FPGA数据采集处理

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1、本论文选题的国内外研究概况应用于软件无线电中的高速数据采集及处理系统主要由高速ADC、采样控制、数字处理（数字下变频）3大部分组成，其基本思想是将宽带模拟中频信号经过高速ADC变至高速率的数字中频信号，在经过数字下变频处理（混频、抽取、滤波），转变成低速率的基带信号，以备后端通用DSP设备进行处理。高速数据采集及处理系统作为软件无线电接收机的核心组成部分，在软件无线电中的应用越来越广泛[1]。随着软件无线电技术的发展，研究和开发高速数据采集及处理系统是当前重要的任务之一。目前对其的研究工作主要针对4个方面：高性能ADC、采样控制技术、数据下变频的实现、数据处理算法。1、国内外高性能ADC

2、的发展现状国际上各著名大学和实验室都有大量研究人员从事ADC的结构和基础研发工作，在基本的Rash结构上出现了一些改进结构，如half-flash结构、Pipelined结构和Multistep结构等，以求设计更高性能的A/D转换器[2]。当前处于研究阶段的ADC最高精度已达32bit，最快转换速度达80Gs/s。MAXIM、ADI、TI和美国国家半导体等主要设计生产模拟IC的专业化大公司的产品代表了当今ADC技术的领先水平。比较有代表性的有：ADI公司生产的AD9461[3]，精度可达16bit，采样率为130MS/s；TI公司生产的ADS5463，采用pipelined结构，精度为1

3、2bit，采样速率最高达500MS/s。另外，最近ADI公司基于多片A/D并行的结构研制出了AD12400（12Bit，400MSPS），并且据ADI公司介绍，正在利用这种多片A/D并行的结构研制采样率更高的产品。目前我国在模数转换技术领域与国外差距比较大，应用的高性能ADC主要依赖进口。我国从70年代开始研制A/D转换器，至今已研制出8位、10位、12位、14位、16位的ADC产品，但产品的性能还远远达不到高端应用要求，高端A/D还处于高校和科研院所的研究阶段[4]。2、采样控制技术的发展现状近年来，数据采集[5-6]的控制芯片由单片机发展到数字处理芯片DSP、嵌入式芯片等速度更快功能

4、更强的芯片。在高速数据采样方面，通常采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为CPU,控制ADC(模/数转换器)、存储器和其他外围电路的工作。但基于单片机及DSP控制就会发现一些问题[7-9]。1)单片机的时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现，软件运行时间在整个采样时间中占有很大的比例，效率低，难以适应高速数据采集系统的要求。2)DSP的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，但很难完成外围的复杂的硬件逻辑控制。FPGA(现场可编程门阵列)[10-11]是八十年代中期出现的新型高密度、可编程逻辑器件，在高速数据采集方面，有着单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时延小；

5、全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，适于大数据量的高速传输控制，满足实时控制的要求；组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。3、数据下变频实现方法数字下变频是运算量最大，实现起来最困难的部分。目前有三种实现方法[12]：专用的数字下变频芯片(DDC)实现、DSP实现和FPGA(现场可编程门阵列)实现。5自从GrayChip公司(己被TI收购)推出第一款单通道数字下变频专门芯片以来，专用数字下变频器件的品种很多，商用的DDC芯片比较有代表性的主要有Intersil、ADI、TI公司的产品。Intersil公司的HSP50214系列是目前单通道DDC芯片中较具代表性的，其不仅提供

6、了基本的数字下变频功能，还提供包括了成形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样NCO、坐标变换、数字AGC等功能，它能通过编程改变信道的中心频率、带宽和二次采样率[13]。另外ADI公司的AD6636、AD6620也有较优异的性能参数和较强的功能。专用DDC芯片具有处理速度快、性能稳定等优点，但价格昂贵，灵活性不强[14]。目前使用DSP方式实现下变频主要有两种方案：多片DSP并行处理和在现有DSP技术水平上探索高效算法降低处理复杂度[15]。就TI公司的TMS320C62x系列[16]的DSP而言，速度虽然可达2400MIPS，但做一个高阶FIR运算，抛开额外的开销，运算量在5000MIP

7、以上，用单片DSP完成如此高速的实时运算是不可能的。解决的方法可以采用多片DSP并行处理，但是由于价格等因素的制约，目前采用这种方法实现下变频并不常见。当前研究的重点主要是降低处理复杂度的高效算法，但目前的算法均具有一定的局限性。因此，就DSP的应用而言，目前其主要体现在数字下变频的后端对速率相对较低的基带信号进行各种处理。FPGA具有性能好，可重复编程，灵活性高，开发周期短等特点[17]，在近几年不断更新换代，具有较高的性价比。X