基于带通采样的高速数据采集系统设计

３．２性能指标计算
１）信噪失真比（ＳＩＮＡＩ））：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ＦＦＴ的舍
人误差。其计算公式为：
ＳＩＮＡＤ＝２０１９ｆ ４删（ｒ－４／ｋ（ＦＩｎＳ）ｌ
（３）
该带通采样定理适用的前提条件：只允许在一个 频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在 信号，否则将会引起信号混叠。
１．２带通采样中的频谱反转
带通采样的结果是把位于（ＭＢ，（Ｍ＋１）Ｂ）（Ｍ＝０，
ｌ，２，…）频带上的信号都用位于（Ｏ，功上相同的基带信
号频谱来表示，但是当Ｍ为奇数时，其频谱相对中
絮。
系统开始工作后，ＦＰＧＡ接收ＡＤＣ采样输出数据。数据率转换模块对数据进行双沿采样，得到８路２５０ Ｍｂｐｓ 的数据流，再通过８个串并转换器得到１６路１２５ Ｍｂｐｓ的数据流。编码转换与数字修正模块对１６路数据进行偏 移码转二进制补码和反转频谱数字修正等预处理。根据预处理之后的数据。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数据是否有效【６Ｊ，并提供相应的写控制信号，将有效数据分成４路，每路３２ ｂｉｔ写入外部 ４个ＦＩＦＯ【．¨。数据率转换模块与存储结构如图５所示。
ＨＥ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ，ＤＩＮＧ Ｌｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵＥＳＴＣ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕｔｍ ６１ １７３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｍｏｄｃＩＴｌ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｗａｇ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｔｈｅ Ｖｉｒｔｅｘ Ｓｅｒｉｅｓ ＦＰＧＡ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈｉｇｈ·ｓｐｅｅｄ ＡＤＣ０８Ｄ１０００ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｐｕｔ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔｐｕｔ（ＦＩＦＯｓ）ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａＳ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．
— 叫—Ｆ｝一 Ｉ＝＝ＦＦ；Ｉ０Ｆ＝２刊Ｏ卜Ｉ卜＋＋ ｝：＝＝＝—＝气 ——叫ＦＩＦ０３卜＋
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ｆｏＵｏｗ－ｕｐ
ｐｒｏｃｅｓｍｎｇ ｔｔｍｔ
高速数据采集系统按具体功能分为：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。
模拟信号调理电路是在保证被采样信号不失真的前提下，对信号进行低噪声放大或衰减、滤波和电气隔离等
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＡＤＣ０８Ｄ１０００；ＦＰＧＡ
随着现代信息技术的快速发展，各种数据的采集与实时处理，已成为信息研究领域不可或缺的主要组成部分。 在雷达信号侦察、遥感、地质勘探、无损检测、智能仪器及医学影像等领域，人们对数据采集系统的采样精度、 采样率和处理速度等指标提出了更高的要求。
传统的数据采集系统往往采用单片机或数字信号处理器作为主控单元。基于单片机的数据采集系统由于单片 机本身指令周期与速度的影响，其时钟频率较低，不能满足现代信号处理系统对数据采集的实时性与同步性要求。 基于数字信号处理器ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）的数据采集系统虽然处理速度快，但是ＤＳＰ频繁的中断会降低系 统的效率‘１１。
时钟电路主要由高性能频率综合器ＬＭＸ２５３ ｌ完成，ＬＭＸ２５３ ｌ内部集 成了模拟锁相环、压控振荡器和可调的环路滤波器，通过内部配置寄存器 可以产生９１７ ＭＨｚ～ｌ ０２４ ＭＨｚ和１ ８３４ ＭＨｚ～２ ０２８ ＭＨｚ频段范围内的任 意单频时钟信号，能够为本系统提供ｌ ＧＨｚ采样时钟［５１０
ＡＤＣ采样电路的模数转换器选用美国国家半导体公司的 ＡＤＣ０８Ｄ１０００，这是一款高性能的模数转换器，它具有双通道结构，每个通 道的最大采样率为１．６ ＧＳＰＳ，采用双通道互插模式时，采样率可达２ ＧＳＰＳ。 该芯片全功率带宽为１．７ ＧＨｚ（正常模式１或９００ ＭＨｚ（ＤＥＳ（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）模式，交叉采样），采用１．９ Ｖ电源供电，５１０ ｍＶｐ－Ｐ或７１０ ｍＶｐ．Ｐ 可调差分输出。本设计中，ＡＤＣ０８Ｄ１０００通过２个ｌ：２复用器将采样后的 数据分为Ｉ，Ｉｄ，Ｑ，Ｑｄ ４路并行数据，数据率５００ Ｍｂｐｓ，时钟频率２５０ ＭＨｚ， 以ＤＤＲ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｄａｔａ Ｒａｔｅ）方式送给ＦＰＧＡ。ＦＰＧＡ将预处理后的数据送给外 部存储器。外部存储器选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｔ３６１２５双口异步ＦＩＦＯ，位 宽为３６ ｂｉｔ。
