低频弱电信号的采集与传输设计.doc

1 绪论1.1研究背景和意义众所周知，近年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术得到了飞速发展，处理速度提高了很多，PC总线的带宽也获得了较大幅度提高，同时系统工程师的设计难度、系统设计成本都随着技术的进步和工艺的提高大大降低。另外，USB和以太网接口等接口技术正在数据采集系统中得到越来越广泛的使用，PC笔记本电脑甚至PDA基本都配有以太网、USB或IEEE1394接口，便携式数据采集系统越来越得到用户的青睐。这些技术都可实现对通信中低频弱电信号的采集与传输，为了使数据采集系统整体性能获得提升，模拟器件也正向高速度、高精度、低功耗、小封装和低成本的方向发展。Tekrtonix公司和Agilent公司相继开发了采样率超过10GSPS专用ADC芯片，很多集成电路制造商也退出了采样速率超过1GSPS的通用芯片。NI公司高性能的M和S系列产品使用的是一个或多个16位或更高分辨率的ADC，采样速率大于1MSPS，PXI-5105则使用了8个12位分辨率、60MSPS采样率同时进行采样的ADC，而且这些新产品相对于老产品成本更低。FPGA集成度高，器件密度高达数千万门，可完成复杂的时序与组合逻辑电路功能，通过编程，用户可立刻把一个通用FPGA芯片配置成需要的硬件数字电路，其内部丰富的布线资源也给修改、测试和系统升级提供了极大的方便。目前主流的FPGA内部一般都嵌有可配置的告诉RAM，PLL，LVDS，LVTTL以及硬件乘法累加器等功能模块，可以很好的解决并行和速度问题。高端的FPGA内嵌了高速收发器，使得数据传输率大大提高。新型的FPGA产品中甚至集成了Power PC系列CPU，内嵌了DSP核，借助系统级设计工具和平台可以达到SOC（System On Chip）的开发目的。FPGA供应商领头羊Xilinx公司目前主要有两大类产品：Spartan类和Virtex类。前者主要面向低成本的中低端引用，后者主要面向高端应用，属于业界顶级产品。Virtex系列产品目前主流芯片包括：Virtex-2、Virtex-2 PRO、Virtex-4和Virtex-5等种类。目前市场上成熟产品主要采用的是Virtex-2器件，它采用内嵌IP硬核技术，可将IP核分配到芯片任何位置，比早期Virtex器件的资源更加丰富，性能更加可靠。Virtex-2 PRO在Virtex-2基础上内嵌了PowerPC405内核，增强了嵌入式处理功能。Virtex-4器件整合了高达200000个逻辑单元，高达500MHz的性能和无可比拟的系统特性，其产品给予新的高级硅片组合模块（ASMBL）架构，提供了一个多平台方式（LX、SX、FX），使设计者可根据需求选用不同的开发平台。它凭借其片上差分时钟网络、相位匹配时钟分频器（PMCD）、集成ChipSync源时钟同步技术的1GbpsI/O等优势在产品升级过程中逐步取代Virtex-2产品，战友越来越多的市场份额。随着制造工艺的不断发展，各FPGA厂商不断推出新产品，2008年4月Xilinx公司推出的65nm的Virtex-5FXT平台包括多达384个DSP逻辑片和16.5MB内部存储器，在500MHz时钟频率下可配置提供超过190个GMAC/s（千兆乘加/秒）的DSP处理性能和92Terabits/sec（太比特/秒）的存储器带宽。硬件资源的平衡可使计算密集的应用的性能最大化。XtremeDSP Virtex-5器件中提供的DSP48E逻辑片内置有25*18MAC，能够在将资源使用率降低50%的情况下，实现单精度浮点运算，支持比前一代Virtex器件更高的DSP集成度和更低的功耗。目前，信号采集系统多以PCI，ISA或FPGA等完成信号的采集和传输，已逐渐成为现代通信信号采集和传输的发展趋势之一，具有广阔的发展前景。