基于并行處理的超高速采樣系統(tǒng)研究與實現.pdf

1、隨著現代科技的飛速發(fā)展，在通信、計算機、航空航天等應用領域中的電子信號呈現出復雜化與多樣化等特征，如信號的頻率不斷增長、帶寬不斷拓寬、瞬時性不斷增加、非平穩(wěn)特性急劇增長。為了能夠準確獲取具有這些復雜特征的信號，其所需的數據采集系統(tǒng)對采樣率和分辨率等性能指標提出了更高的要求，特別是對采樣頻率數十GHz、分辨率8位以上的超高速采樣系統(tǒng)（UFSS）的需求與日俱增。模數轉換器（ADC）是數據采集系統(tǒng)的核心器件，然而由于制造工藝和市場產品的限制，

2、目前無法獲得如此高性能的單核ADC器件。為此，為了突破ADC器件性能的限制而獲取更高的采樣率與分辨率，基于并行方式的時基交替模數轉換（TIADC）技術已成為一種提升實時采樣率的非常有效且可行的方法而被廣泛應用于實時獲取非周期信號波形。但是，由于采樣率的提升，UFSS表現出了并行化處理的新特征，給系統(tǒng)設計與實現提出了新的挑戰(zhàn)。
　　本文著眼于解決UFSS中的共性問題，以并行處理方法為研究對象，從并行采樣技術、系統(tǒng)并行構架、失配誤差校

3、正、多器件并行數據同步和并行觸發(fā)定位等方面展開了深入研究，最終在實際工程設計中得到驗證并取得了優(yōu)越的性能，其主要研究成果如下：
　　1）全面分析了TIADC與頻率交替模數轉換（FIADC）并行采樣及其并行失配誤差（PME）的時域與頻域特性，并給出了并行采樣的性能評價指標。然后以UFSS中并行數據傳輸模型為基礎，研究了多器件同步實現的互連拓撲模型與功能邏輯分割算法，進而提出了一種基于功能同步法的邏輯分割解決方案，能夠使得UFSS的數

4、據并行處理更高效、更可靠地實現。最后，綜合并行采樣與并行數據處理的方法，設計了一種基于多ADC多FPGA（MCMP）并行構架的UFSS總體框圖，為實現數十GHz采樣頻率的系統(tǒng)提供了可行的參考。
　　2）建立了在采樣量化過程中參考電壓、信號輸入范圍和分辨位數等參數對并行失配誤差影響的表達式，進而分析出了TIADC系統(tǒng)的PME來源；然后從已有的PME解決方案中提煉出了PME校正的系統(tǒng)實現模型。針對已有方案中時間誤差估計難以實現的問題，

5、提出了一種基于數據統(tǒng)計的PME時間估計算法，并從輸入信號的頻率、噪聲與采樣數據長度等參數對算法的性能作了全面評估。結果表明，本文提出的PME校正方法不僅在各通道增益未知的情況下具有較高的精度，而且還具有較低的計算量和較高的實時性，非常適合在 FPGA中實現。這為超高速TIADC系統(tǒng)的高精度實現提供了強有力的支撐。
　　3）深入地分析了多ADC數據同步（MCS）問題的存在性及其根源，并首次建立了硬件同步與數據組合順序的MCS模型。以

6、此為基礎，從前端硬件復位與后端檢測識別兩個角度分別提出了兩套完整可靠的解決方案：硬件同步校正法和后檢測識別法，同時對其中的關鍵設計參數作了充分的論證與實例化分析。結果表明，本文所提出的解決方案具有更加徹底性、高可靠性和易實現性，為超高速TIADC系統(tǒng)整機性能的進一步提升打下堅實的基礎，也為具有MCS特性的同類系統(tǒng)或儀器提供了可行的設計參考。
　　4）研究了模擬和數字并行觸發(fā)定位方法，進而提出了一種基于解串器的混合型觸發(fā)快速定位方法

7、。它能夠簡化基于并行數據處理的觸發(fā)定位過程，極大地減小觸發(fā)定位所需的處理時間，從而提升了系統(tǒng)波形捕獲率。同時，根據MCMP系統(tǒng)中并行數據傳輸模型與存儲同步控制需求，提出了一種基于延遲器的自動延遲校正方法，能夠簡便且靈活地解決多FPGA間的并行數據存儲同步問題。
　　5）以本文所分析和提出的并行處理方法為基礎，設計并實現了基于MCMP并行架構的20GSPS TIADC系統(tǒng)和脈沖激光的全波形采集系統(tǒng)，然后對并行處理方法進行分項測試以驗