软件、硬件设计，测试结果验证了方案的可行性。 关键词：带通采样；数据采集；ＡＤＣ０８Ｄ１０００芯片；现场可编程门阵歹Ｉｊ
中图分类号：ＴＮ９７１．１
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－－ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｎｄ—－ｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ
本文提出了一种以ＦＰＧＡ为核心控制器，ＦＩＦＯ为外部存储器，基于带通采样的高速数据采集系统。将 ＡＤＣ０８Ｄ１０００芯片输出的带通采样数据经过ＦＰＧＡ预处理后存入外部ＦＩＦＯ中，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，最后给出了测试结果。
１ 带通采样
根据Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定理，对于最高频率为厶。的低通信号，要求ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）ｆ１９采样频率
７
ｏ眦ｌ，ｏｕｌ２＇…，ｏｕｔｌ６
Ｆｉｇ．５ Ｄａｔａ ｒａｔｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图５数据率转换与存储结构图
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（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｏｆ Ｂｉｔｓ）、信噪比ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ．ｔｏ－Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）、信噪失真比ＳＩＮＡＤ（Ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ—Ｎｏｉｓｅ Ｐｌｕｓ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）、无杂散动态范围ＳＦＤＲ（Ｓｐｕｒｉｏｕｓ—Ｆｒｅｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ）和总谐波失真ＴＨＤ（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）等。常用的测试方法是对采样数据进行ＦＦＴ，在频域对ＡＤＣ 进行动态性能评估‘８—９１。
ｌ／，ＵＵ Ｍｂｐｋ Ｉｄ／５００ Ｍｂｏｓ。 Ｑ／５００ Ｍｂｌ）ｔ Ｏｄ／５００ ＭｂｐｓＬ｜ ＣＬＫ／２５０ ＭＨｚ．
ｄａｔａ ｒａｔｅ ｃｏｎＶｅｆｑ∞
世ｌ● Ｄ２－ ＿乜ｔ一．
ｔｒａｎｓｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｉ百ｔａｌ ｄｒｅｓｓｉｎｇ
Ｄ１６
牛＝１： 叫ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔ鲥０ｎ Ｍ锄。觚－ ，作ｎ丧．。．． 。。ｍ。。伽ｎ川．
３．１测试结果
测试条件：以２ ＧＳＰＳ的速率对（１ ＧＨｚ，２ ＧＨｚ）内的信号进行带通采样，选取１．２ ＧＨｚ的连续单频正弦信号作 为测试信号，测试频域图如图６、图７所示。
万方数据
３Hale Waihona Puke ６信息与电子工程第８卷
Ｆｉｇ．６ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ １．２ ＧＨｚ ｓｉｎｇｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｓｉｇｎａｌ
由式（３）可以算出信噪失真比黝忉Ｄ＝４１．４４ ｄＢ。
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，
ＲｓＮ＝２０１９石裔‰ 除去谐波分量采样值的均方根作为噪声的有效值。其计算公式为：
万方数据
第３期
和小东等：基于带通采样的高速数据采集系统设计
３１５
预处理，以提高信噪比，减少畸变，改善信号质量，以及变换信号来适应
ＡＤＣ的输入要求【４】。采用射频变压器ＡＤＴＬ２－１８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一“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一／＋输入端口。
图６ １．２ ＧＨｚ单频正弦信号采样后频谱图
Ｆｉｇ．７ Ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｌｘｕｍ ｏｆ １．２ ＧＨｚ
ｓｉｎｇｌｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｓｉｇｎａｌ
图７ １．２ ＧＨ蝉频正弦信号采样修正后频谱图
测试中利用带通采样频谱出现了“反转”，其原始信号采样的频域和经过数字修正之后信号的频域情况分别如 图６、图７所示。其中图６为接收信号直接ＦＦＴ的频谱特征，可以看到在（０，１ ＧＨｚ）内发生了频谱反转；图７是经 过数字修正之后，其对应的频域特征，可知在经过时域的数字修正后，频域上消除了频谱反转现象。
第８卷第３期 ２０１０年６月
信 息 与 电 子 工程
ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．８，Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０１０
文章编号：１６７２—２８９２（２０１０）０３－０３１３－０５