0 引言

　　隨著高速數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的低速采樣技術(shù)已難以滿足寬帶、超寬帶雷達等領(lǐng)域?qū)Ω咚俑呔葦?shù)據(jù)采集的需求[1]。而且在航空、工業(yè)應用中對數(shù)據(jù)采集設備的采樣率和精度要求也越來越高，高速ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用需求越來越廣泛。雖然現(xiàn)有的單片ADC速度有了很大提高，但是受現(xiàn)階段器件制造工藝的限制，使得其難以在高采樣的同時保持高的精度。傳統(tǒng)的高速電子開關(guān)雙DAC合成轉(zhuǎn)換技術(shù)由于高速電子開關(guān)限制使得其不能廣泛應用[2]，而并行多通道技術(shù)的出現(xiàn)為解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率低的問題提供了技術(shù)支持，其也可稱為時間交替采樣技術(shù)[3]，即前端并行逐次采樣后端串行多路復用。但是由于各通道的不一致性會產(chǎn)生3種失配誤差(偏移誤差、時延誤差和增益誤差)[4-6]，誤差如果不進行矯正會影響整個采集系統(tǒng)的性能。

　　因此，針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率低、誤差大的問題，本文設計了一種基于FPGA與DSP相結(jié)合的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其可實現(xiàn)信號的1 GS/s高速采樣及失配誤差的修正，使系統(tǒng)在高速采集的同時保持高的性能。

1 系統(tǒng)總體設計

　　根據(jù)時間交替采樣系統(tǒng)的功能和原理，本文將整個系統(tǒng)劃分為6個主要模塊：信號調(diào)理模塊、時鐘產(chǎn)生和分配模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA邏輯控制模塊、DSP數(shù)字信號處理模塊和電源管理模塊。其主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)的基本工作原理：寬帶模擬信號經(jīng)過信號輸入模塊的基本調(diào)理后，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成其輸出的高質(zhì)量模擬信號的并行采樣，邏輯控制模塊則完成高速采樣數(shù)據(jù)的接收和緩存等預處理，最后通過數(shù)字信號處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢驗和誤差矯正。

　　1.1 信號調(diào)理電路

　　在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計中，需要給ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供高質(zhì)量的輸入信號，以便實現(xiàn)信號的高精度轉(zhuǎn)換和后期的信號處理。因此，在模擬信號輸入系統(tǒng)之前，需要完成基本的調(diào)理過程，包括放大和濾波。本文比較TI公司各種運算放大器，選用了THS45xx系列中的THS4509高速低噪聲寬帶差分運算放大器。其具有600 MHz的小信號帶寬，當輸入頻率為10 MHz 時，2階諧波失真為-104 dBc、3階諧波失真為-108 dBc的特點，能夠滿足系統(tǒng)的要求。利用TI公司的FilterPro濾波器軟件和TINA-TI仿真軟件完成信號調(diào)理電路的設計如圖2所示。

　　1.2 時鐘產(chǎn)生和分配

　　時鐘產(chǎn)生和分配模塊是實現(xiàn)并行多通道采樣技術(shù)的關(guān)鍵之一，為了實現(xiàn)1 GHz的采樣率，需要提供4路250 MHz頻率且相移相差90°的高質(zhì)量時鐘信號（clk0、clk90、clk180、clk270）。如果采用4個分離的時鐘驅(qū)動芯片來分別驅(qū)動4個ADC芯片，時鐘相位的延時難以準確實現(xiàn)，因此本文在設計中采用了集成壓控振蕩器的鎖相環(huán)芯片來產(chǎn)生1 GHz的時鐘，再利用時鐘分配芯片生成4路250 MHz相移90°的時鐘信號，作為ADC芯片的采樣時鐘。時鐘分配芯片輸出的時鐘信號如圖3所示。

　　鎖相環(huán)芯片選用了輸出頻率范圍為350~1 800 MHz的ADF4360-7，時鐘分配則采用能夠根據(jù)分頻系數(shù)對相位進行調(diào)節(jié)的AD9510芯片。其都是ADI公司生產(chǎn)的高性能時鐘產(chǎn)生和分配芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對時鐘的要求。

　　1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，其主要由4個ADC芯片構(gòu)成。考慮到無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、信噪比(SNR)、有效位數(shù)(ENOB)以及輸入信號的帶寬等指標要求，選用了250 MS/s、8位的AD9480。當其以250 MS/s的速度對19.7 MHz的正弦波采樣時，只有-65 dBc的SFDR，47 dB的SNR，7.6位的ENOB。而且其模擬信號輸入的帶寬可達750 MHz，能夠滿足高速采樣和高帶寬輸入的要求。

