異步FIFO和PLL在高速雷達數(shù)據采集系統(tǒng)中的應用
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隨著雷達系統(tǒng)中數(shù)字處理技術的飛速發(fā)展，需要對雷達回波信號進行高速數(shù)據采集。在嵌入式條件下，要求獲取數(shù)據的速度越來越快。精度越來越高，以致數(shù)據量及處理速度要求大增。為避免數(shù)據處理不及時，發(fā)生數(shù)據丟失，影響系統(tǒng)可靠性，要進一步提高系統(tǒng)實時性，必須研究開發(fā)高速嵌入式雷達信號采集系統(tǒng)。這里結合高速嵌入式數(shù)據采集系統(tǒng)，提出一種基于CvcloneⅢFPGA實現(xiàn)的異步FIFO和鎖相環(huán)(PLL)結構來實現(xiàn)高速緩存，該結構可成倍提高數(shù)據流通速率，增加數(shù)據采集系統(tǒng)的實時性。采用FPGA設計高速緩存，能針對外部硬件系統(tǒng)的改變，通過修改片內程序以應用于不同的硬件環(huán)境。由于FPGA可重配置，可通過對其編程修改其電路功能，方便后續(xù)的系統(tǒng)升級。
2 高速雷達數(shù)據采集系統(tǒng)結構
圖1為高速雷達數(shù)據采集系統(tǒng)結構框。
通過下變頻將接收的射頻信號變換為適合A／D采樣的中頻信號。再經A／D轉換器轉換為數(shù)字信號，然后FPGA中異步FIFO構成的高速緩存將中頻采樣數(shù)據變換為與存儲器寫時間相匹配的低速數(shù)據并存儲到RAM中。DSP及其他數(shù)據處理器通過與RAM或FIFO間進行數(shù)據傳遞，分析處理雷達回波信號，就可獲取信號的特征和特征參數(shù)。如果DSP不通過緩存而直接與A／D相連，在采樣過程中，若A／D連續(xù)采樣數(shù)據，DSP一直處于連續(xù)的間隔讀數(shù)狀態(tài)，這將占用DSP大部分處理時間，導致DSP不能進行其他工作。也可能出現(xiàn)上一次的數(shù)據還沒被DSP處理完，下一次采集過程就開始的情況。如果選取更高速的A／D轉換器，甚至會發(fā)生數(shù)據丟失，破壞系統(tǒng)的可靠性。同時由于DSP不直接與A／D轉換器相連，所以A／D轉換器的升級或替代都不會影響原來的數(shù)據采集系統(tǒng)，且使用高速緩存后數(shù)據采集速率可達所采用的A／D轉換器輸出的最高速率，能充分發(fā)揮DSP算法處理功能強大、速度高的優(yōu)勢。而采用CycloneⅢFPGA設計高速緩存，設計靈活、通用性強。整個系統(tǒng)具有實時性高、體積小、開發(fā)周期短、易于維護和擴展、適于實時信號處理等多個優(yōu)點。高速雷達數(shù)據采集系統(tǒng)的設計主要包括高速A／D轉換電路、讀寫控制邏輯電路、由雙時鐘FIFO構成的高速緩存電路、鎖相環(huán)、外部有源品振等，盡量選用高速器件以提高數(shù)據采集系統(tǒng)的瞬時帶寬和存儲深度。
高速A／D轉換器采用MAX101A，其最高采樣速率可達到500 Ms／s，采樣精度為8 bit，該器件屬于直接轉換式模數(shù)轉換器即Flash A／D轉換器，其特點是速度快，內置1．2 GHz帶寬的采樣保持放大器，特有的量化設計使其具有較好的動態(tài)特性。如果采集系統(tǒng)需更高的采樣速率，可使用多片A／D交替采樣。FPGA采用EP3C120，EP3C120利用65 nm低功耗工藝，不但實現(xiàn)低功耗，還具有豐富的邏輯(120 KB邏輯單元)、存儲器(高達4 Mbit)，及數(shù)字信號處理資源(288個DSP乘法器)。EP3C120的低功耗特性和其大容量的存儲器使其非常適合嵌入式高速雷達數(shù)據采集系統(tǒng)設計。采用異步FIFO構成的高速緩存即是使用FPGA巾高達4 Mbit容量的存儲器。由于該器件具有乘法器，可輔助DSP器件完成一些計算密集型的算法。
