如何利用FPGA設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口

引言

當(dāng)前，越來(lái)越多的通信系統(tǒng)工作在很寬的頻帶上，對(duì)于保密和抗干擾有很高要求的某些無(wú)線通信更是如此，隨著信號(hào)處理器件的處理速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)采樣的速率也變得越來(lái)越高，在某些電子信息領(lǐng)域，要求處理的頻帶要盡可能的寬、動(dòng)態(tài)范圍要盡可能的大，以便得到更寬的頻率搜索范圍，獲取更多的信息量。因此，通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理前端的A/D采樣電路提出了更高的要求，即希望A/D轉(zhuǎn)換速度快而采樣精度高，以便滿足系統(tǒng)處理的要求。

可編程門(mén)陣列FPGA的出現(xiàn)已經(jīng)顯著改變了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。應(yīng)用可編程門(mén)陣列FPGA，可使數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有高度的靈活性，因此FPGA的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而新一代FPGA--Virtex Ⅱ－PRO的出現(xiàn)使FPGA的功能更加強(qiáng)大，但隨之而來(lái)的是要求提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，過(guò)去人們總是關(guān)心如何提高處理器運(yùn)行速度，而現(xiàn)在關(guān)心的是怎樣才能更快地將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)芯

片?？梢?jiàn)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入輸出接口設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1 高速采集系統(tǒng)介紹

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，輸入的中頻信號(hào)經(jīng)A/D采樣電路采樣后，轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)送入FPGA中，或通過(guò)FPGA的端口RocketIO從高速接口輸出，或通過(guò)FPGA的端口LVDS循環(huán)存儲(chǔ)于高速緩存中，再由低速接口輸出。其中，F(xiàn)PGA主要完成對(duì)外接口管理、高速緩存的控制和管理。時(shí)鐘控制電路對(duì)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和可編程門(mén)陣列FPGA起同步和均衡作用。

2 輸入輸出接口研究

Virtex Ⅱ－PRO系列是在Virtex Ⅱ系列FPGA的基礎(chǔ)上，嵌入了高速I(mǎi)/O接口和IBM PowerPC處理器，它能實(shí)現(xiàn)超高帶寬的系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)，支持LVDS，LVPECL等多種差分接口，適應(yīng)性很強(qiáng)。其中高速串行（MGT）技術(shù)采用了RocketIO技術(shù)，在可編程邏輯器件中內(nèi)嵌了速率為3.125Gb/s的多端串行通信接口，該技術(shù)包括千Mb以太網(wǎng)、10千以太網(wǎng)、3GIO、SerialATA、Infiniband和Fibre Channel，為高性能接口提供了完成的解決方案。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，如圖2所示，它使用非常低的幅度信號(hào)（100－450mV），通過(guò)一對(duì)平行的PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。在兩條平行的差分信號(hào)線上流經(jīng)的電流方向相反，噪聲信號(hào)同時(shí)耦合到兩條線上，而接收端只關(guān)心兩信號(hào)的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號(hào)線周?chē)碾姶艌?chǎng)也互相抵消，故差分信號(hào)傳輸比單線信號(hào)傳輸電磁輻射小很多，從而提高了傳輸效率并降低了功耗。

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用了最新的A/D芯片MAX104A。該芯片是Maxim公司的最新產(chǎn)品，采樣頻率可以達(dá)到1GHz，采樣精度為8位。芯片輸出是PECL（Positive Emitter－Coupled Logic）電平輸出。PECL信號(hào)的擺幅相對(duì)ECL要小，適合于高速數(shù)據(jù)的串行或并行連接。PECL的輸出電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路包含一個(gè)差分對(duì)管和一對(duì)射隨器。輸出射隨器工作在正電壓范圍內(nèi)，無(wú)信號(hào)時(shí)電流始終存在，這樣有利于提高開(kāi)關(guān)速度，標(biāo)準(zhǔn)的輸出負(fù)載接50Ω電阻至VCCO－2V的電平上，如圖3所示，在這種負(fù)載條件下，OUT＋與OUT－的靜態(tài)電平典型值為UCCO－1.3V，OUT＋與OUT－輸出電流為14mA。PECL結(jié)構(gòu)的輸出阻抗很低，典型值為4－5Ω，這表明它有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但當(dāng)負(fù)載與PECL的輸出端之間有一段傳輸線時(shí)，低阻抗造成的失配將導(dǎo)致信號(hào)時(shí)域波形的振鈴現(xiàn)象。

