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正確理解和使用高性能設(shè)備

Xilinx賽靈思官微 ? 來源:djl ? 作者:賽靈思 ? 2019-07-24 15:36 ? 次閱讀

許多數(shù)字處理系統(tǒng)都會(huì)使用FPGA,原因是FPGA有大量的專用DSP以及block RAM資源,可以用于實(shí)現(xiàn)并行和流水線算法。因此,通常情況下,F(xiàn)PGA都要和高性能的ADCDAC進(jìn)行接口,比如e2v EV10AQ190低功耗四通道10-bit 1.25 Gsps ADC和EV12DS130A內(nèi)建4/2:1 MUX的低功耗12-bit 3 Gsps DAC。 通常情況下,這些轉(zhuǎn)換器的采樣率都達(dá)到了GHz的級(jí)別(見此鏈接http://www.e2v.com/products/hi-rel-semiconductor-solutions/broadband-data-converters/)。對工程師團(tuán)隊(duì)來說,除了混合信號(hào)電路板布局之外,理解和使用這些高性能的設(shè)備也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

這些e2v數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有帶寬寬、性能好的特點(diǎn)—數(shù)據(jù)手冊上通常稱為模擬全功率帶寬—即使是在高奈奎斯特區(qū)。(這種能力是不多見的。)正是因?yàn)橛兄鴥?yōu)異的轉(zhuǎn)換性能,才可以使用直接上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換,這樣可以減少部件數(shù)量、降低功耗以及節(jié)省成本。

在高頻時(shí),奈奎斯特采樣率(每個(gè)周期兩次采樣)是無法維持的。一個(gè)例子就是使用一個(gè)2.5GHz采樣率的ADC去采樣一個(gè)3GHz全功率帶寬的模擬輸入。根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則,高于1.25GHz的信號(hào)將會(huì)被混疊回第一奈奎斯特區(qū),這些混疊圖像是基礎(chǔ)信號(hào)的諧波分量,因此和非混疊信號(hào)一樣,包含了同樣的信息

相反的,如果你在使用DAC,進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換時(shí),你需要確定在上奈奎斯特區(qū)你想要使用的諧波。然而,對于DAC,在更高的頻率下,你需要對DAC的衰減進(jìn)行SINC補(bǔ)償。因此,很常見的是通過仔細(xì)選擇輸入組件、阻抗平衡器、交流耦合電容以及通過設(shè)計(jì)前端模擬預(yù)濾波器等等去優(yōu)化一個(gè)ADC或者DAC,使其能在一個(gè)奈奎斯特區(qū)中工作。

正確理解和使用高性能設(shè)備

奈奎斯特區(qū)和混疊,1、3和4區(qū)中顯示的是2區(qū)一個(gè)信號(hào)的鏡像,基礎(chǔ)信號(hào)(Fa)和諧波或者諧波含量的鏡像

可以使用下面的算法來確定諧波或者諧波含量合成頻率位置:
Fharm=N ×Ffund
IF (Fharm=Odd Nyquist Zone)
Floc=Fharm Mod Ffund
Else
Floc=Ffund-(Fharm Mod Ffund)
End

這里N是感興趣的諧波的整數(shù)。

例如,采樣率為2500MHz,基礎(chǔ)頻率是1807MHz,將會(huì)在第一奈奎斯特區(qū)有一個(gè)693MHz的諧波分量。

前面對頻譜做了一些解釋,另一個(gè)重要因素是這些設(shè)備和FPGA采用什么方式連接。許多高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)工作在較低數(shù)據(jù)速率的多路復(fù)用器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的采樣率—一般都是下圖所示的使用FS/4或者FS/2,圖中顯示的是轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)流在4條并行的10-bit總線(A, B, C, and D)上的分布:

正確理解和使用高性能設(shè)備

通常情況下,這些數(shù)字接口采用的是并行LVDS總線,這樣它們會(huì)占用許多的FPGA I/O管腳,但是,并行接口的延遲最小,并且由于它們使用差分信號(hào)傳遞方式,也可以降低輻射噪聲,這在高性能系統(tǒng)中是非常重要的。

收到FPGA發(fā)出的4個(gè)數(shù)據(jù)流,你可能想知道在FPGA內(nèi)部是如何處理數(shù)據(jù)的,在許多應(yīng)用中,包括通信處理器和射電天文,都使用的一個(gè)常用的方法是使用組合或者分離的FFT結(jié)構(gòu),如下面兩個(gè)圖所示:

正確理解和使用高性能設(shè)備

使用4個(gè)128點(diǎn)的FFT流水線,加上旋轉(zhuǎn)因子和1個(gè)并行4點(diǎn)FFT,組合成512點(diǎn)的FFT

正確理解和使用高性能設(shè)備

分離512點(diǎn)FFT,與組合FFT相反。與組合FFT不同的是,在前兩個(gè)階段,對高速輸入有一個(gè)重組的操作

因?yàn)檫@些真實(shí)的數(shù)據(jù)樣本,你將需要尋找一個(gè)優(yōu)化的方法以便于在FFT結(jié)構(gòu)中對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,高效的、大FFT的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域,但是在FFT之前,許多應(yīng)用使用加權(quán)疊接相加(WOLA)結(jié)構(gòu)來改善頻譜泄漏。下面兩個(gè)圖顯示了使用一個(gè)矩形窗口的普通FFT和使用WOLA的FFT的行為對比:

正確理解和使用高性能設(shè)備

使用普通FFT矩形窗口的相鄰信道

正確理解和使用高性能設(shè)備

使用WOLA方法的相鄰信道,顯示了更少的頻譜泄漏

然后,根據(jù)應(yīng)用的需求,對這些合成的FFT數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

---->end<----

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