一种基于dsp和fpga的高速数据采集模块的设计研究new

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1、964．DSP技术的开发应用4．2一种基于DSP和FPGA的高速数据采集模块的设计研究傅有光盂兵雷新宇南京电子技术研究所，南京，2l0013摘要：研究了基于DSP和FPGA的采集模块，该模块是集h／D和信号预处理功能为一体的综合系统，采用了高速A／D以及高速DSP和FPGA混合组成的技术，在数据采集和记录中有广泛的用途，而且在与信号处理专用处理板配合使用更是能做到无缝连接。关键词：DSPDDCFPGA一日I吉、√I口数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等过程中技术。数据采集技术与传感器技

2、术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的摹础。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据测量与控制的问题。高速、高精度、多通道、大容量数据采集系统在雷达、通信、声纳、气象预报、地震预报、航天航空等领域有着广泛的运用前景。这些领域的信号处理的特点是：实时性强，数据率高、数据量大，处理复杂，运算量大。采用高速A／D，高性能的DSP、FPGA等器件的数字化处理技术大大提高了存储数据的速度，极大的缩短了项目的研制周期，减少了研究经费。数据采集A／D卡是通用实时数据采集与记录系统的关键组成部分。该类型板子产品有较

3、高的技术含量，价格也十分昂贵。而国外的商用化的同类产品，不太适合雷达等应用要求．特别是数据的通道传输速率限制，严重约制此类产品用于雷达、声纳等军事场合。綦于VME总线的数据采集卡为双通道，14位，65MHzA／D变换；VME总线接口；前面板的200MB／SFPDP接口；后插座的高速DSPLINK接口。另含数字下变频(DDC)变换功能，在满足信号带宽的采样定理条件下进行多速率的数。≯域变换，以便后续的信譬处理。可通过VME主板(主控制器)，通过网络接受雷达系统主控计算机的命令，通过VME总线控制到达本板，VME接口采用大规模的可编

4、程器件米实现。板L含有两片DSP处理器，增加了板子的智能性和灵活性，扩大了应用范刚，以便今后能与信号处理模块化组成一个完整的系统，实现无缝连接。采用DSP和FPGA相结合的系统结构，是解决上述问题的最有效途径。DSP是一种指令集结构处理器，可根据指令系统来实现各种算法，其丰富的I／O资源有利于通讯、控制功能的实现。而FPGA属十现场可编程器件，设计方便、灵活，易于监测，能在板级反复迅速地修改内部逻辑，实现系统的重构。这种系统结构灵活，实时性强，成本较低，能满足雷达信号处理通用性的要求。模块系统的组成部分模块系统主要有以下几个部分

5、组成：AdD采样模拟和数字混合部分，中频数字正交解调。数据打包和编帧部分，与记录器高速接口部分。原理框图如下：图1数据采集模块原理框图全国第篇妄篡警联合学术锹黻集97下面介绍各部分的主要原理和实现方法三、A／D采样和数字正交部分A／D采样和数字正交实现是该模块成功的关键。现代高性能雷达系统，对雷达系统的接收机提出了很高的要求，如合成孔径雷达，需要大动态高质量的I／Q通道数据，对系统的动态范围及线性度要求很高，如采用传统的模拟接收机，往往很难达到要求，而采用数字中频接收机则是一种良好的解决方案，中频采样和数字正交器是数字化接收机中

6、的一个关键部分。随着数字信号处理技术的发展及高速～D、DSP芯片的不断出现，使得直接中频采样成为可能。即直接将模拟的中频信号用A／D变成数字信号，在数字域将其分成I和O信号。与模拟方法相比，具有非常高的精度和稳定性。直接中频采样就是雷达信号不需混频到基带，直接将中频信号进行采样，只要A／D采样频率大于等于2倍信号带宽即可，而不需要大于等于2倍被采样信号的最高频率。也就是采用欠采样就可得到正确的I／Q信号，保证有用信号的频潜不发生混叠。下面介绍中频采样和数字正交器的原理。闭2巾频采样和数字JE交的实现原理q(n)将数控振荡器NCO

7、频率设稿i中频信号的中心频率厶上，则1l(胛)=x(n)cos(2矾nT)1=寺A(nT)[cos(I；o(nT))一cos(4nfonT4-伊(胛丁))】(1)ZQ1(力)=x(肝)sin(2nfonT)1=÷彳(门丁)[一sin(々o(nT))+sin(4nfonT+妒(，z丁))]Z(2)1l(船)、Ql(n)分别经低通滤波器滤除高频分量后可得：1l(n)=÷么(门丁)cos(妒(”丁))(3)Z1Q(”)=÷A(nT)sin(qa(nT))(4)二采用的技术途径和实现方法，如下所述。输入的14bit数字信号通过NCO下变

8、频到基带，变成正交I和Q信号，再通过低通滤波器滤除带外不需要的频率分量。输出数据抽取率有2、4、8、16、32、64几种，对不同的抽取率有相对应的不同组的滤波器系数，图3是当抽取率为2时低通滤波器的时域冲激响应和幅频响应，是一个40阶的低通滤波器。A／D变换器件