基于ADC083000的高速数据采集系统设计.pdf

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万方数据·8·实验科学与技术2010年4月基于ADC083000的高速数据采集系统设计王军(电子科技大学电子工程学院，成都610054)摘要：文章以超宽带雷达侦察接收机信号处理为应用背景，论述了一种基于ADC083000的高速数据采集系统的设计方案。该方案以Xilinx公司Virtex一5系列FPGA为平台。控制高速模数转换器ADC083000，完成雷达信号的带通采样、数据传输、存储、信号处理功能，并选取高速DDR2作为存储设备，解决海量数据存储问题。该方案实现了软件、硬件设计，测试结果验证了方案的可行性。关键词：超宽带雷达；高速数据采集；ADC083000模数转换器：现场可编程阵列中图分类号：TN971．1；TN957．524文献标识码：A文章编号：1672—4550(2010)02—0008—04DesignofHigh·speedDataAcquisitionSystemBasedonADC083000WANGJun(School0fElectronicEngineering，UniversityofElectronicScienceandTedmoiogyofChina，Chengdu610054，China)Abstract：Asanultra-widebandradarreconnaissancereceiversignalprocessingfortheapplicationbackground，thispaperpresentsadesignschemeofhiish·speeddataacquisitionsystembasedOilADc083000．TheVirtexSeriesFPGAisused鹊themainplatformtocontrolthehiIsh—speedADC083000forcompletingdataacquisitionofultra—widebandradarsignalbyban@asssampling，datatrims·mission，storageandsignalprocessing．Hish-sPeedDDR2amselected硝thestoragedevicestOsolvethemassdatastorageproblems．11lesystemimplementsthesoftwareandhardwaredesignandthetestmsdmverifythefeasibilityofthesolution．Keywords：ultra-·widebandradar；hish-speeddataacquisition；ADC083000analog··to-digltalcanverter；fieldprogrammablegate81"-ray1引言现代高科技战争对雷达装备的功能和性能提出了越来越高的要求。传统雷达信号带宽较窄难以提供更多的目标信息，因此超宽带雷达技术得到了日益广泛的应用。高速数据采集和实时信号处理是超宽带雷达的关键技术。超宽带雷达的相对带宽很大，且要求在此带宽内系统的幅频特性和相频特性必须满足严格的要求，因此超宽带雷达系统实现的难度比较大‘1l。高速、高精度数据采集与高速数据传输是制约超宽带雷达信号处理的关键因素之一。本文主要研究超宽带雷达的超高速数据采集和信号处理技术，提出了一种以FPGA为核心控制器，DDR2为外部存储器，基于ADC083000的高速数据采集系统。将ADC083000芯片输出的超宽带雷达信号数据经收稿日期：2010-01一06作者简介：王军(1971一)，男，硕士，工程师，研究方向：数字信号处理。现场可编程阵列(FieldProgrammableGateArray。FPGA)预处理后存人外部DDR2中，以便后续处理。同时利用RS232接口与PC机通信，方便数据的进一步分析与处理，系统实现了硬件、软件设计，最后给出了测试结果。2高速数据采集系统设计超宽带雷达侦察接收机接收频率范围为1．4—2．6GHz，瞬时带宽为1．2GHz，信号带宽为200MHz的雷达照射信号，系统根据带通采样定理，利用ADC083000对其进行采样，采样率为2．7GHz[21。2．I系统硬件设计高速数据采集系统采用高速AD进行模数转换，利用FPGA接收、缓存、传输数据，其硬件结构如图l所示。高速数据采集系统主要由模拟信号调理电路、时钟电路、ADC采样电路以及采样数据接收、缓存与处理电路组成。模拟信号调理电路是在保证被采样信号不失真的前提下，对信号进行单端转差分变换来抑制共模 万方数据第8卷第2期ExperimentScience&Technology·9·信号f晶】I振ADC083000图1系统框图噪声，差分信号能够降低偶次谐波，为ADC带来更好的动态性能，并适应ADC的输入要求【3J。采用射频变压器TCl一l一13MG2+将单端信号转换为差分形式：一路通过射频微波继电器RF303进行隔离后送至VinQ-／+输入端口；另一路通过全差分放大器LMH6552将输入信号调整至适合ADC采样的范围内并送至VinQ-／+输入端口。