CN204178360U - 一种多路信号采集处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种多路信号采集处理电路，包括可同步采集若干模拟中频信号的信号采集子板、对采集的信号数据进行分析处理的信号处理板；所述信号采集子板和信号处理板通过FMC标准接插件连接。可以实现多路宽带模拟中频信号的高速采集、传输、处理，同时具有大容量数据存储、传输能力等。此外，板卡采用子板加母板的架构，用FMC标准接插件连接AD采集子板与信号处理、传输母板。只要更换不同的AD子板，就可实现系统对多路AD更高采样率的需求，而无需更换信号处理板。板卡设计灵活性强，同时板卡还具有尺寸较小的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信领域，具体涉及一种多路信号采集处理电路。
背景技术
多路信号采集处理电路主要应用于软件无线电、雷达信号侦测接收、宽带通信数字接收机、电子对抗、数字仪表等需要多路高速信号处理的场合。这些应用中都要求系统具有能对多路宽带信号采集、高速处理、大容量存储、高速传输的能力。
当前业内大多数的数据采集处理设备存在量化位宽低、采样带宽小、信号处理能力不强、通用性差等缺点。
发明内容
本实用新型的目的是：提供一种多路信号采集处理电路，可以实现多路宽带模拟中频信号的高速采集、传输、处理，同时具有大容量数据存储、传输能力等。此外，板卡采用子板加母板的架构，用FMC标准接插件连接AD采集子板与信号处理、传输母板。只要更换不同的AD子板，就可实现系统对多路AD更高采样率的需求，而无需更换信号处理板。板卡设计灵活性强，同时板卡还具有尺寸较小的优点。
本实用新型的技术方案是：一种多路信号采集处理电路，包括可同步采集若干模拟中频信号的信号采集子板、对采集的信号数据进行分析处理的信号处理板；所述信号采集子板和信号处理板通过FMC标准接插件连接。
进一步的，所述信号采集子板上设置有一个FMC公头接插件，所述信号处理板上设置有对采集的信号数据进行预处理的FPGA芯片和一个FMC母头接插件，所述FMC公头接插件通过通信处理板上的FMC母头接插件连接于FPGA上，将采集的信号数据输送至FPGA芯片上。
进一步的，所述FMC标准接插件拥有160个用户自定义的单端IO口或80个差分IO，在信号处理板上以80对差分等长信号的方式连接到FMC接插件上，使信号处理板可兼容多种不同信号连接方式的信号采集子板。
进一步的，所述信号采集子板上设置有若干个ADC和与ADC一一对应连接的由两级变压器组成的变压器组信号调理电路，分别接受外部输入的模拟中频信号，形成若干个相互独立的数据采集通道。
进一步的，所述信号采集子板上设置有一个时钟产生电路，输出的同频同相的时钟分别信号传输至若干个ADC和一个FPGA芯片，控制ADC输出数据的同步接受处理。
进一步的，所述FMC标准接插件的尺寸为69±1mm×76.5±1mm。尺寸较小。
进一步的，所述FMC标准接插件采用贴片的BGA封装。抗震性能较好。
进一步的，所述FMC标准接插件采用标准化电源，使得兼容性较强。
本实用新型的有益效果是：一种多路信号采集处理电路，可以实现多路宽带模拟中频信号的高速采集、传输、处理，同时具有大容量数据存储、传输能力等。此外，板卡采用子板加母板的架构，用FMC标准接插件连接AD采集子板与信号处理、传输母板。只要更换不同的AD子板，就可实现系统对多路AD更高采样率的需求，而无需更换信号处理板。板卡设计灵活性强，同时板卡还具有尺寸较小的优点。
该设计基于多路高速ADC采集电路，FMC接口以及高速大容量数据存储、传输接口，来完成对多路宽带信号的同步数据采集、传输、处理。时钟产生和同步电路产生满足保证高速ADC信噪比和同步性要求的多路时钟。多路高速ADC电路部分完成对多路宽带模拟数字信号的转换。FMC接口部分使得该采集电路可以使用于基于FMC的信号处理板上，使得该同步采集电路的通用性较强，信号处理电路部分使得板卡具有能对多路宽带信号采集、高速处理、大容量存储、高速传输的能力。该电路可以应用于无线通信，电子侦察，数字仪表，导航，探测，电子对抗等多种领域。