1.2 国内外研究现状众所周知，近年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术得到了飞速发展，处理速度提高了很多，PC总线的带宽也获得了较大幅度提高，同时系统工程师的设计难度、系统设计成本都随着技术的进步和工艺的提高大大降低。另外，USB和以太网接口等接口技术正在数据采集系统中得到越来越广泛的使用，PC笔记本电脑甚至PDA基本都配有以太网、USB或IEEE1394接口，便携式数据采集系统越来越得到用户的青睐。这些技术都可实现对通信中低频弱电信号的采集与传输，为了使数据采集系统整体性能获得提升，模拟器件也正向高速度、高精度、低功耗、小封装和低成本的方向发展。Tekrtonix公司和Agilent公司相继开发了采样率超过10GSPS专用ADC芯片，很多集成电路制造商也退出了采样速率超过1GSPS的通用芯片。NI公司高性能的M和S系列产品使用的是一个或多个16位或更高分辨率的ADC，采样速率大于1MSPS，PXI-5105则使用了8个12位分辨率、60MSPS采样率同时进行采样的ADC，而且这些新产品相对于老产品成本更低。FPGA集成度高，器件密度高达数千万门，可完成复杂的时序与组合逻辑电路功能，通过编程，用户可立刻把一个通用FPGA芯片配置成需要的硬件数字电路，其内部丰富的布线资源也给修改、测试和系统升级提供了极大的方便。目前主流的FPGA内部一般都嵌有可配置的告诉RAM，PLL，LVDS，LVTTL以及硬件乘法累加器等功能模块，可以很好的解决并行和速度问题。高端的FPGA内嵌了高速收发器，使得数据传输率大大提高。新型的FPGA产品中甚至集成了Power PC系列CPU，内嵌了DSP核，借助系统级设计工具和平台可以达到SOC（System On Chip）的开发目的。FPGA供应商领头羊Xilinx公司目前主要有两大类产品：Spartan类和Virtex类。前者主要面向低成本的中低端引用，后者主要面向高端应用，属于业界顶级产品。Virtex系列产品目前主流芯片包括：Virtex-2、Virtex-2 PRO、Virtex-4和Virtex-5等种类。目前市场上成熟产品主要采用的是Virtex-2器件，它采用内嵌IP硬核技术，可将IP核分配到芯片任何位置，比早期Virtex器件的资源更加丰富，性能更加可靠。Virtex-2 PRO在Virtex-2基础上内嵌了PowerPC405内核，增强了嵌入式处理功能。Virtex-4器件整合了高达200000个逻辑单元，高达500MHz的性能和无可比拟的系统特性，其产品给予新的高级硅片组合模块（ASMBL）架构，提供了一个多平台方式（LX、SX、FX），使设计者可根据需求选用不同的开发平台。它凭借其片上差分时钟网络、相位匹配时钟分频器（PMCD）、集成ChipSync源时钟同步技术的1GbpsI/O等优势在产品升级过程中逐步取代Virtex-2产品，战友越来越多的市场份额。随着制造工艺的不断发展，各FPGA厂商不断推出新产品，2008年4月Xilinx公司推出的65nm的Virtex-5FXT平台包括多达384个DSP逻辑片和16.5MB内部存储器，在500MHz时钟频率下可配置提供超过190个GMAC/s（千兆乘加/秒）的DSP处理性能和92Terabits/sec（太比特/秒）的存储器带宽。硬件资源的平衡可使计算密集的应用的性能最大化。XtremeDSP Virtex-5器件中提供的DSP48E逻辑片内置有25*18MAC，能够在将资源使用率降低50%的情况下，实现单精度浮点运算，支持比前一代Virtex器件更高的DSP集成度和更低的功耗。目前，信号采集系统多以PCI，ISA或FPGA等完成信号的采集和传输，已逐渐成为现代通信信号采集和传输的发展趋势之一，具有广阔的发展前景。1.3 本课题设计内容本课题主要设计内容是基于以PCI总线为核心，设计通信系统，学习可编程逻辑器件FPGA及PCI总线结构，提出一个以嵌入式处理器为核心，以PCI连接多DSP部分和信号采集与传输的方案。详细讨论高