时钟电路是高速数据采集系统中重要的子电路之一，这是因为时钟信号的精度会直接影响到ADC的动态性能。本系统的时钟信号主要由高性能频率综合器LMX2531产生，LMX2531内部集成了模拟锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和可调的环路滤波器，通过内部配置寄存器可以产生917～l024MHz和l834—2028MHZ频段范围内的任意单频差分时钟信号，能够为本系统提供1．35GHz采样时钟，完成采样率为2．7GHz的模数变换HJ。根据高速数据采集系统的设计要求，ADC采样电路的模数转换器选用美国国家半导体公司的ADC083000。这是一款低功耗、高性能8bit模数转换器。它具有双通道结构，采用双通道互插模式，最高采样率可达3．4GS／s。该芯片全功率带宽(rPSW)为3GHz，因此可以捕捉第二奈奎斯特(Nyquis)频带内的宽带信号。采用1．9V电源供电，正常工作时的典型功耗为1．9W，峰值电压520V或680V可调差分输出。本设计中，ADC083000通过2个l：2复用器将采样后的数据分为I、Id、Q、Qd4路并行数据，每路数据位宽为8bit，数据率675Mb／s，时钟频率337．5MHz，以DDR方式送给FPGA。FPGA利用IDDR模块将接收到的4路DDR数据转换成8路SDR数据，数据率为337．5Mb／s，时钟为337．5MHz。利用3道带宽为400MHz，频率范围分别为1．4—1．8GHz、1．8—2．2GHz与2．2—2．4GHz的滤波器组进行分段滤波，并检测出有效信号所在的频段，将输出的有效数据送给外部存储器。外部存储器选用4片Micron公司的MT46V32M16双数据率SDRAM，其位宽为16bit。其中两片SDRAM为一组，组成位宽为32bit的存储器组，两组SDRAM存储器进行乒乓方式进行数据读写操作。2．2系统软件设计高速数据采集系统的软件设计主要分为FPGA控制程序和信号处理程序。所具备的基本功能包括：数据采集控制、数据接收、数据降速处理、3通道信道化滤波器组、有效信号检测及有效数据读写控制。根据要求，软件设计流程如图2所示。上电或复位系统程序加载及初始化ADC控制数据接收、数据率转换编码转换、数字修正信道化滤波有效信号检掰YDDR2写控制图2软件设计流程图当高速数据采集系统上电或复位后，利用Xil—inx公司的专用配置芯片对FPGA进行程序加载及初始化，FPGA配置完成后对ADC083000的模拟输入信号实行软关断以确保ADC安全，然后利用串行接口对其进行内部寄存器功能配置。高速数据采集系统开始工作后，FPGA接收ADC083000输出的4路并行数据，数据率转换模块利用FPGA的IDDR原语模块将接收数据转换为8路并行数据，数据率为337．5Mb／s，时钟率为337．5MHz。编码转换与数字修正模块对8路数据进行偏移 万方数据·10·实验科学与技术2010年4月码转二进制补码。本系统采用带通采样对超宽带雷达信号进行带通采样，采样后的信号频谱发生了反转，利用式(1)e却”茗(，1)=(一1)“茗(，1)(1)进行反转频谱数字修正处理，将采样后的数字序列进行隔位符号取反，即可解决带通采样中的频谱“反转”问题bJ。根据预处理之后的数据，利用信道化滤波器组对信号进行带通滤波，滤波器带宽为400MHz，三个频段分别为1．4GHz—1．8GHz、1．4GHz～1．8GHz与1．4GHz—1．8GHz。利用自相关法对信号进行能量检测，配合视频检波信号判别带宽为200MHz的信号所在的信道号，并提供相应的写控制信号，将数据分成4路，每路“bit写入外部4个DDR2eel61。3测试结果及性能指标ADC的主要性能参数包括：采样率、有效位数(ENOB)、信噪比(SNR)、信噪失真比(SI-NAD)、无杂散动态范围(SFDR)和总谐波失真(THD)等。常用的测试方法是对采样数据进行FFr变换，在频域对ADC进行动态性能评估Hq】。3．1测试结果测试条件：以2．7GS／s的采样速率对(1．4GHz，2．6GHz)内的信号进行带通采样，选取1．9GHz的连续单频正弦信号作为测试信号，测试时域、频域图。高速数据采集系统利用带通采样，采样后频谱出现了“反转”，其采样信号的时域图如图3所示，频域图如图4所示。其中图3(a)是原始数据的时域图，图3(b)是通过式(1)修正后数据的时域图，可以看出经过修正后能正确回复信号。图4(a)为原始数据直接FF-I．的频谱特征，图4(b)为原始数据经过修正后FFr的频谱特征，可以看到在(0一1．5GHz)内发生了频谱反转。由此可知经过时域的数字修正后，频域上消除了频谱反转现象。3．2性能指标计算1)有效位数(ENOB)：ADC的有效位数计算公式为：ENOB：—SIN—A—D_-1鬲．7—63一dB(2)o．U二由式(2)可以算出有效位数ENOB=6．48bit。2)信噪比(SNR)：在第一奈奎斯特频带内，取基频和其两旁适当数目的采样值的均方根作为信号的有效值，除去谐波分量采样值的均方根作为噪电=毫≈g≮Samplingpoint(a)原始数据时域图∞{专。={阜之≮Samplingpoint(b)修正后数据时域图图31，9GHz单频正弦信号时域图NormalspectrumX：n5K61一卜^r置-上!lL|}||l哪甲州_0O．