基于FPGA的高速DMUX設(shè)計(jì)

l 引言
隨著信號(hào)速率和帶寬的提高，信號(hào)采集的速率也相應(yīng)地不斷提高。如今模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率已經(jīng)達(dá)到1 GS/s。甚至2 GS/s。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)流速率為赫茲千兆比特，會(huì)增加后端存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)處理器件的設(shè)計(jì)難度，因此降速分流成為解決這一問(wèn)題的必要方法。

2 降速分流的方法
降速分流通常有兩種實(shí)現(xiàn)方案：一是使用DMUX專用集成器件，另一種是在FPGA上實(shí)現(xiàn)DMUX。
一般地說(shuō)，這兩種方式都能很好地實(shí)現(xiàn)降速分流，在性能上并無(wú)優(yōu)劣之分。但是從整個(gè)系統(tǒng)考慮，第二種方式相對(duì)優(yōu)于第一種方式，原因如下：
(1)由于工藝方面的限制，DMUX專用集成器件工作模式比較單一，且不能改變。通常DMUX專用集成器件如TS81102(Atmel公司)可以實(shí)現(xiàn)1：8模式(將數(shù)據(jù)速率降為原先的1/8，并給出8路輸出)或者1：4模式(將速率降為原先的1/4，并給出4路輸出)。
(2)DMUX專用集成器件輸出的數(shù)據(jù)速率越低，其輸出占用的數(shù)據(jù)線就越多，而要減少數(shù)據(jù)線，其數(shù)據(jù)速率又會(huì)相應(yīng)提高，因此無(wú)論其采用何種工作模式，PCB設(shè)計(jì)難度都很大。
(3)DMUX專用集成器件功耗大(平均要高于5W)，要使其正常工作，電源供電和散熱問(wèn)題會(huì)增加設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)難度。
(4)DMUX專用集成器件屬于特殊芯片，不容易購(gòu)買。
因此選用另一種方式來(lái)代替DMUX專用集成器件顯得很必要。
基于Altera公司FPGA就可以實(shí)現(xiàn)DMUX的功能。其最大的優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊可以同時(shí)在FPGA中實(shí)現(xiàn)，相比較DMUX專用集成器件+FPGA這樣的設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化很多，而信號(hào)完整性卻在很大程度上得到提高。
下面就以1：8工作模式為例，對(duì)兩種方式的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。
圖l所示是采用DMUX專用集成器件的設(shè)計(jì)方案。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)高速ADC轉(zhuǎn)換后，輸出高速率的8位數(shù)據(jù)和l位時(shí)鐘Clkl，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)DMUX分流后再形成8路64位的數(shù)據(jù)和l位時(shí)鐘Clk2(此時(shí)鐘降為原先的1/8)。隨后FPGA用Clk2來(lái)采樣這些64位數(shù)據(jù)，再在控制信號(hào)的控制下處理這些數(shù)據(jù)。

利用FPGA實(shí)現(xiàn)DMUX后，就可以將DMUX和FPGA整合到一起，如圖2所示。

與圖1相比，圖2在PCB設(shè)計(jì)上省略了DMUX和FPGA之間的64位數(shù)據(jù)線和1位時(shí)鐘線，而這些數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線通常會(huì)高于100 MHz，所以對(duì)PCB布線任何考慮不周都會(huì)造成信號(hào)完整性的嚴(yán)重下降。在圖2中，DMUX在FPGA內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)，這可以在很大程度上提高設(shè)計(jì)的成功率，關(guān)鍵就是看FP-GA能不能接收ADC的8位高速數(shù)據(jù)和1位高速時(shí)鐘。而實(shí)際上FPGA確實(shí)可以做到，下面就對(duì)其實(shí)現(xiàn)的各個(gè)方面分別加以介紹。