由于一般采用品振作為時鐘源，通過上下變頻得到各個單元需要的時鐘，但這又提高了系統(tǒng)的復雜度。這里采用CycloneⅢ系列FPGA可方便地解決此問題．EP3C120內部集成有4個PLL單元，各個PLL可為不同模塊提供不同的時鐘，只需為系統(tǒng)提供一個高穩(wěn)定的晶振，通過PLL單元進行時鐘上下變頻即可。
3 基于FPGA實現(xiàn)異步FIFO設計
異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數(shù)據在一個時鐘域寫入FIFO而在另一個時鐘域又從該FIFO中將數(shù)據讀出。異步FIFO通常被用來將數(shù)據從一個時鐘域安全地傳送到另一個時鐘域。FIFO可作為A／D轉換器件和DSP間的橋梁。使用FIFO作為輸入緩沖，由A／D轉換器件把采樣轉換的值同步寫入FIFO，每寫入一塊數(shù)據便向DSP發(fā)出一個信號，以提醒DSP從FIFO中讀取數(shù)據塊。這樣比單次讀的效率要高的多，不會有數(shù)據丟失，且僅占用少量的系統(tǒng)資源。設計一個異步FIFO，讀寫使能由不同的時鐘激勵控制輸入和輸出數(shù)據，空／滿標志既用來防止數(shù)據的上溢和下溢，也作為寫入／讀出控制邏輯的輸入信號，用來控制A／D數(shù)據采樣過程和對DSP數(shù)據的傳輸。當FIFO輸出滿標志時，寫入控制邏輯停止A／D采樣，等待滿標志無效時恢復數(shù)據采樣。從而防止數(shù)據丟失。當FIFO輸出空標志時，讀出控制邏輯停止DSP的數(shù)據讀取，等待空標志無效時恢復數(shù)據讀取。圖1中FPGA內的寫入／讀出控制邏輯使用有限狀態(tài)機設計，有限狀態(tài)機能有效的進行讀寫時序控制，根據A／D和處理器的時序控制原理畫出狀態(tài)轉移圖，進行編程設定。
FIFO的參數(shù)指標直接影響數(shù)據采集速度。首先，F(xiàn)IFO的讀寫速度要足夠快，其工作頻率至少要大于等于A／D轉換器件的采樣率，才能充分發(fā)揮A／D轉換器件的高采樣率并保證無數(shù)據丟失。其次，F(xiàn)IFO的存儲容量要適宜，容量過大會造成資源浪費，容量過小會造成溢出或數(shù)據采集速度過慢。系統(tǒng)FIFO采用EP3C120實現(xiàn)。由FPGA實現(xiàn)異步FIFO時，可方便的根據A／D轉換器的采樣精度和DSP數(shù)據寬度設計FIFO的輸人數(shù)據寬度和輸出數(shù)據寬度，且采用PLL設計后，可方便的調整FIFO寫入端和讀出端的時鐘頻率，使FIFO設計的高速緩存具有一定的通用性。異步FIFO是在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下利用其IP核設計的，該設計的異步FIFO可支持高達256位的數(shù)據寬度；支持存儲的最大深度可達131 072words，同時支持空滿標志位。表1給出系統(tǒng)在不同存儲深度時消耗FPGA片內資源的情況。可見，針對不同的數(shù)據采集需求，可利用Ahera公司提供的參數(shù)化的IP核方便的選擇FIFO的數(shù)據位寬度及存儲深度，避免資源浪費。
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