[1],。但是由于ADC采樣單元與外圍電路的個(gè)體差異,，導(dǎo)致的采樣通道間不一致性會(huì)引起失配失真，如偏置誤差,、增益誤差以及時(shí)間相位誤差將嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能[2]?；跀?shù)字信號(hào)處理方法的數(shù)字后端修正技術(shù)可有效抑制以上失配造成的失真,。近年來，已有文獻(xiàn)應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字后端修正技術(shù),。文獻(xiàn)[3]采用DSP與FPGA實(shí)現(xiàn)了4通道交織采樣速率達(dá)1G的采樣系統(tǒng),，并對誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。文獻(xiàn)[4]則設(shè)計(jì)了400 MS/s的2通道交織采樣系統(tǒng),。

    本文提出并設(shè)計(jì)了一套4通道時(shí)間交織FPGA高速模擬信號(hào)采樣系統(tǒng),。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流控制,、失配誤差數(shù)字修正等功能均在1片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)，無需額外采用DSP處理器,，降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,。

1 TIADC系統(tǒng)方案

    系統(tǒng)采用4塊8 bit、具有250 MS/s的AD9481模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過時(shí)間交織采樣實(shí)現(xiàn)1 GS/s,、8 bit的采樣系統(tǒng),。系統(tǒng)由功率分配與差分傳輸電路、ADC陣列,、多相時(shí)鐘電路以及FPGA等構(gòu)成(如圖1所示),。模擬前端信號(hào)經(jīng)等功率拆分并轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)傳輸至ADC陣列，4路ADC在多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下對輸入信號(hào)并行交織模數(shù)轉(zhuǎn)換,，產(chǎn)生的高速數(shù)據(jù)流交由FPGA實(shí)現(xiàn)緩存,、修正并上傳到PC，完成顯示與性能評(píng)估,。

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1.1 ADC模擬前端信號(hào)處理

    模擬輸入信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路到達(dá)ADC采樣前端時(shí),，由于物理器件及結(jié)構(gòu)的不一致性帶來通道間的偏置誤差及增益誤差，將分別在頻域±kfs/M,、±fin+kfs/M產(chǎn)生峰值雜散譜,，其中k=1，2,，…,，M-1，導(dǎo)致信噪比降低[5],。采取對同一模擬信號(hào)進(jìn)行等功率拆分與差分傳輸方式進(jìn)行模擬前端信號(hào)處理,。首先，選用SCP-4-1+功分器進(jìn)行輸入信號(hào)1:4拆分,，在輸入信號(hào)帶寬為1~400 MHz情況下,，功率拆分輸出4路信號(hào)相位失配最大僅為0.58°，并保證最大幅度失配小于0.15 dB,。然后采用射頻變壓器ADT4-1WT+,，設(shè)計(jì)了差分傳輸電路，其輸入輸出繞線比為4:1,，具有一定的升壓作用,。電路如圖2所示。

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1.2 高精度多相時(shí)鐘設(shè)計(jì)

    基于AD9516-3的時(shí)鐘合成方案可以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的頻率合成與分頻,，如圖3所示,。由于時(shí)鐘產(chǎn)生單元的LVPECL通道分頻系數(shù)僅支持由1～32整數(shù)倍調(diào)節(jié)，且信號(hào)延時(shí)的粗調(diào)Δt1～Δt4與PLL倍頻頻周期的最小單位有關(guān),，為方便相位調(diào)節(jié),，通過FPGA的控制邏輯SPI配置時(shí)鐘芯片的功能寄存器,，對VCO分頻器進(jìn)行2分頻得到1 GHz信號(hào)，然后通道分頻器對該信號(hào)進(jìn)行4分頻,，產(chǎn)生4路250 MHz相位不定的LVPECL時(shí)鐘信號(hào),。應(yīng)用由LC電路組成的可編程延遲線，通過控制延遲模塊電路中的DAC調(diào)節(jié)電容C以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)延遲控制得到4路時(shí)鐘信號(hào)的相位差分別為0°,、90°,、180°以及270°。

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2 高速數(shù)據(jù)流緩存與處理

    系統(tǒng)采用EP3C25Q240C6作為數(shù)據(jù)流處理單元,，其邏輯功能包括由片內(nèi)RAM組成的異步FIFO緩沖模塊,，以及對各通道ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行失配誤差處理的修正模塊等。由于系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)帶寬大于輸出數(shù)據(jù)帶寬,，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳,，最后利用剩余的邏輯資源例化一個(gè)邏輯分析儀模塊。邏輯功能結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

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2.1 數(shù)據(jù)接收緩存與重排序

    為實(shí)現(xiàn)異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)接收,，系統(tǒng)的接收模塊采用異步FIFO，采用ADC輸出的隨路時(shí)鐘DCO作為FIFO的寫時(shí)鐘,。由于DCO輸出的相位與驅(qū)動(dòng)ADC的多相輸入時(shí)鐘有關(guān),，輸出的等相位差、多路隨路時(shí)鐘DCO_1+,、DCO_2+,、DCO_3+、DCO_4+,、DCO_1-,、DCO_2-、DCO_3-,、DCO_4-按相位要求依次向FIFOA/B/C/D_P及FIFOA/B/C/D_N中寫入采樣數(shù)據(jù),，其中寫請求在隨路時(shí)鐘上升沿觸發(fā)。為防止FIFO讀空或者寫滿,，經(jīng)DCO_4-同步并發(fā)出寫請求后,，等待FIFO半滿，發(fā)出FIFO讀請求,，保證FIFO的容量始終保持在FIFO的中間狀態(tài),，提高緩存的安全度，保證了重排序與聯(lián)合模塊輸出與采樣順序同步,。