附图说明
图1为一种多路信号采集处理电路组成框图；
图2(a)为AD子板和信号处理母板3D示意图；
图2(b)为AD子板和信号处理母板3D示意图；
图3为AD采集子板框图；
图4为FPGA与DSP之间的互联接口。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型设计一种多路信号采集处理电路是由多路信号采集板，信号数据处理板两块构成，中间通过FMC接插件进行无缝对接，可灵活更换采样率不同的子板。多路信号采集处理板框图如图1所示。
本设计提出一种信号采集板与信号处理板分开的架构，中间通过FMC接插件J5，J6连接。整板的主要功能为同步采集四路模拟中频信号，通过FMC接插件传给FPGA，FPGA接收到数据后进行数据预处理，包括数字下变频，数字信道化等操作，然后把预处理后的数据发送给后端的DSP做进一步数据分析、处理。DSP处理后的最终数据可以通过板上的千兆网口J4传给 上位机分析。实现了对四路模拟中频信号同步采样，并把采集后的数据进行信号处理分析的功能。
信号采集板包括4路ADI ADC AD9265，1片IDT时钟分配芯片ICS8533 I-01，4个变压器组，7个SSMB-JWHD接插件，1个板上时钟产生芯片SI570，1个SAMTEK FMC公头接插件等。
信号处理板主要包括一片Xilinx FPGA芯片XC5VSX95T-1136I，1片TI DSP芯片TMS320C6455，多个电源转换芯片，多片DDR2，2片Flash，1个7芯电源接插件，2个60芯CPCI接口。1个FMC母头，1个RJ45千兆网口。
信号采集板主要采样能力为4路125MHz,16bit的ADC
信号处理板整板电源设计能力为+12V/3A和+5V/6A，采用两级电源的方案，第一级为DC-DC电路，第二级为线性直流稳压电源LDO。板上FPGA对外接口为FPGA的4路GTP信号，设计速率3.125Gbps，DSP对外预留高速接口为Rapid IO高速接口，设计速率2.5Gbps。FPGA与DSP之间通信接口为EMIFA接口，DSP对外互联通信接口主要为RJ45千兆网口。此外，整板支持外部触发功能，用于控制对四路模拟信号的同步采集、处理等。
板上数据存储能力主要设计为FPGA部分可存储8Gb的数据，DSP部分可存储4Gb的数据。
板卡的3D示意图如图2(a)和图2(b)所示。
1、AD子板的设计
AD子板的框图如图3所示。
AD采集子板主要由4路125MHz，16bit的AD9265和采样时钟产生电路组成。
4路ADC接收4路外部输入模拟中频信号，J9、J10、J11、J12分别通过一个由两级变压器组成的变压器组信号调理电路与ADC相连，形成4个相互独立的数据采集通道。每片AD都是单通道的，以防止外部输入的中频信号之间的串扰。
时钟产生电路主要产生4路ADC采样时钟。时钟产生电路主要芯片为IDT公司的ICS8533I-01，该芯片为时钟分配芯片，支持外部LVPECL时钟输入。本设计中板上时钟产生芯片采用Silicon labs公司SI570芯片，该芯片可编程输出10-800MHz的LVPECL时钟。外部LVPECL时钟由AD9518-4ABPZ产生，可产生抖动指标为225fs的时钟。外部时钟源产生的时钟经ICS8533I-01输出5路同频同相的时钟，其中4路给4片ADC，第5路直接经FMC接插件连接到FPGA的BANK3上，可作为FPGA的接收数据时钟。
4路ADC中频数字化后的信号，ADC的4路独立的SPI配置信号等都是通过FMC公头接插件接通信处理板上的FMC母头连FPGA上，可以由FPGA灵活配置四路ADC的内部寄存器。同 步触发信号是由外部主控板产生的控制信号，该信号由AD子板通过FMC连接到FPGA上，可以用于控制对4路ADC数据的同步接收、处理等操作。
AD子板采用FMC单宽度标准设计，尺寸小巧、操作灵活。
2、信号处理板的设计
信号处理板主要由FPGA、DSP、DDR2、CPLD、千兆网芯片，电源模块，Flash等构成芯片及外围电路构成。
