基于FPGA技术实现DMUX专用集成器件功能系统的设计

l、引言

随着信号速率和带宽的提高，信号采集的速率也相应地不断提高。如今模数转换器的速率已经达到1 GS/s。甚至2 GS/s。高速模数转换器输出数据流速率为赫兹千兆比特，会增加后端存储器和数据处理器件的设计难度，因此降速分流成为解决这一问题的必要方法。

2、 降速分流的方法

降速分流通常有两种实现方案：一是使用DMUX专用集成器件，另一种是在FPGA上实现DMUX。

一般地说，这两种方式都能很好地实现降速分流，在性能上并无优劣之分。但是从整个系统考虑，第二种方式相对优于第一种方式，原因如下：

（1）由于工艺方面的限制，DMUX专用集成器件工作模式比较单一，且不能改变。通常DMUX专用集成器件如TS81102（Atmel公司）可以实现1：8模式（将数据速率降为原先的1/8，并给出8路输出）或者1：4模式（将速率降为原先的1/4，并给出4路输出）。

（2）DMUX专用集成器件输出的数据速率越低，其输出占用的数据线就越多，而要减少数据线，其数据速率又会相应提高，因此无论其采用何种工作模式，PCB设计难度都很大。

（3）DMUX专用集成器件功耗大（平均要高于5W），要使其正常工作，电源供电和散热问题会增加设计成本和设计难度。

（4）DMUX专用集成器件属于特殊芯片，不容易购买。

因此选用另一种方式来代替DMUX专用集成器件显得很必要。

基于Altera公司FPGA就可以实现DMUX的功能。其最大的优势在于存储模块和数据处理模块可以同时在FPGA中实现，相比较DMUX专用集成器件+FPGA这样的设计系统来说，结构上简化很多，而信号完整性却在很大程度上得到提高。

下面就以1：8工作模式为例，对两种方式的设计方案进行比较。

图l所示是采用DMUX专用集成器件的设计方案。模拟信号经过高速ADC转换后，输出高速率的8位数据和l位时钟Clkl，这些信号经过DMUX分流后再形成8路64位的数据和l位时钟Clk2（此时钟降为原先的1/8）。随后FPGA用Clk2来采样这些64位数据，再在控制信号的控制下处理这些数据。

利用FPGA实现DMUX后，就可以将DMUX和FPGA整合到一起，如图2所示。

与图1相比，图2在PCB设计上省略了DMUX和FPGA之间的64位数据线和1位时钟线，而这些数据线和时钟线通常会高于100 MHz，所以对PCB布线任何考虑不周都会造成信号完整性的严重下降。在图2中，DMUX在FPGA内直接实现，这可以在很大程度上提高设计的成功率，关键就是看FP-GA能不能接收ADC的8位高速数据和1位高速时钟。而实际上FPGA确实可以做到，下面就对其实现的各个方面分别加以介绍。

3、基于FPGA的DMUX实现的关键

3.1 器件的选择

要在FPGA中实现DMUX，FPGA必须具备两个条件：一是多个高速差分接收端口；二是FastDPLL（快速数字锁相环）。许多FPGA都能满足此要求，如Xilinx的Virtex4、Virtex Pro系列，Altera的Stratix系列（Stratix GX、StratixⅡ和Stratix）。它们在应用上各有特色，下面仅以Altera的Stratix系列为例来说明实现方式。

3.2 引脚的配置

要接收ADC的高速数据和时钟输出，必须将这些信号引脚配置到高速差分接收引脚上。但并不是所有的差分引脚都能作为高速差分接收引脚。数据接收引脚一般定义为DIFFIO_RX_P、DIF-FIO_RX_N，时钟接收引脚一般定义为CLK_DIF-FIO_RX__P、CLK_DIFFIO_RX_N。

在引脚的设置位置上也有一定的要求，如Stratix GX器件只可以在BANKl、2的差分引脚上实现；Stratix Ⅱ器件只可以在BANK3、4、7、8的差分引脚上实现；而Stratix器件可以在BANKl、2、5、6的差分引脚上实现。如果接收ADC信号的引脚不是配置在这些引脚上，那么就不能在FPGA内实现DMUX来接收这些高速信号。

对于时钟引脚，也要配置在这些BANK的专用时钟引脚上。如果有多个这样的时钟引脚可供选择，则应当选择那些Cload（负载电容）更小的引脚，这对于提高数据的接收速率很有帮助。

3.3 软件设置

3.3.1 FPGA片上阻抗的实现

接收模数转换器输出的高速差分线一般都需要终端阻抗匹配，如果这些终端匹配电阻都依靠片外电阻实现，就会增加PCB布局布线的难度和降低接收的信号完整性。FPGA的差分接收端口一般都带有差分片上阻抗匹配，如图3所示。

阻抗（RD）在100 Ω~170 Ω之间，其典型值为135 Ω，接近于差分线的差分阻抗。依靠这些片上匹配电阻，则不需要再外接电阻，并且会达到比外接电阻更好的效果。

软件方面只需设置终端阻抗为Differential。

3.3.2 FPGA高速差分接收模块的实现

在FPGA上主要是通过调用altlvds模块来接收ADC输出的高速差分数字信号，如图4所示。

altlvds模块内集成有Fast DPLL，通过它可以以45°为一级精确地调整输入时钟沿与数据之间的关系，从而保证建立和保持时间能够满足要求。

altlvds模块还利用输入时钟对输入数据进行双沿采集，将其转换为并行的多路数据。

其输入数据的通道数和分路比也可以通过软件灵活设置。设置的接收数据通道数最多为44通道（受限于FPGA的高速差分接收引脚数），最多可设置的分路比为1：10模式。

此外，此模块上可以设置接收的最高数据速率为840 Mb/s，最高接收时钟为420 MHz。

3.4 软件仿真

在Quartus Ⅱ中进行DMUX后的仿真结果如图5所示，输入数据（idata）为800 MHz，输入时钟（in-clk）为400 MHz。从仿真波形上可以看到，虽然输出的数据不是对得很准，但是输出的时钟（kaniclkp）可以保证能够完整地接收数据。

将输入数据（idata）改为l 000 MHz，输入时钟（inclk）改为500 MHz，其仿真结果仍然不错。

3.5 PCB设计

要使FPGA能够很好地接收模数转换器的输出信号，首先应该保证它们之间布线的差分阻抗满足要求。另外每对差分线要紧邻并且近似等长。

此外要尽量将FPGA的高速差分接收引脚配置在FPGA的外围，以保证模数转换器和FPGA的连线上尽量没有过孔。

PCB板材的选择也很重要，要尽量保证它们之间的布线都布置在最外层，并且布线板层要尽量选介质常数小的材料。

为了模块中的内部锁相环能够正常工作，还应该将内部锁相环的供电电源与外部数字电源隔开。图6中示出了一种电路连接方式，通过大电感将两种电源隔开，再通过多个电容并联滤波，以保证供给内部锁相环电源的稳定性。

4、结束语

经过实际测试，利用FPGA替代DMUX专用集成器件来接收模数转换器输出的信号，其接收的数据速率已经超过1 Gb/s，高于器件资料上给定的840 Mb/s的最高速率，完全达到设计要求。

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