基于FPGA的高速AD動態相位自校準實現

何廣亮，湯曉云

（1.中國空空導彈研究院，河南洛陽，471009；2.空裝駐洛陽地區第一軍代表室，河南洛陽，471009）

0 引言

在信號處理系統中，AD采樣發揮著至關重要的作用，要想保證信號處理結果的正確性，必須首先保證AD采樣數據的正確性。在FPGA的數據接收端，由于數據速率太高，隨路時鐘和數據延時不一致以及線路噪聲的影響[1]，導致單個ADC的多位數據之間存在偏移。由于采樣時鐘不能正確的捕捉到數據有效窗口的中心位置，使通道內數據接收不準確產生數據位偏移[6]。

本文采用ADS4449采樣芯片，采樣率最高達250MSPS，所以在FPGA接收端需要加入校準算法來保證采樣數據的正確性，每次系統重新啟動或者復位后，都需要對系統進行自適應校準。該算法利用Xilinx FPGA中自帶的IDELAYE2[2]延時調整機制，調節IDELAYE2的延時tap，自適應的調整通道內隨路時鐘與數據的延時，實現數據對齊。

1 ADS4449簡介

ADS4449為TI公司推出的高速AD采樣轉換芯片，采樣率最高為250MSPS，精度為14bit，信噪比為69dBFs，無雜散動態范圍為86dBc[3]。ADS4449芯片有多種工作模式，在實際應用中可通過FPGA對其進行配置，使AD芯片在最優性能下工作，配置接口為串行接口，最大工作頻率不超過20MHz，配置時序如圖1所示。

圖1 ADS4449芯片配置時序

ADS4449芯片與FPGA之間用過LVDS總線連接，其14bit四通道數據雙路輸出使用雙沿采樣DDR的源同步方式，以提高數據的吞吐率和總理論帶寬。LVDS模式優勢明顯，在低壓情況下，它的擺幅切換的時間很快,可有效的解決電磁干擾的問題,采用差分傳輸,可實現共模抑制,大大消除了傳輸過程中引入的噪聲干擾[4]。ADS4449的數據輸出接口時序如圖2所示。

圖2 ADS4449數據輸出接口時序

2 軟件設計

軟件設計采用Xilinx公司的Vivado軟件和Verilog HDL語言[5]。硬件上電時，通過FPGA對ADS4449芯片進行配置，首先把ADS4449配置成輸出測試序列模式，在FPGA內部，通過IDELAYE2調整隨路時鐘與數據的延時，使得FPGA采樣時鐘對準數據中間[7]，并記錄下采樣正確時的延時值區間，找到區間的中間值，配置為隨路時鐘與數據的固定延時，最后把ADS4449配置為正常工作模式即可，軟件總體框圖如圖3所示。

圖3中IBUFDS、IDELAYE2、BUFG、IDDR和IDELA YCTRL均為Xilinx提供的原語，IBUFDS為差分I/O輸入時鐘緩沖器，用來把差分LVDS隨路時鐘和數據轉換成單端；IDELAYE2和IDELAYCTR配合使用，調整隨路時鐘的路徑延時；BUFG為全局時鐘緩沖器；IDDR完成雙邊沿高速數據流到單邊沿數據流的轉換工作。

圖3 軟件總體框圖

2.1 IDELAYE2子模塊

IDELAYE2是7 Series FPGA硬件原語，該原語用來調整時鐘或數據的相位，Tap為IDELAYE2的基本延遲單元，每個IDELAYE2有32個Tap，每個Tap的長度在0～78ps之間，能夠實現0～2.5ns的延時。通過在7 Series FPGA Data Sheet中規定的范圍內選擇IDELAYCTRL參考時鐘。IDELAYE2結構圖如圖4所示。

圖4 IDELAYE2結構圖

端口信號如表 1所示。

表1 IDELAYE2接口信號表

在例化IDELAYE2原語時，必須配合使用IDELAYCTRL原語，IDELAYCTRL模塊能夠根據參考時鐘對IDELAYE2的Tap延遲分辨率進行校驗。本設計中參考時鐘為200MHz，IDELAYCTRL單元能夠將Tap延遲值校驗固定為78ps。

2.2 IDDR子模塊

IDDR(InputDouble Data Rate，輸入雙倍數據率)子模塊完成雙邊沿高速數據流到單邊沿數據流的轉換工作[8]。該組件為FPGA中專門用于接收外部雙倍數據速率信號的器件原語。它可以在時鐘的上升沿或下降沿將數據遞送給FPGA，也可以將轉換為只在上升沿傳遞數據,這樣就節省了片上資源,并減小了額外的時序復雜度。IDDR的結構如圖5所示。

