基于FPGA的高速DMUX设计

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基于FPGA的高速DMUX设计

; v2 ^8 G6 F" J0 d, E3 X引言
& ]0 ^/ ?! T' c) ]   随着信号速率和带宽的提高，信号采集的速率也相应地不断提高。如今模数转换器的速率已经达到1 GS/s。甚至2 GS/s。高速模数转换器输出数据流速率为赫兹千兆比特，会增加后端存储器和数据处理器件的设计难度，因此降速分流成为解决这一问题的必要方法。
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9 e1 I1 U, p) O6 E/ P1 ^0 I2 降速分流的方法
7 J  I! q* o; g    降速分流通常有两种实现方案：一是使用DMUX专用集成器件，另一种是在FPGA上实现DMUX。
    一般地说，这两种方式都能很好地实现降速分流，在性能上并无优劣之分。但是从整个系统考虑，第二种方式相对优于第一种方式，原因如下：
. ~0 {" a5 w/ E& J. f- U% A& ~    (1)由于工艺方面的限制，DMUX专用集成器件工作模式比较单一，且不能改变。通常DMUX专用集成器件如TS81102(Atmel公司)可以实现1：8模式(将数据速率降为原先的1/8，并给出8路输出)或者1：4模式(将速率降为原先的1/4，并给出4路输出)。
    (2)DMUX专用集成器件输出的数据速率越低，其输出占用的数据线就越多，而要减少数据线，其数据速率又会相应提高，因此无论其采用何种工作模式，PCB设计难度都很大。
    (3)DMUX专用集成器件功耗大(平均要高于5W)，要使其正常工作，电源供电和散热问题会增加设计成本和设计难度。
, R3 X& U) S8 B0 D/ X, g    (4)DMUX专用集成器件属于特殊芯片，不容易购买。
    因此选用另一种方式来代替DMUX专用集成器件显得很必要。
, S  N& I0 F' w2 Z4 E, A0 C  }+ a! D    基于ALTEra公司FPGA就可以实现DMUX的功能。其最大的优势在于存储模块和数据处理模块可以同时在FPGA中实现，相比较DMUX专用集成器件+FPGA这样的设计系统来说，结构上简化很多，而信号完整性却在很大程度上得到提高。
# k$ t- u) n6 E- C' Y1 k$ {    下面就以1：8工作模式为例，对两种方式的设计方案进行比较。
! `$ x9 T6 W+ b) P0 x    图l所示是采用DMUX专用集成器件的设计方案。模拟信号经过高速ADC转换后，输出高速率的8位数据和l位时钟Clkl，这些信号经过DMUX分流后再形成8路64位的数据和l位时钟Clk2(此时钟降为原先的1/8)。随后FPGA用Clk2来采样这些64位数据，再在控制信号的控制下处理这些数据。

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+ R, B9 h% ~2 h# ]    利用FPGA实现DMUX后，就可以将DMUX和FPGA整合到一起，如图2所示。

