高性能GSPSADC為基于賽靈思FPGA的設(shè)計(jì)解決方案帶來板載DDC功能

寬帶每秒數(shù)千兆個(gè)樣本(GSPS)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 為高速采集系統(tǒng)帶來眾多性能優(yōu)勢(shì)。這些ADC在高采樣率和輸入帶寬下提供較寬的可見頻譜。然而，有些情況需要寬帶前端，有些則要求能夠?yàn)V波并調(diào)諧為較窄的頻帶。

當(dāng)應(yīng)用只需要較窄帶時(shí)，用ADC采樣、處理和傳送寬帶頻譜本身就低效，而且還耗能。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路占用賽靈思FPGA中的大量高速收發(fā)器，只為在后續(xù)處理中對(duì)寬帶數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和濾波時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不必要的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。賽靈思FPGA收發(fā)器資源可以得到更好的分配，以接收所需的低帶寬并疏導(dǎo)來自多個(gè)ADC的數(shù)據(jù)?？稍贔PGA的多相濾波器組信道器中針對(duì)頻分復(fù)用(FDM) 應(yīng)用進(jìn)行額外濾波。

高性能GSPS ADC現(xiàn)將數(shù)字下變頻(DDC)功能在信號(hào)鏈中進(jìn)一步提升，以使其位于基于賽靈思FPGA的設(shè)計(jì)解決方案的ADC之中。該方案為高速系統(tǒng)架構(gòu)師提供了多種新的設(shè)計(jì)選擇。然而，由于該功能對(duì)ADC來說相對(duì)比較陌生，因此工程師可能就DDC模塊在GSPS ADC中的運(yùn)行存在一些設(shè)計(jì)相關(guān)問題。讓我們理清一些最常見的問題，以便設(shè)計(jì)人員能夠更有信心地使用這種新技術(shù)。

為了充分獲得DDC的性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)中還要包含濾波器-混頻器組件以作為抽取的補(bǔ)充。

什么是抽??？

最簡單的定義，抽取就是只觀察ADC輸出樣本中具有周期性的子部分，而忽略其他部分。結(jié)果就是通過下采樣來有效降低ADC采樣率。例如，ADC的M抽取模式只輸出第M批樣本中的第一個(gè)，舍棄之間的所有其他樣本。對(duì)每個(gè)M的倍數(shù)，重復(fù)該方法。

樣本抽取本身只能有效減小ADC采樣率，并相應(yīng)地作為低通濾波器。如果沒有頻率變換和數(shù)字濾波，抽取只會(huì)在頻域中將基波的諧波以及其他雜散信號(hào)相互疊加。

DDC的作用是什么？

既然抽取本身無法阻止頻帶外信號(hào)的疊加，那么DDC是如何做到的？

為了充分獲得DDC的性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)必須包含濾波器-混頻器組件作為抽取功能的補(bǔ)充。數(shù)字濾波能從狹義上的頻帶（由抽取比率設(shè)定）中有效消除帶外噪聲。DDC的典型數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)方案是一個(gè)有限脈沖響應(yīng)(FIR) 濾波器。由于沒有反饋，這種濾波器只與過去的輸入有關(guān)。濾波器的通帶應(yīng)匹配抽取后的轉(zhuǎn)換器有效頻譜。

DDC濾波器應(yīng)該多寬？

DDC的抽取比率通?；谡麛?shù)因數(shù)，即2的冪次方（2, 4, 8, 16等）。不過，抽取比率實(shí)際上可以是基于DDC架構(gòu)的任意比率，包括小數(shù)抽取。對(duì)于小數(shù)抽取的情況，在抽取前通常需要一個(gè)插值計(jì)算模塊來實(shí)現(xiàn)有理分?jǐn)?shù)比率。

圖1 – 采用低通濾波器和NCO的頻率變換可在所需頻率下有效實(shí)現(xiàn)帶通濾波器。頻率規(guī)劃能確保不想要的諧波、尖刺和圖像落在頻帶以外。

圖2 – 抽取比率為8的DDC能讓賽靈思Artix-7的16 GTP 6.6Gbps收發(fā)器支持八個(gè)ADC，每個(gè)都通過兩條JESD204B通道傳送抽取后的I/Q數(shù)據(jù)，反之只能支持兩個(gè)ADC，每個(gè)通過八條通道輸出完整帶寬。

理想情況下，數(shù)字濾波器應(yīng)準(zhǔn)確匹配抽取頻率帶寬并濾去頻帶以外的一切干擾。然而，實(shí)際的有效濾波器帶寬無法準(zhǔn)確匹配抽取比率的整個(gè)帶寬。因此，濾波器帶寬將是抽取頻率的一定百分比，例如85%或90%。舉例來說，抽取因數(shù)為8的濾波器的有用帶寬實(shí)際上可能是采樣率除以10或fs/10。DDC濾波級(jí)必須具備較低的通帶紋波和較強(qiáng)的阻帶混疊抑制能力。

頻率是固定的嗎？

下個(gè)問題是DDC濾波器的頻率是固定的，還是能進(jìn)行調(diào)諧并集中于某個(gè)所需的特定頻帶。

我們已經(jīng)討論了DDC的抽取和濾波級(jí)。不過，只有在所需頻率處于從DC開始的濾波器通帶之內(nèi)時(shí)才有意義。如果不是這樣，我們需要采取方法將濾波器調(diào)諧到不同的頻譜部分以觀察有用信號(hào)?？衫脭?shù)控振蕩器(NCO)在第一個(gè)或第二個(gè)奈奎斯特區(qū)域內(nèi)調(diào)諧窄帶。NCO用來將濾波器頻帶調(diào)諧和混合到寬帶頻譜的不同部分（圖1）。

數(shù)字控制字提供采樣率的小數(shù)分頻器，頻率布置分辨率由數(shù)字控制字中所使用的位數(shù)來設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有用頻帶的混合?？刂谱志邆湎鄳?yīng)的調(diào)諧范圍和分辨率，以便將濾波器放在所需的位置。典型的NCO控制字可能多達(dá)48位分辨率，跨越采樣頻率的兩個(gè)奈奎斯特頻帶，這對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說足夠了。

NCO帶有一個(gè)混頻器。該器件工作方式很像模擬正交混頻器，可將NCO頻率作為本地振蕩器，以執(zhí)行對(duì)真實(shí)、復(fù)雜輸入信號(hào)的下變頻。