摘要：介紹一種基于四通道ADC的高速交錯采樣設(shè)計方法以及在FPGA平臺上的實(shí)現(xiàn)。著重闡述四通道高速采樣時鐘的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、高速數(shù)據(jù)的同步接收以及采樣數(shù)據(jù)的校正算法。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，同步數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)設(shè)計和預(yù)處理算法，能良好抑制并行ADC輸出信號因相位偏移、時鐘抖動等造成的失配誤差。
關(guān)鍵詞：交錯采樣；高速采樣時鐘；同步接收；信號處理
0 引言
高速、超寬帶信號采集技術(shù)在雷達(dá)、天文和氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高采樣率需要高速的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。目前市場上單片高速ADC的價格昂貴，分辨率較低，且采用單片超高速ADC實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集對FPGA的性能和PCB布局布線技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
利用時間交叉采樣原理，對同一信號用多個相對較低速的ADC并行采樣是可行的。本文針對某項(xiàng)目要求構(gòu)建了四路采樣率為400 MHz的ADC和高性能FPGA接口處理平臺，實(shí)現(xiàn)1．6 GHz數(shù)據(jù)采集。著重討論了ADC采樣時鐘的設(shè)計、數(shù)據(jù)同步接收和校正預(yù)處理等關(guān)鍵技術(shù)，并提出軟硬件優(yōu)化方案。
1 采樣系統(tǒng)設(shè)計
1．1 多ADC并行采樣原理
時間交叉采樣原理基于使用多片相對低速的并行ADC實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。m路ADC中每一片ADC的采樣頻率是整個系統(tǒng)采樣頻率的1／m，通過算法調(diào)整可使每一路通道時鐘具有固定相位差，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)多路排序合并后，可達(dá)到一路ADC采樣速率m倍的效果。圖1是四路采樣時序結(jié)構(gòu)，理想條件下各路時鐘相位依次相差90°。
1．2 時鐘設(shè)計
外部時鐘信號經(jīng)“時鐘分配模塊1”轉(zhuǎn)換成兩路同相差分時鐘信號，一路送“時鐘分配模塊2”，另一路經(jīng)PCB走線移相90°后送“時鐘分配模塊3”。模塊2，3各輸出兩路180°相差時鐘信號，最終得到依次相差近似90°的四路ADC采樣時鐘。
四路時鐘信號并非嚴(yán)格均勻相差90°，各路獨(dú)立進(jìn)入“相位調(diào)整電路”微調(diào)。相位微調(diào)電路由可編程移相LC網(wǎng)絡(luò)組成，F(xiàn)PGA獨(dú)立控制四路調(diào)整電路，使相位時延控制在200～300 ps范圍。時鐘分配及調(diào)整電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1．3 數(shù)據(jù)接收和存儲
ADC輸出數(shù)據(jù)速率為400 MHz，與之相對應(yīng)的隨路時鐘為200 MHz，利用DDR方式接收數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部PLL產(chǎn)生的四路時鐘信號的上升沿和下降沿都對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采樣，數(shù)據(jù)與采樣時鐘之間保持一定的相位差，以滿足同步時序的數(shù)據(jù)建立時間(Tsu)和保持時間(Th)，如圖3所示。
通過FPGA輸入模塊IDDR映射生成內(nèi)部寄存器接收數(shù)據(jù)，并由異步FIFO實(shí)現(xiàn)內(nèi)部時序同步和存儲。ADC采樣數(shù)據(jù)的有效位是14 b，利用FPGA軟核生成的FIFO寬度和深度可分別設(shè)置為28 b和128，其中高14位[27：14]存儲奇數(shù)時刻的采樣數(shù)據(jù)，低14位[13：0]存儲偶數(shù)時刻的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲如圖4所示。
2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
2．1 時間交叉采樣引起的誤差
在圖1所示的多通道并行時間交叉采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，各個子通道間數(shù)據(jù)不可能完全匹配，主要會產(chǎn)生三種誤差：
(1)由于各個子通道ADC的增益不一致而引起的增益誤差(Gain Error)；
(2)多相時鐘設(shè)計不完全理想以及PCB板線路走線延遲不一致引起的采樣時刻偏離帶來的時間相位誤差(Time Skew Error)；
(3)各通道ADC基準(zhǔn)電壓不一致而引起的偏置誤差(Offset Error)。
以正弦信號為例，令輸入信號S=Acos(2πfint)+θ。其中：A，fin，θ分別為輸入信號的幅度、頻率和初始相位。若系統(tǒng)總采樣率為fs，經(jīng)m片ADC時間交叉采樣后第k個子通道的輸出為：
式中：0≤n
在本文的設(shè)計中，經(jīng)過模擬前端多相時鐘電路設(shè)計，時間相位誤差可以忽略，且ADC的基準(zhǔn)電壓由同一電源供電，偏置誤差也可忽略，在此，利用DFT變換校正增益誤差。對于只有增益誤差的第k個子通道的輸出信號yk(n)=gkAcos[2πfin(mn+k)／fs+θ]，做N點(diǎn)DFT得：
以第一個子通道的增益go為校正的起始標(biāo)準(zhǔn)，則第k個子通道的相對增益誤差為，因此，經(jīng)過增益誤差校正輸出信號為：
3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果
圖5是經(jīng)過FPGA內(nèi)部映射之后的時序仿真圖，可以看到經(jīng)過精心設(shè)計的多相時鐘技術(shù)以及合理的同步接收使信號的采集效果良好。
圖6是采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過增益誤差校正前后的頻譜對比圖，可以看到在40 MHz處，雜散得到了明顯的抑制。其中，模擬輸入信號的頻率為20 MHz。
4 結(jié)語
針對高速并行ADC時間交叉采樣技術(shù)對多相時鐘信號的高要求以及采集數(shù)據(jù)的誤差，介紹了多相時鐘設(shè)計的一種方法和利用FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對增益誤差的校正。通過實(shí)驗(yàn)仿真證明，該設(shè)計能夠有效提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。