　　1.4 FPGA邏輯控制

　　輸入的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，需要將采樣的數(shù)據(jù)接收和緩存。本設計選用XLINX公司的XC3S500E來接收AD9480輸出的時鐘和數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采樣的時序和邏輯控制。控制單元將采樣的信號存放在內(nèi)部RAM中，在完成32 KB（8KB/路）數(shù)據(jù)存儲后產(chǎn)生DSP中斷信號，通知DSP讀入數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的檢驗和誤差矯正。為了減小FPGA的工作的負荷，本文采用了數(shù)據(jù)分裂存儲技術(shù)，即將AD輸出的250 MHz時鐘和采樣的數(shù)據(jù)分成兩路，每路以125 MHz的速度寫入FPGA內(nèi)部的FIFO中。

　　1.5 數(shù)據(jù)處理電路

　　本系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320VC5509A定點數(shù)字信號處理器來處理采樣后的數(shù)據(jù)，該芯片的EMIF（存儲器擴展接口）結(jié)構(gòu)和DMA（直接內(nèi)存訪問）技術(shù)為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了一種可能和可靠的通道。其CPU支持內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，包括一個程序總線、3個數(shù)據(jù)讀取總線、兩個數(shù)據(jù)寫總線和額外的專用外圍總線。在一個單一的周期內(nèi)，這些總線能夠?qū)崿F(xiàn)3個數(shù)據(jù)讀取和兩個數(shù)據(jù)寫的功能。同時，能夠支持高達200 MHz時鐘頻率，而且具有兩個算術(shù)/邏輯單元。

2 誤差分析

　　由于各通道電路布局布線和ADC芯片的不同，導致各通道采樣不可能完全一致，不可避免地產(chǎn)生通道失配誤差。如圖4所示，由于采樣時鐘延時精度不夠帶來的時延誤差，增益不一致導致的增益誤差，偏移不一致引起的偏移誤差。而誤差的存在是影響系統(tǒng)指標的關(guān)鍵，通過對各誤差進行時域或頻域分析能夠完成后期誤差的處理和矯正。

　　假設將M塊低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組合成一個高速的AD。且其理想采樣間隔為T，低速AD的采樣間隔則為MT。g(t)為輸入的信號。則本系統(tǒng)高速AD采集的序列如下：

　　當M個AD采樣時，時間偏置理想下都是固定的，所有采樣點在時間上都是以MT為周期，因此理想情況下時間交替采樣信號的數(shù)學模型為：

　　2.1 偏移誤差

　　當系統(tǒng)存在偏移誤差時，設每個AD的偏移誤差為am，其中m=0，1，2，…，M-1，則實際的時域表現(xiàn)為：

　　其主要包含兩部分：一部分是均勻采樣后的頻譜，另一部分為通道偏移不一致帶來的分量(P(t))。令P(?棕)為偏移誤差的傅里葉變換，輸入信號的傅里葉變換為Ga(?棕)(a代表模擬信號頻譜)。則含偏移誤差的采樣信號頻譜為：

　　2.2 增益誤差

　　假設每個AD存在gm的增益誤差，其中m=0，1，2，…，M-1，則其時序表現(xiàn)為：

　　對其傅里葉變換得：

　　其中，M，…。式(6)即為增益幅度非均勻采樣信號的數(shù)字頻譜表達式。

　　2.3 時延誤差

　　在實際的信號采集中，系統(tǒng)內(nèi)M個ADC實際采樣點的時間是不均勻的，故f3(t)實為：

　　求出其頻域響應為：

　　其中，。

　　從以上分析中可以看出，3種誤差之間保持彼此獨立，互不干擾。當采樣頻率fs固定后，時延誤差、增益誤差和偏移誤差引起的雜散在頻域的位置是固定的，是單獨作用的。

3 數(shù)據(jù)處理和誤差矯正

　　雖然系統(tǒng)存在這3種誤差，但是時延誤差僅與時鐘分配芯片有關(guān)，一旦采樣率確定，這個誤差不會隨著輸入信號的改變而改變，增益誤差和偏移誤差僅與各AD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，在實際中，可以通過數(shù)字信號處理的方式計算出誤差固定值，并加入誤差矯正模塊修正采樣的數(shù)據(jù)，從而得到精確的結(jié)果。

