一種基于LTC2270的高速數據采集器設計與實現

馬延軍，張　紅，李新民，康曉非

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

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一種基于LTC2270的高速數據采集器設計與實現

馬延軍，張紅，李新民，康曉非

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

摘要軟件無線電系統已經得到了廣泛的應用，然而高速及高動態范圍的數據采集仍然是其設計難點之一。針對此難點問題，基于LTC2270高速AD采樣芯片及USB2.0接口芯片FT232H，設計了一款高速數據采樣模塊，其最高傳輸速率達到了40 Mbytes/s，對應16 bits量化的AD芯片，其符號速率達到20 Msymbols/s。其中，采用了Altera公司的EP3C5可編程器件完成了對LTC2270與FT232H的時序控制。在頻譜分析儀的配合下，完成了對中頻信號的直接采樣。實驗結果表明，該系統能提供大約77 dB的動態范圍，可廣泛應用于軟件無線電平臺及通信信號采集與處理。

關鍵詞高速數據采集；FPGA；LTC2270；USB2.0

Design and Implementation of High-speed Data Acquisition System Based on LTC2270

MA Yan-jun,ZHANG Hong,LI Xin-min,KANG Xiao-fei

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’anShaanxi710054,China)

AbstractThe software-defined-radio has been widely adopted,one of the difficulties in design is high-speed and high-dynamic data acquisition.To address this issue,a high data rate acquisition module is designed based on an LTC2270 ADC chip and an FT232H USB2.0 chip,of which the highest transmission speed reaches 40 Mbytes/s and the symbol rate is 20 Msymbols/s for 16 bits quantization of the LTC2270.An EP3C5 FPGA chip is used to control the LTC2270 and the FT232H chips.The direct sampling for IF signal is implemented by using spectrum analyzer.The experiment results show that this system can provide about 77 dB dynamic range,it can be widely used for signal acquisition in communication systems and software-defined-radio.

Key wordshigh speed data acquisition;FPGA;LTC2270;USB2.0

0引言

數據采集系統是信號與信息處理系統的重要組成部分，隨著信息技術和高速互聯技術的飛速發展，人們面臨的信號處理任務越來越繁重，數字信號處理的速度和精度要求也越來越高。這些高速數據采集系統廣泛應用于各類儀器儀表、電子通信及軟件定義無線電(SDR)等領域[1-7]。衡量其性能的關鍵參數有采樣速率、采樣精度及數據采集深度等幾個方面。現有的高速數據采集系統常采用PCI、通用串行總線USB及以太網等接口與PC機交換數據。其中PCI總線接口技術進一步發展為PCIe，廣泛用于計算機采集系統。USB的接口速率由USB1.0規范中定義的1.5 Mbps一直發展到USB3.0接口規范的5 Gbps。以太網作為計算機局域網組網技術，其傳輸速率也發展到千兆以太網，現在已廣泛配置在標準PC機上面。相對而言，USB2.0接口速率為480 Mbps且應用廣泛、成本低廉。因此，選擇了USB2.0作為高速采樣系統與PC機的交互接口。

高速數據采集系統的主要組成部分包括高采樣率ADC、大存儲深度及數字信號處理單元等幾個方面。本文基于Linear公司的LTC2270芯片及FTDI公司的FT232H芯片[8]設計了一款高速數據采集器，采用Altera公司的EP3C5可編程器件實現了對LTC2270芯片及FT232H芯片接口的控制邏輯，與國內外同類設計相比[1-7]，本系統采用較少的邏輯單元完成了USB2.0接口控制與數據采集，顯著降低了高速采集系統的成本。數據量化達到了16 bits，動態范圍達到77 dB。借助于PC機，其數據存儲深度大大增加。本系統可廣泛應用于軟件無線電等高速數據采集系統中。

1系統設計

高速數據采集器系統結構圖如圖1所示，分為基帶處理與模擬前端2個部分。其中，基帶處理部分包括USB2.0接口芯片FT232H、現場可編程器件(FPGA)和模數轉換器等部分。由FPGA控制ADC完成數據采集與緩沖，進而控制FT232H完成與上位機的通信處理。模擬前端為抗混疊低通濾波器，由于ADC最高采樣時鐘為20 MHz，這里前端低通濾波器取其40%，即為8 MHz。PC機在上位機軟件的控制下，完成與FT232H的互操作，讀取數據并保存。

圖1　高速數據采集器系統結構

1.1高速USB2.0接口的實現方法

FT232H是FTDI公司的一款單通道USB2.0高速收發器芯片[8]，可以配置成多種工作模式。此芯片在片上完全完成USB2.0的協議，不需要額外進行USB協議相關的編程。它支持480 Mbit/s高速傳輸及12 Mbits/s全速傳輸。這里采用了USB到同步245并行FIFO操作模式，其最高速率可達40 Mbytes/s。