3 RocketIO設(shè)計(jì)

Xilinx公司的Virtex Ⅱ－PRO FPGA采用具有時(shí)鐘恢復(fù)功能的全雙工串行I/O收發(fā)器，可高效地實(shí)施每通道帶寬達(dá)到3.125Gb/s的不同協(xié)議設(shè)計(jì)。收發(fā)器支持高達(dá)到每通道3.125Gb/s的數(shù)據(jù)速率，并可利用通道捆綁功能滿足各種應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，Virtex Ⅱ－PRO的收發(fā)模塊由物理編碼子層（PCS）和物理介質(zhì)接入（PMA）構(gòu)成，其中物理編碼子層提供與FPGA邏輯內(nèi)的數(shù)字接口，內(nèi)部包括：循環(huán)冗余碼校驗(yàn)CRC、8B/10B編解碼器、先進(jìn)先出緩沖器FIFO；物理介質(zhì)接入提供與外部媒體的模擬接口，其中包括：20倍時(shí)鐘倍頻器、發(fā)送端時(shí)鐘生成器、發(fā)送緩沖器、串化器、接收端的時(shí)鐘恢復(fù)電路，接收緩沖器、解串器、可變速率的全雙工收發(fā)器、可編程的五級(jí)差分輸出幅度（擺率）控制和可編程的四級(jí)輸出預(yù)加重模塊。RocketIO的原始設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，但幸運(yùn)的是，Xilinx公司提供了大量成熟的和高效的IP（Intellectual Property）核來(lái)使用。如果能夠很好地掌握該工具的使用，將會(huì)極大地縮短設(shè)計(jì)的進(jìn)度，減少開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間，由于IP核是根據(jù)Xilinx FPGA器件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，直接用Xilinx FPGA底層硬件原語(yǔ)進(jìn)行描述，可充分地將FPGA的性能開(kāi)發(fā)出來(lái)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)果在面積和速度上都能達(dá)到令人滿意的效果。在設(shè)計(jì)中，還要考慮到以下方面。

（1）參考時(shí)鐘

高性能的通信質(zhì)量要求有高穩(wěn)定性和高精度的時(shí)鐘源。抖動(dòng)和頻偏是衡量時(shí)鐘源的兩個(gè)重要指標(biāo)。頻偏是指時(shí)鐘標(biāo)稱(chēng)頻率與實(shí)際頻率的偏差，主要是受晶體精度的影響，由于RocketIO模塊內(nèi)部將輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘20倍頻，而RocketIO模塊可容忍的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘抖動(dòng)公差為40ps，可見(jiàn)參考時(shí)鐘的抖動(dòng)對(duì)其性能有直接影響，所以必須選擇性能優(yōu)良的參考時(shí)鐘。抖動(dòng)一般是指一個(gè)實(shí)際情況下的周期信號(hào)每個(gè)周期的圖樣相對(duì)于該信號(hào)理想情況下一個(gè)周期圖樣的偏差。抖動(dòng)產(chǎn)生的原因包括：時(shí)鐘晶體本身的機(jī)械振動(dòng)、器件的熱噪聲和電源串入噪聲等。抖動(dòng)可以分為確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)，確定性抖動(dòng)包括信號(hào)在傳輸中煤質(zhì)損耗、碼間串?dāng)_（ISI）等周期性因素導(dǎo)致的抖動(dòng)；隨機(jī)抖動(dòng)是由半導(dǎo)體器件熱噪聲、電源波動(dòng)等共模隨機(jī)噪聲源導(dǎo)致的。在Virtex Ⅱ－PRO系列FPGA中，RocketIO模塊集中分布在上、下4個(gè)通道中，當(dāng)RocketIO工作在2.0 Gbaud以上時(shí)，參考時(shí)鐘應(yīng)采用差分輸入方式（如LVDS、LVPECH），由上述4個(gè)通道的專(zhuān)用差分時(shí)鐘引腳輸入，至相同時(shí)鐘信號(hào)引入不必要的抖動(dòng)，在2.0 Gbaud速率以下應(yīng)用時(shí)，不要用FPGA內(nèi)部的DCM來(lái)生成RocketIO的輸入時(shí)鐘，因?yàn)榻?jīng)DCM倍頻的時(shí)鐘會(huì)引入較大的抖動(dòng)，使RocketIO的接收鎖相環(huán)無(wú)法穩(wěn)定地鎖定發(fā)送時(shí)鐘，致使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

（2）復(fù)位

在Virtex Ⅱ－PRO系列FPGA中，RocketIO模塊的復(fù)位引腳分為發(fā)送（TX_RESET）和接收（RX_RESET）兩部分。由于DCM在輸出時(shí)鐘鎖定在設(shè)定值前，輸出時(shí)鐘處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能用作內(nèi)部邏輯電路時(shí)鐘，所以要在DCM時(shí)鐘輸出鎖定有效，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)延遲后才可將片內(nèi)邏輯復(fù)位。RocketIO模塊要求復(fù)位輸入至少保持2個(gè)USRCLK時(shí)鐘周期來(lái)完成內(nèi)部FIFO的初始化。