2.2 誤差修正

    通道間的電路特性差異導(dǎo)致失配誤差，降低了無偽譜動(dòng)態(tài)范圍等性能,。選用第1通道為另外3條通道的參考通道,。直流偏置誤差與增益誤差可以通過在需要修正的每條通道上增加一個(gè)加法器與乘法器進(jìn)行補(bǔ)償,。補(bǔ)償前需要失配參數(shù)的測定。此模塊應(yīng)用文獻(xiàn)[6]提出的FFT方法消除以上3種誤差,。剩下的時(shí)間失配誤差則應(yīng)用文獻(xiàn)[7]的頻率稀疏性方法進(jìn)行修正,。由于修正補(bǔ)償方法不是本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，更豐富的修正方法可以參考文獻(xiàn)[8]等,。

2.3 采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳

    采用SignalTap II實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)重現(xiàn),，并上傳PC。通過例化一個(gè)雙端口RAM作為發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，其深度為256,，對應(yīng)于系統(tǒng)測試時(shí)每次獲取32 Kbit數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送存儲(chǔ)器通過判斷雙口RAM地址的大小來決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收,。發(fā)送存儲(chǔ)器初始化狀態(tài)時(shí)默認(rèn)為接收狀態(tài),，地址為0，允許采樣處理后的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送存儲(chǔ)器,，同時(shí)禁能存儲(chǔ)器讀和數(shù)據(jù)上傳命令,，當(dāng)發(fā)送存儲(chǔ)器滿，即地址為255時(shí),，禁能發(fā)送存儲(chǔ)器寫,，同時(shí)使能存儲(chǔ)器讀和數(shù)據(jù)上傳命令。系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳流程如圖5所示,。

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3 TIADC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測試

3.1 實(shí)驗(yàn)測試條件與環(huán)境

    實(shí)驗(yàn)評(píng)測包括信噪比以及有效位分析等,，方案如圖6所示。硬件測試用到信號(hào)發(fā)生器,、示波器,、信號(hào)源分析儀、穩(wěn)壓電源等設(shè)備,。

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3.2 性能測試評(píng)估

    首先對單通道ADC性能測試,，4路ADC分別對一個(gè)幅度為1 Vp-p、頻率為17 MHz的正弦波信號(hào)在250 MS/s采樣率下進(jìn)行采樣,，分析得到4個(gè)單通道ADC的性能結(jié)果如圖7所示,。測試的平均SNR達(dá)到44.93 dB，較AD9481官方參數(shù)降低1.07 dB,；平均有效位達(dá)到7.17 bit,，較官方參數(shù)降低0.33 bit，誤差控制在較低水平,。

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    對輸入信號(hào)幅度1 Vp-p,、頻率70 MHz的正弦波信號(hào)進(jìn)行1 GS/s的交織采樣，得到未進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償?shù)妮敵?。圖8是SignalTap II抓取的時(shí)域波形,，其對應(yīng)的頻譜圖如圖9所示,。

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    顯然在位于頻率點(diǎn)250 MHz以及±70 MHz+250 MHz處出現(xiàn)峰值誤差雜散譜，與前面描述相吻合,。通過在FPGA中應(yīng)用文獻(xiàn)[6,，7]的誤差修正方法，得到輸出信號(hào)頻譜如圖10所示,。修正使得信號(hào)的信噪比提高了18.7 dB,，達(dá)到44.3 dB，有效位提高3.11 bit,，達(dá)到7.06 bit,。硬件引起的通道失配誤差保持在一個(gè)較低水平且是可控的。

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    為驗(yàn)證系統(tǒng)工作的有效性,，分別對0~250 MHz內(nèi)的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣與數(shù)字后端通道失配誤差補(bǔ)償,。系統(tǒng)采樣的性能參數(shù)如表1所示。隨著采樣信號(hào)頻率的升高,，系統(tǒng)受信號(hào)抖動(dòng),、時(shí)延以及ADC芯片本身存在的頻率特性等不確定因素影響增多，SNR與ENOB呈現(xiàn)下降趨勢,，但保持在誤差可控范圍之內(nèi),。

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4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一套FPGA處理交織采樣重構(gòu)與通道失配修正的高速采樣系統(tǒng)。通過失配誤差的數(shù)字后端補(bǔ)償,，系統(tǒng)性能得到明顯提高,。該系統(tǒng)能穩(wěn)定工作在1 GS/s采樣率下，平均信噪比達(dá)到44.1 dB,，有效位達(dá)到7.03 bit,。由系統(tǒng)硬件引起的通道失配誤差得到有效控制, 適用于數(shù)字失配修正補(bǔ)償方法的驗(yàn)證與評(píng)估。

參考文獻(xiàn)

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