5l-0FrequettcylGHz(a)原始数据频谱特性声的有效值。其计算公式为：舳_2018石杀篙兰丽(3)由式(3)可以计算出信噪比SNR=41．97dB。3)信号失真比(SINAD)：在第一奈奎斯特频带内，取基频和其两旁适当数目的采样值的均方根作为信号的有效值，其余采样值的均方根作为噪声的有效值，它包括量化噪声、ADC的谐波噪声、超越噪声以及FFr的舍人误差。其计算公式为：SINAD=2019((A．训(舢)／A妇(硼))(4)5O5050505O5：：●●一一以之之。如∞∞∞∞如∞∞∞∞一一一一一oo之 万方数据第8卷第2期ExperimentScience＆Technology·1i·(b)修正后数据频谱特性图41．9GHz单频正弦信号频谱图由式(4)可以算出信纳比S1NAD=40．79dB。4)无杂散动态范围(SFDR)：基波分量与除基波分量外幅值最大的杂散分量的差值即为无杂散动态范围。其计算公式为：SFDR=20lg(Af2。／^2fn)(5)由式(5)可以算出无杂散动态范围SFDR=42．1dB。5)总谐波失真(THD)：除去基波分量外的前号高速数据采集与处理硬件设计方案，并给出了相应的软件设计方案。该方案以FPGA为控制与数据处理核心，以DDR2为外部大容量数据存储器，将高速A／D采样数据经处理后送人4个DDR2中缓存。实现了硬件设计，验证了方案的可行性。参考文献宋虎，陈建军．超高速采集系统在超宽带雷达系统中的应用[J]．现代雷达，2007，29(7)：58—60．杨小牛，楼才义，徐建良．软件无线电原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，2001：11—14．PaulMC．3GSps超高速ADC系统设计解决方案[J]．电子设计技术，2007。6：168—171．王浩，王子斌．一种2Gaps数字示波器数据采集系统的设计[J]．信息与电子工程，2009，7(4)：257—260．陈祝明．软件无线电技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2007：22—31．ZouSimin，zeIlgDeguo，TangBin．AWidebandPulseDetection舢go蒯hmBasedonAutocorrelation[J]．Pro-eeedingsof9thInternationalConferenceOIIElectronicMeasurement＆Instruments，2009，IV：(AUG16—19)：为了实测电路的消抖效果，作者设计了一个抖动计数器，并下载到CPLD中。实测表明，开关闭合或断开时有几次到几百次的随机抖动，接入消抖电路后，抖动被消除。消抖方案很多，编程形式更是多样。本文介绍的几种具体电路只是给学生一个启发引导，打开思路。根据我们多年的教学经验，对开关消抖的指导可以分2个步骤：(1)模拟仿真阶段，可以不考虑此类问题。(2)下载到可编程器件中，实测电路性能，分析问题所在，修改相应电路。这样既加[1]王振红．VHDL数字电路设计与应用实践教程[M]．2版．北京：机械工业出版社，2006．[2]谭会生，瞿遂春．EDA技术综合应用实例与分析[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2004．[3]唐光明．基于中断技术的开关软件消抖算法[J]．现代机械，2006(3)：107—108．[4]刑远秀，陈姚节．键盘消抖电路的研究与分析[J]．中国科技信息，2008(1)：67—68．[5]曾旖，奚大顺，李向阳．按键开关的抖动与消除方法[J]．电子世界，2005(9)：55—56．，J1J1jn心bH陋№ 基于ADC083000的高速数据采集系统设计作者：王军，WANGJun作者单位：电子科技大学电子工程学院,成都,610054刊名：实验科学与技术英文刊名：EXPERIMENTSCIENCEANDTECHNOLOGY年，卷(期)：2010,8(2)参考文献(9条)1.王浩;王子斌一种2Gsps数字示波器数据采集系统的设计[期刊论文]-信息与电子工程2009(04)2.PaulMC3GSps超高速ADC系统设计解决方案[期刊论文]-电子设计技术2007(6)3.杨小牛;楼才义;徐建良软件无线电原理与应用20014.陈祝明软件无线电技术基础20075.NationalSemiconductorCorporationADC083000HighPerformance,LowPower,8-Bit,3GSPSA/DConverter20096.骆丽娜;杨万全高速ADC的性能参数与测试方法[期刊论文]-实验科学与技术2007(01)7.王卫江;陶然高速ADC的性能测试[期刊论文]-电子技术应用2003(02)8.ZouSimin;ZengDeguo;TangBinAWidebandPulseDetectionAlgorithmBasedonAutocorrelation20099.宋虎;陈建军超高速采集系统在超宽带雷达系统中的应用[期刊论文]-现代雷达2007(07)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sykxyjs201002004.aspx