　　為了消除誤差值，系統(tǒng)采用輸入正弦信號擬合法，完成誤差的矯正。誤差估計過程：輸入10 MHz的正弦波并進行采樣，F(xiàn)PGA在完成一次采樣后，輸出中斷信號，DSP讀出采樣的數(shù)據(jù)并完成偏移誤差、時延誤差和增益誤差的測量，最后得到每一路AD的偏移誤差ok、增益誤差gk、時延誤差ak后，就可以利用這3個參數(shù)對采樣后的信號進行矯正。

　　系統(tǒng)的誤差矯正流程如圖5所示，主要包括Farrow結(jié)構(gòu)的濾波器[7-8]、偏移消除模塊和增益消除模塊。其中時延誤差的矯正就是根據(jù)傅里葉變換的時移性質(zhì)，如果時間誤差tk與采樣周期Ts的比值為ak，則對應的頻域變化為頻域值乘以。使采樣信號通過理想頻率響應為的全通濾波器即可實現(xiàn)對時延誤差的校正。

　　將采樣得到的四路信號通過四組Farrow結(jié)構(gòu)的濾波器，濾波器對不同的AD采得的數(shù)據(jù)施以不同的延遲ak，從而補償了時延誤差。為了消除ADC間的偏置誤差，讓每路采樣后都減去其固有的直流偏置。而消除通道間的增益誤差的方法是，將其余三路信號都乘以與其中一路參考信號的幅度比gk，使后三路信號都與參考的增益保持一致。

4 試驗結(jié)果

　　通過對采樣后存儲的數(shù)據(jù)進行分析，并對比矯正前后的時域和頻域波形，可以得出系統(tǒng)的矯正效果。實驗中將誤差矯正算法加入到DSP中，分別輸入10 MHz正弦波和80 MHz正弦波測試誤差矯正前后的時域及頻域效果，如圖6、7所示。從圖示中可以看出，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過矯正后，誤差明顯降低，而且波形質(zhì)量比矯正前效果好。由傅里葉變換數(shù)據(jù)的對稱性整個頻譜圖是以fs/2頻率為對稱軸的，因此，在頻譜圖中只取一半。本設計經(jīng)過多次測試，證明了基于時間交替采樣技術(shù)的高速采集系統(tǒng)的可行性和準確性，能夠?qū)崿F(xiàn)高速采集條件下的誤差矯正。

5 結(jié)論

　　本文介紹了一種基于FPGA+DSP的高速采樣系統(tǒng)，并應用了時間交替采樣的技術(shù)實現(xiàn)了采樣速率的提高。在硬件設計上，結(jié)合了可編程邏輯器件的靈活性和數(shù)字信號處理器的高速信號處理能力。通過對偏移誤差、時延誤差和增益誤差的分析，解決了高速采樣系統(tǒng)中存在的誤差問題，實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的矯正處理。該設計已可實現(xiàn)采樣率為1 GS/s的4路ADC并行采樣，并能完成誤差的矯正，且矯正后的指標優(yōu)于矯正前。

參考文獻

　　[1] 張思杰，趙泰，汪振興，等.基于FPGA的USB接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)應用，2011，37(5)：98-100.

　　[2] BLACK W C，HODGES D A.Time interleaved converter arrays[M].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1980，15(6)：1022-1029.

　　[3] 孔路平，姚國英.一種提高DAC采樣率的新方法[J].電子測量技術(shù)，2008，31(9)：21-24.

　　[4] VOGEL C.The impact of combined channel mismatch in time-interleaved ADCs[J].IEEE Trans.Instrum.Meas，2005，54(1)：415-427.

　　[5] 朱子翰，呂幼新.時間交替采樣系統(tǒng)的誤差測量與FPGA實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2011，34(3)：54-56．

　　[6] KUROSAWA N，KOBAYASHI H，MARUYAMA K，et al.Explicit analysis of channel mismatch effects in time-inter-leaved ADC systems[J].IEEE Transactions on Circuits and System I：Fundamental Theory and Applications，2001，48(3)：261-271.

　　[7] FARROW C W.A continuously variable digital element[C].Proc.IEEE Int.Symp.Circuits Systems，(ICAS-88)，1988，3：2642-2645.

　　[8] 劉艷茹，田書林，王志剛，等．一種基于Farrow濾波器的并行采樣時間誤差校正[J].電子測量與儀器學報，2010，24(1)：50-54.