主芯片为XC5VSX95T、TMS320C6455。FPGA完成对AD子板采集的数据的接收，存储，及数据预处理，处理完成后，通过EMIF口把数据发送给DSP做进一步的数据分析，DSP把处理后的数据通过千兆网口传给上位机做进一步分析、处理、显示等。
FPGA部分
FPGA接收到的ADC采集的数据可以直接由FPGA进行数字下变频、信道化接收处理后传给DSP，也可以直接存储到板上的DDR2中，后续再做数据分析。每片FPGA上外挂两组DDR2，每组由两片各16bit 2Gb的Micron公司的DDR2构成32bit 4Gb的DDR2(型号为MT47H128M16RT)，共8Gb的数据存储能力。两组DDR2可以单独使用，也可以进行乒乓操作，两组DDR2还可以组成一个64bit 8Gb的存储空间。
此外，FPGA外挂32Mb的Flash用于程序存储。
FPGA通过60芯接插件J2连接到底板上，该接插件上走的信号如下：
X1：12根信号线组成2路AGC SPI控制信号，这两组信号中每组时钟和数据线复用，片选信号不同。
X2：与ARM互联的SPI一组，4个IO；
X3：32根频合控制线，共8组SPI线；
X4：3个IO，主要有完成软件复位，板卡电源，温度状态指示；
X7：4路GTP信号共16根线。4路GTP的最高可传速率3.125Gbps；
X8：3路槽位标识信号，用于在区分底板上不同的信号处理板；
X9：FPGA通过J3引出的27个预留IO口，兼容3.3V、2.5V、1.8V。
J6：J6接插件为FPGA的FMC接插件，该接插件为400pin贴片接插件，支持高速数据传输，数据速率可达10Gbps，FMC标准只要求核心I/O收发器电路直接连接至载卡上的FPGA即可。使用FMC标准接插件使得板卡的可重用性好，此外，该接插件尺寸较小69mm×76.5mm，本设计采用的FMC-HPC标准，具有400pin，拥有160个用户自定义的单端IO口或80个差分IO，同时还有10组高速串行收发器。标准化电源使得兼容性较强，贴片的BGA封装也使得抗 震性能较好。
本设计中，FPGA的FMC接插件，所有的160个用户自定义IO口，在信号处理板上以80对差分等长信号的方式连接到FMC接插件上，使得该处理板可兼容多种不同信号连接方式的AD子板。
DSP部分
该信号处理板上DSP主要功能是用来对FPGA预处理后的数据做进一步的数据分析和处理，并将处理后的数据通过千兆网口J4传给上位机做处理、显示结果等。
DSP上外挂由2片Micron公司的MT47H128M16RT组成的一组32bit的共4Gb存储空间的DDR2。此外，DSP外部连接一片128Mb的程序存储器Flash。
60芯接插件J3与DSP连接的信号有X5，X6，X10。
X5:DSP的通用IO口GPIO12-GPIO15，这4个IO口通过60芯接插件连接到底板上，可以作为与其它信号处理板之间的控制信号使用。
X6：DSP的高速串行接口Rapid IO接口，该接口通过60芯接插件J3连接到底板上，可以实现不同信号处理板之间的互联。该接口通过4对差分信号传输数据，以满足高速数据的传输。该接口还有一组Rapid IO发送时钟，一组Rapid IO接收时钟。
X10：通过J3发送由其他信号处理板通过底板产生的Rapid IO同源时钟，接入板内的时钟分配芯片CDCLVD1208。产生本信号处理板需要的各路时钟，其中包括两路FPGA的全局时钟，三路FPGA的GTP时钟，一路FPGA用于提供给其他信号处理板的GTP同源时钟，一路DSP的Rapid IO时钟，一路输出给其他信号处理板上DSP的Rapid IO同源时钟。
FPGA与DSP之间的互联接口
本设计FPGA与DSP之间的互联接口如图4所示：
如图4所示：FPGA与DSP之间的接口有三个：
1、FPGA挂在DSP的EMIFA接口的CE2，CE3，CE4，CE5空间上。此外由于数据总线是64位的，故对应的寻址空间是8MB。FPGA通过使能端CE2、CE3、CE4、CE5管脚可以配置需要通讯数据宽度。FPGA预处理完的数据通过该EMIFA接口传输给DSP做进一步的数据分析和信息提取。
本设计中，使用EMIFA方式，64bit数据线，设计时钟频率为100MHz，因此数据传输能力最高可达800MB/s。