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圖5 IDDR結構圖

IDDR端口信號功能如表 2所示。

表2 IDDR端口信號表

IDDR具有3種工作模式,分別為OPPOSITE_EDGE模式、SAME_EDGE模式以及SAMEEDGE_PIPEL1NED模式,其區別在于兩路輸出數據與輸入數據相位關系不同。本文中采用SAME_EDGE_PIPELINED模式，該模式下IDDR的數據分流情況如圖6所示。圖中的雙時鐘沿數據經過IDDR后，輸出兩路數據。該模式的弊端是Q1,Q1信號變化時需要消耗一個額外的時鐘周期延遲。

圖6 IDDR的SAMEEDGE_PIPEL1NED時序圖

2.3 校準算法模塊

此模塊是本文設計的核心內容，主要用來控制IDELAYE2中的延時值以控制隨路時鐘的延時。自校準需要通過特定的訓練序列來實現，本設計中，通過配置ADS4449在測試模式下輸出累加數特征序列。本文中IDELAYE2的Tap值為78ps，一共可以調整32次，即隨路時鐘的最大路徑延時可以達到2.5ns左右。動態相位自校準的核心是通過特征序列從0到1的跳變，找到數據窗口的前沿和后沿，通過計算數據窗口前沿與后沿之間的Tap延時級數確定數據窗口的中心，校準流程如圖7所示。

圖7 工作流程圖

校準的流程如下：

(1)系統剛上電或復位時，配置ADS4449為測試模式，輸出累加數測試序列；

(2)找到數據窗口邊沿。ADS4449輸出數據穩定時，進行采樣比較，由于測試序列為累加序列，在連續200個周期數據都是累加時，即認為當前的Tap延時值正確，表示數據窗口邊沿被找到。

(3)找到數據窗口前沿。當數據窗口前沿被找到時，使Tap的延時級數加1，待輸出數據穩定后，連續比較200個周期的累加數是否正確，如果不正確，則表示時鐘還處在數據邊沿的亞穩態區域，需要繼續增加Tap的延時級數，直到采樣結果正確為止，表示數據窗口前沿被找到，將此延時級數記為N1。

圖8 校準示意圖

(4)找到數據窗口后沿。找到數據窗口前沿時，繼續增加Tap延時級數，直到輸出數據錯誤時為止，表示數據窗口后沿被找到，記錄下此時Tap延時級數為N2；

(5)確定數據窗口中心。數據窗口的中心位置就是前沿和后沿的中心，重新配置Tap延時級數為(N1+N2)/2，以此當作Tap的固定延時；

(6)重新配置ADS4449為正常工作模式。

3 測試結果

硬件采用V7 690t型號FPGA加ADS4449架構，為了便于觀察，設置輸入信號為1MHz的正弦波信號，ADS4449采樣率配置為最高的250MSPS。

3.1 常溫測試

首先測試不采用本算法時，隨機配置一個Tap延時值得AD采樣數據，結果如圖9所示，可見FPGA接收到的信號含有許多毛刺，信號幅度偏小，有時候甚至看不出是正弦波信號。

圖9 不采用本算法時FPGA接收數據

測試采用本算法時的FPGA接收端數據，可見FPGA收到的信號是平滑的正弦波信號，接收數據正確。

圖10 采用本算法時FPGA接收數據

3.2 高低溫測試

測試條件：(1)常溫上電，找到數據窗口中心，然后溫度逐漸降到-50℃，保持一段時間，溫度在逐漸上升到+50℃，并保持一段時間，測試過程中數據一直保持正確；(2)-50℃溫度下分別上電，在-50℃找到數據窗口中心，溫度在逐漸上升到+50℃，并保持一段時間，測試過程中數據一直保持正確；(3)+50℃溫度下分別上電，在﹢50℃找到數據窗口中心，溫度在逐漸下降到-50℃，并保持一段時間，測試過程中數據一直保持正確。

4 結論

本文根據Xilinx FPGA的IDELAYE2延時機制，設計了一種AD動態相位自校準算法，使FPGA數據接收端采樣時鐘邊沿與數據窗口中心對齊，保證了FPGA接收數據的正確性。通過±50℃的高低溫試驗，驗證了該算法穩定可行。