3 基于FPGA的DMUX實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵
3.1 器件的選擇
要在FPGA中實(shí)現(xiàn)DMUX，F(xiàn)PGA必須具備兩個(gè)條件：一是多個(gè)高速差分接收端口；二是FastDPLL(快速數(shù)字鎖相環(huán))。許多FPGA都能滿足此要求，如Xilinx的Virtex4、Virtex Pro系列，Altera的Stratix系列(Stratix GX、StratixⅡ和Stratix)。它們?cè)趹?yīng)用上各有特色，下面僅以Altera的Stratix系列為例來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)方式。
3.2 引腳的配置
要接收ADC的高速數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出，必須將這些信號(hào)引腳配置到高速差分接收引腳上。但并不是所有的差分引腳都能作為高速差分接收引腳。數(shù)據(jù)接收引腳一般定義為DIFFIO_RX_P、DIF-FIO_RX_N，時(shí)鐘接收引腳一般定義為CLK_DIF-FIO_RX__P、CLK_DIFFIO_RX_N。
在引腳的設(shè)置位置上也有一定的要求，如Stratix GX器件只可以在BANKl、2的差分引腳上實(shí)現(xiàn)；Stratix Ⅱ器件只可以在BANK3、4、7、8的差分引腳上實(shí)現(xiàn)；而Stratix器件可以在BANKl、2、5、6的差分引腳上實(shí)現(xiàn)。如果接收ADC信號(hào)的引腳不是配置在這些引腳上,那么就不能在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)DMUX來(lái)接收這些高速信號(hào)。
對(duì)于時(shí)鐘引腳，也要配置在這些BANK的專用時(shí)鐘引腳上。如果有多個(gè)這樣的時(shí)鐘引腳可供選擇,則應(yīng)當(dāng)選擇那些Cload(負(fù)載電容)更小的引腳，這對(duì)于提高數(shù)據(jù)的接收速率很有幫助。
3.3 軟件設(shè)置
3.3.1 FPGA片上阻抗的實(shí)現(xiàn)
接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的高速差分線一般都需要終端阻抗匹配，如果這些終端匹配電阻都依靠片外電阻實(shí)現(xiàn)，就會(huì)增加PCB布局布線的難度和降低接收的信號(hào)完整性。FPGA的差分接收端口一般都帶有差分片上阻抗匹配，如圖3所示。

阻抗(RD)在100 Ω~170 Ω之間,其典型值為135 Ω，接近于差分線的差分阻抗。依靠這些片上匹配電阻，則不需要再外接電阻，并且會(huì)達(dá)到比外接電阻更好的效果。
軟件方面只需設(shè)置終端阻抗為Differential。
3.3.2 FPGA高速差分接收模塊的實(shí)現(xiàn)
在FPGA上主要是通過(guò)調(diào)用altlvds模塊來(lái)接收ADC輸出的高速差分?jǐn)?shù)字信號(hào)，如圖4所示。

altlvds模塊內(nèi)集成有Fast DPLL，通過(guò)它可以以45為一級(jí)精確地調(diào)整輸入時(shí)鐘沿與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而保證建立和保持時(shí)間能夠滿足要求。
altlvds模塊還利用輸入時(shí)鐘對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行雙沿采集，將其轉(zhuǎn)換為并行的多路數(shù)據(jù)。
其輸入數(shù)據(jù)的通道數(shù)和分路比也可以通過(guò)軟件靈活設(shè)置。設(shè)置的接收數(shù)據(jù)通道數(shù)最多為44通道(受限于FPGA的高速差分接收引腳數(shù))，最多可設(shè)置的分路比為1：10模式。
此外，此模塊上可以設(shè)置接收的最高數(shù)據(jù)速率為840 Mb/s，最高接收時(shí)鐘為420 MHz。
3.4 軟件仿真
在Quartus Ⅱ中進(jìn)行DMUX后的仿真結(jié)果如圖5所示，輸入數(shù)據(jù)(idata)為800 MHz，輸入時(shí)鐘(in-clk)為400 MHz。從仿真波形上可以看到，雖然輸出的數(shù)據(jù)不是對(duì)得很準(zhǔn)，但是輸出的時(shí)鐘(kaniclkp)可以保證能夠完整地接收數(shù)據(jù)。

將輸入數(shù)據(jù)(idata)改為l 000 MHz，輸入時(shí)鐘(inclk)改為500 MHz，其仿真結(jié)果仍然不錯(cuò)。
3.5 PCB設(shè)計(jì)
要使FPGA能夠很好地接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)，首先應(yīng)該保證它們之間布線的差分阻抗?jié)M足要求。另外每對(duì)差分線要緊鄰并且近似等長(zhǎng)。
此外要盡量將FPGA的高速差分接收引腳配置在FPGA的外圍，以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA的連線上盡量沒(méi)有過(guò)孔。
PCB板材的選擇也很重要，要盡量保證它們之間的布線都布置在最外層，并且布線板層要盡量選介質(zhì)常數(shù)小的材料。
為了模塊中的內(nèi)部鎖相環(huán)能夠正常工作，還應(yīng)該將內(nèi)部鎖相環(huán)的供電電源與外部數(shù)字電源隔開(kāi)。圖6中示出了一種電路連接方式，通過(guò)大電感將兩種電源隔開(kāi)，再通過(guò)多個(gè)電容并聯(lián)濾波，以保證供給內(nèi)部鎖相環(huán)電源的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，利用FPGA替代DMUX專用集成器件來(lái)接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)，其接收的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)超過(guò)1 Gb/s，高于器件資料上給定的840 Mb/s的最高速率，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。