本文設計的FT232H芯片的接口電路示意圖如圖2所示，其中Mini-USB是USB2.0的接口，93LC56B為FT232H的配置芯片。FT232H的ADBUS與ACBUS全部引出并接到FPGA上面，其中ADBUS是USB接口的8位數據線，ACBUS用于讀寫及相應的控制功能。FPGA芯片將通過ADBUS與ACBUS引腳完成USB2.0高速收發控制。

圖2　FT232H接口電路

1.2LTC2270高速AD采樣芯片

Linear公司的LTC2270芯片是低功耗16位模數轉換器，其標稱SNR達到84.1 dB，SFDR為99 dB，最高采樣頻率為20 MHz，DC指標包括±1 LSB INL，±0.2 LSB DNL。CMOS輸出擺幅為1.2～1.8 V，已廣泛用在通信、軟件定義無線電等系統中。其數字輸出是全速率CMOS，雙數據速率CMOS或者雙數據速率LVDS，可以通過外部引腳配置。文本配置為全速率CMOS傳輸方式，簡化了FPGA開發工作量。

LTC2270芯片及其電路示意圖如圖3所示，2路模擬信號從AD0和AD1接口輸入，經過射頻變壓器ADT16-1T轉化為差分信號后進入LTC2270。在時鐘信號CLK的控制下數據通過D0及D1接口輸出。

圖3　LTC2270部分電路

1.3高速采樣FPGA接口設計

本文設計的FPGA功能模塊圖如圖4所示。

圖4　FPGA內部能夠結構

其板載時鐘芯片為50 MHz，采用了PLL方式以獲得20 MHz采樣時鐘及40 MHz傳輸速率時鐘，ADC芯片接到FPGA上面，FPGA提供ADC芯片采樣的時鐘信號。數據采集與USB控制功能為adc_module功能塊。adc_module功能模塊中包含了adc_ctrl模塊、rate_ctrl邏輯模塊、FIFO模塊和ft232_ctrl模塊。adc_ctrl模塊完成采樣控制，把16 bits的數據轉換為2個8 bits的數據，然后存儲到FIFO模塊中。FIFO模塊為2 048字節的先入先出存儲模塊緩沖處理。采集的數據先暫存到FIFO里面，達到一定數量后經過USB控制邏輯輸出。rate_ctrl模塊用來完成FIFO內容的讀取并交給ft232_ctrl模塊。

2高速采樣測試結果

2.1模塊測試結果

當輸入端開路時候，獲得的采樣數據及其分布特性如圖5所示。輸入電壓的可變范圍為±0.525 V，即峰—峰值為1.05 V，圖5(a)顯示的是沒有任何信號輸入時系統的底噪，可見其峰—峰值在±150 μV左右，從而可以估算出系統的動態范圍約為77 dB。圖5(b)是其采樣數據的分布情況，服從高斯白噪聲分布特性。

圖5　采樣數據及分布

2.2模塊作為中頻直接采樣測試

本例采用了MS2601A頻譜儀，其中頻輸出頻率為3.56 MHz，調整其RBW為300 kHz，正好涵蓋一個GSM載波信號[9-11]。將頻譜分析儀的中頻輸出接口接到此采樣系統，同時將頻譜分析儀接收頻率調到GSM系統的中心工作頻率，本實驗采用了853.8 MHz(頻率值與測試地點有關)，圖6得到了采集的GSM系統主載波的一個時隙。其橫坐標為時間(單位為μs)，縱坐標為中頻采樣后的電壓值，可清晰觀察到一個GSM時隙的周期大約570 μs。數據采集后，可進一步做分析處理。此模塊可廣泛用于中頻采樣，如對3G移動通信的中頻數據采集等，篇幅所限，不再一一列出。

圖6　采用頻譜儀進行中頻采樣

3結束語

基于LTC2270高速AD采樣芯片及USB2.0接口芯片FT232H，設計了一款直接采樣接收機，可以作為軟件無線電平臺用于HF接收與處理或者作為軟件無線電平臺的基帶部分，用于各類調制信號的采集與后處理。在Matlab的配合下，可以完成擴頻接收與解調處理、OFDM接收與解調處理等。

參考文獻

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馬延軍男，(1978—)，博士，講師。主要研究方向：移動通信與軟件無線電等。

張紅女，(1971—)，碩士，副教授。主要研究方向：信息論與編碼。

作者簡介

基金項目：陜西省教育廳自然科學研究項目(15JK1470)；西安科技大學培育基金(201355,201357)；2014年度校級教育教學改革與研究項目(JG14029)。

收稿日期：2015-11-11

中圖分類號TN911；G642

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0065-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.18

引用格式：馬延軍,張紅,李新民,等.一種基于LTC2270的高速數據采集器設計與實現[J].無線電工程,2016,46(3):65-67.