2、同时将DSP的GPIO4，GPIO5，GPIO6，GPIO7四个通用GPIO口连接到FPGA上，DSP可以通过这四个IO口对FPGA发起中断请求，从而与EMIFA接口或MSCBSP接口配合进行FPGA 与DSP之间的数据传输。
3、此外，将DSP的两个MCBSP接口,都通过CPLD连接到FPGA上，
图3中芯片XC2C256是一个CPLD，主要功能是对板子上电顺序进行管理，同时作为FPGA与DSP之间的数据转接口。
整板的加载方式
DSP原始程序存在与DSP PROGRAM FLASH中，DSP通过PROGRAM FLASH进行加载。FPGA可通过XCF32P以从串模式加载。如果DSP更新FPGA程序不成功，可以恢复其原始配置；如果要更新FPGA的配置，可以用DSP通过MCBSP接口将要更新的数据通过CPLD配置给FPGA，实现程序的更新，而DSP可以控制CPLD来实现加载FPGA，并且可以选择加载程序是原始程序还是更新后的程序。FPGA加载成功后会有有一个响应信号，CPLD可通过检测FPGA是否已加载成功而决定是否实施重加载，或者可以通过拨码开关来选择让CPLD对FPGA进行加载。
3、实施效果
本设计设计了一种多路信号采集处理的板卡。提出一种信号采集板与信号处理板分开的架构。整板的主要功能为同步采集四路模拟中频信号，通过FMC接插件传给FPGA，FPGA接收到数据后进行数据预处理，包括数字下变频，数字信道化等操作，然后把预处理后的数据发送给后端的DSP做进一步数据分析、处理。处理后的最终数据可以通过板上的千兆网口J4传给上位机分析。实现了对四路模拟中频信号同步采样，并把采集后的数据进行信号处理分析的功能。
该设计可应用于无线通信，电子侦察，数字仪表，导航，探测，电子对抗等多种领域。
Claims (8)
1.一种多路信号采集处理电路，其特征在于：包括可同步采集若干模拟中频信号的信号采集子板、对采集的信号数据进行分析处理的信号处理板；所述信号采集子板和信号处理板通过FMC标准接插件连接。
2.根据权利要求1所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述信号采集子板上设置有一个FMC公头接插件，所述信号处理板上设置有对采集的信号数据进行预处理的FPGA芯片和一个FMC母头接插件，所述FMC公头接插件通过通信处理板上的FMC母头接插件连接于FPGA上，将采集的信号数据输送至FPGA芯片上。
3.根据权利要求2所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述FMC标准接插件拥有160个用户自定义的单端IO口或80个差分IO，在信号处理板上以80对差分等长信号的方式连接到FMC接插件上，使信号处理板可兼容多种不同信号连接方式的信号采集子板。
4.根据权利要求2所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述信号采集子板上设置有若干个ADC和与ADC一一对应连接的由两级变压器组成的变压器组信号调理电路，分别接受外部输入的模拟中频信号，形成若干个相互独立的数据采集通道。
5.根据权利要求4所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述信号采集子板上设置有一个时钟产生电路，输出的同频同相的时钟分别信号传输至若干个ADC和一个FPGA芯片，控制ADC输出数据的同步接受处理。
6.根据权利要求1所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述FMC标准接插件的尺寸为69±1mm×76.5±1mm。
7.根据权利要求1所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述FMC标准接插件采用贴片的BGA封装。
8.根据权利要求1所述的一种多路信号采集处理电路，其特征在于：所述FMC标准接插件采用标准化电源。
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