（3）PCB設(shè)計(jì)

在PCB的設(shè)計(jì)中，應(yīng)使差分線對(duì)內(nèi)的長(zhǎng)度相互匹配，以減少信號(hào)扭曲。為使設(shè)計(jì)傳輸速率達(dá)到2.0 Gbaud，在差分線對(duì)內(nèi)部每個(gè)走線區(qū)間內(nèi)的實(shí)際布線公差應(yīng)控制在5 mil內(nèi)。差分線對(duì)內(nèi)兩條線之間的距離應(yīng)盡可能小，以使外部干擾為共模特征。差分線對(duì)間的距離應(yīng)盡可能保持一致，以降低差分阻抗分布的不連續(xù)性。采用電源層作為差分線的信號(hào)回路，因?yàn)殡娫雌矫嬗凶钚〉膫鬏斪杩?，從而減少噪聲，由于每個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)0.5－1.0dB的損耗，應(yīng)盡量減少過(guò)孔數(shù)目。過(guò)孔的通孔和焊盤(pán)應(yīng)有盡量小的物理尺寸，并且在通孔穿越的未連接不加焊盤(pán)，差分對(duì)內(nèi)的過(guò)孔不僅在數(shù)量上要匹配，而且在放置的位置上也要接近，以使阻抗分布盡量一致，避免導(dǎo)致阻抗不連續(xù)的90°走線，而要用圓弧或45°折線來(lái)代替。走線時(shí)應(yīng)使向左、向右折角的數(shù)量接近，這樣可減少信號(hào)經(jīng)差分線傳輸引起的扭曲。在模擬數(shù)字混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先，應(yīng)在電源和地線之間加上去耦電容；其次，盡量加寬電源和地線寬度，最好是地線比電源線寬，使得地線寬度＞電源線寬度＞信號(hào)線寬度；第三，使用統(tǒng)一地，而將PCB分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分，模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線，在這種情況下，數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地。經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)，噪聲影響明顯降低。

4 接口解決方案

隨著高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需求的增加，如何高質(zhì)量地解決高速I(mǎi)C芯片的相互連接變得越來(lái)越重要，低功耗及高的信噪比是有待解決的主要問(wèn)題。本文所介紹的高速采集系統(tǒng)中芯片間有兩種接口：PECL和LVDS，如何進(jìn)行兩接口相互連接就成為一個(gè)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，LVDS的輸入與輸出都是內(nèi)匹配的，所以LVDS間的連接可采用圖4所示的直接連接，在FPGA內(nèi)，需對(duì)差分輸入時(shí)鐘緩沖器（IBUFDS），差分輸入的全局時(shí)鐘緩沖區(qū)（IBUFGDS）和差分輸出時(shí)鐘緩沖器（OBUFDS）例化，在本項(xiàng)目的應(yīng)用中，發(fā)送及接收FIFO的設(shè)計(jì)用了雙口塊內(nèi)存（Block RAM），時(shí)鐘倍頻器用了延遲鎖定環(huán)（DLL），幀解碼器由30位并行數(shù)據(jù)產(chǎn)生器、同步字檢測(cè)陣列和接收狀態(tài)機(jī)組成。

FPGA的部分代碼如下：

PECL間的連接一般常用直流耦合。在直流耦合情況下，PECL輸出設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)50Ω負(fù)載至（VCC－2V），電路如圖5所示。

FPGA的部分代碼如下：

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，輸入輸出指標(biāo)均符號(hào)系統(tǒng)要求，在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于LVDS信號(hào)的偏置電壓為1.25V，電壓擺幅只有350mV，傳輸速率≥100Mb/s；因此，電路板制作至關(guān)重要，要求至少使用四層板。為使干擾信號(hào)以共模方式加到差分線對(duì)上（不影響數(shù)據(jù)正確性），要求差分線對(duì)間的距離盡可能小。電源方面，F(xiàn)PGA芯片上電時(shí)要求有大于500mA的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)，由于多個(gè)輸出引腳的電位速度變化，要求每對(duì)電源和地引腳都要良好旁路。

5 結(jié)論

本文給出了基于FPGA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的輸入輸出接口的實(shí)現(xiàn)，介紹了高速傳輸系統(tǒng)中RocketIO設(shè)計(jì)以及LVDS接口、LVPECL接口電路結(jié)構(gòu)及連接方式，并在我們?cè)O(shè)計(jì)的高速數(shù)傳系統(tǒng)中得到應(yīng)用。RocketIO傳輸速度可以達(dá)到2.5Gbaud，LVDS總線上的傳輸速率可以達(dá)到120Mb/s，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。