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: }: Y7 K3 i4 L& r' Q  k    与图1相比，图2在PCB设计上省略了DMUX和FPGA之间的64位数据线和1位时钟线，而这些数据线和时钟线通常会高于100 MHz，所以对PCB布线任何考虑不周都会造成信号完整性的严重下降。在图2中，DMUX在FPGA内直接实现，这可以在很大程度上提高设计的成功率，关键就是看FP-GA能不能接收ADC的8位高速数据和1位高速时钟。而实际上FPGA确实可以做到，下面就对其实现的各个方面分别加以介绍。
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3 基于FPGA的DMUX实现的关键
3.1 器件的选择
    要在FPGA中实现DMUX，FPGA必须具备两个条件：一是多个高速差分接收端口；二是FastDPLL(快速数字锁相环)。许多FPGA都能满足此要求，如Xilinx的Virtex4、Virtex Pro系列，Altera的Stratix系列(Stratix GX、StratixⅡ和Stratix)。它们在应用上各有特色，下面仅以Altera的Stratix系列为例来说明实现方式。
2 h! y/ A1 b" R, @2 G/ j# v3.2 引脚的配置
% C5 R& C* @/ k) Q2 _" `1 F    要接收ADC的高速数据和时钟输出，必须将这些信号引脚配置到高速差分接收引脚上。但并不是所有的差分引脚都能作为高速差分接收引脚。数据接收引脚一般定义为DIFFIO_RX_P、DIF-FIO_RX_N，时钟接收引脚一般定义为CLK_DIF-FIO_RX__P、CLK_DIFFIO_RX_N。
    在引脚的设置位置上也有一定的要求，如Stratix GX器件只可以在BANKl、2的差分引脚上实现；Stratix Ⅱ器件只可以在BANK3、4、7、8的差分引脚上实现；而Stratix器件可以在BANKl、2、5、6的差分引脚上实现。如果接收ADC信号的引脚不是配置在这些引脚上,那么就不能在FPGA内实现DMUX来接收这些高速信号。
    对于时钟引脚，也要配置在这些BANK的专用时钟引脚上。如果有多个这样的时钟引脚可供选择,则应当选择那些Cload(负载电容)更小的引脚，这对于提高数据的接收速率很有帮助。
3.3 软件设置
3.3.1 FPGA片上阻抗的实现
    接收模数转换器输出的高速差分线一般都需要终端阻抗匹配，如果这些终端匹配电阻都依靠片外电阻实现，就会增加PCB布局布线的难度和降低接收的信号完整性。FPGA的差分接收端口一般都带有差分片上阻抗匹配，如图3所示。

    阻抗(RD)在100 Ω~170 Ω之间,其典型值为135 Ω，接近于差分线的差分阻抗。依靠这些片上匹配电阻，则不需要再外接电阻，并且会达到比外接电阻更好的效果。
. r/ w. g$ @" v: D, g    软件方面只需设置终端阻抗为Differential。
3.3.2 FPGA高速差分接收模块的实现
    在FPGA上主要是通过调用altLVDS模块来接收ADC输出的高速差分数字信号，如图4所示。

  g' C. D4 `. o5 O; Y1 N    altlvds模块内集成有Fast DPLL，通过它可以以45°为一级精确地调整输入时钟沿与数据之间的关系，从而保证建立和保持时间能够满足要求。
; Q1 }7 M  k/ E; `* {    altlvds模块还利用输入时钟对输入数据进行双沿采集，将其转换为并行的多路数据。
    其输入数据的通道数和分路比也可以通过软件灵活设置。设置的接收数据通道数最多为44通道(受限于FPGA的高速差分接收引脚数)，最多可设置的分路比为1：10模式。
    此外，此模块上可以设置接收的最高数据速率为840 Mb/s，最高接收时钟为420 MHz。
- P1 k. A( S0 T0 r" \7 X3.4 软件仿真
    在QUARTus Ⅱ中进行DMUX后的仿真结果如图5所示，输入数据(idata)为800 MHz，输入时钟(in-clk)为400 MHz。从仿真波形上可以看到，虽然输出的数据不是对得很准，但是输出的时钟(kaniclkp)可以保证能够完整地接收数据。

( K7 c8 ?* c. T4 T    将输入数据(idata)改为l 000 MHz，输入时钟(inclk)改为500 MHz，其仿真结果仍然不错。
3.5 PCB设计
7 s: y. C3 Z  k  h9 S    要使FPGA能够很好地接收模数转换器的输出信号，首先应该保证它们之间布线的差分阻抗满足要求。另外每对差分线要紧邻并且近似等长。
    此外要尽量将FPGA的高速差分接收引脚配置在FPGA的外围，以保证模数转换器和FPGA的连线上尽量没有过孔。
. d( {/ D1 i$ a) q    PCB板材的选择也很重要，要尽量保证它们之间的布线都布置在最外层，并且布线板层要尽量选介质常数小的材料。
    为了模块中的内部锁相环能够正常工作，还应该将内部锁相环的供电电源与外部数字电源隔开。图6中示出了一种电路连接方式，通过大电感将两种电源隔开，再通过多个电容并联滤波，以保证供给内部锁相环电源的稳定性。
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4 结束语
! l$ G+ v6 _* B; e1 V1 j  h    经过实际测试，利用FPGA替代DMUX专用集成器件来接收模数转换器输出的信号，其接收的数据速率已经超过1 Gb/s，高于器件资料上给定的840 Mb/s的最高速率，完全达到设计要求。

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