異步FIFO和PLL在高速雷達數據采集系統中的應用

1 引言
??? 隨著雷達系統中數字處理技術的飛速發展，需要對雷達回波信號進行高速數據采集。在嵌入式條件下，要求獲取數據的速度越來越快。精度越來越高，以致數據量及處理速度要求大增。為避免數據處理不及時，發生數據丟失，影響系統可靠性，要進一步提高系統實時性，必須研究開發高速嵌入式雷達信號采集系統。這里結合高速嵌入式數據采集系統，提出一種基于CvcloneⅢFPGA實現的異步FIFO和鎖相環(PLL)結構來實現高速緩存，該結構可成倍提高數據流通速率，增加數據采集系統的實時性。采用FPGA設計高速緩存，能針對外部硬件系統的改變，通過修改片內程序以應用于不同的硬件環境。由于FPGA可重配置，可通過對其編程修改其電路功能，方便后續的系統升級。

2 高速雷達數據采集系統結構
??? 圖1為高速雷達數據采集系統結構框。

??? 通過下變頻將接收的射頻信號變換為適合A／D采樣的中頻信號。再經A／D轉換器轉換為數字信號，然后FPGA中異步FIFO構成的高速緩存將中頻采樣數據變換為與存儲器寫時間相匹配的低速數據并存儲到RAM中。DSP及其他數據處理器通過與RAM或FIFO間進行數據傳遞，分析處理雷達回波信號，就可獲取信號的特征和特征參數。如果DSP不通過緩存而直接與A／D相連，在采樣過程中，若A／D連續采樣數據，DSP一直處于連續的間隔讀數狀態，這將占用DSP大部分處理時間，導致DSP不能進行其他工作。也可能出現上一次的數據還沒被DSP處理完，下一次采集過程就開始的情況。如果選取更高速的A／D轉換器，甚至會發生數據丟失，破壞系統的可靠性。同時由于DSP不直接與A／D轉換器相連，所以A／D轉換器的升級或替代都不會影響原來的數據采集系統，且使用高速緩存后數據采集速率可達所采用的A／D轉換器輸出的最高速率，能充分發揮DSP算法處理功能強大、速度高的優勢。而采用CycloneⅢFPGA設計高速緩存，設計靈活、通用性強。整個系統具有實時性高、體積小、開發周期短、易于維護和擴展、適于實時信號處理等多個優點。高速雷達數據采集系統的設計主要包括高速A／D轉換電路、讀寫控制邏輯電路、由雙時鐘FIFO構成的高速緩存電路、鎖相環、外部有源品振等，盡量選用高速器件以提高數據采集系統的瞬時帶寬和存儲深度。
??? 高速A／D轉換器采用MAX101A，其最高采樣速率可達到500 Ms／s，采樣精度為8 bit，該器件屬于直接轉換式模數轉換器即Flash A／D轉換器，其特點是速度快，內置1．2 GHz帶寬的采樣保持放大器，特有的量化設計使其具有較好的動態特性。如果采集系統需更高的采樣速率，可使用多片A／D交替采樣。FPGA采用EP3C120，EP3C120利用65 nm低功耗工藝，不但實現低功耗，還具有豐富的邏輯(120 KB邏輯單元)、存儲器(高達4 Mbit)，及數字信號處理資源(288個DSP乘法器)。EP3C120的低功耗特性和其大容量的存儲器使其非常適合嵌入式高速雷達數據采集系統設計。采用異步FIFO構成的高速緩存即是使用FPGA巾高達4 Mbit容量的存儲器。由于該器件具有乘法器，可輔助DSP器件完成一些計算密集型的算法。
??? 由于一般采用品振作為時鐘源，通過上下變頻得到各個單元需要的時鐘，但這又提高了系統的復雜度。這里采用CycloneⅢ系列FPGA可方便地解決此問題．EP3C120內部集成有4個PLL單元，各個PLL可為不同模塊提供不同的時鐘，只需為系統提供一個高穩定的晶振，通過PLL單元進行時鐘上下變頻即可。

3 基于FPGA實現異步FIFO設計
??? 異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數據在一個時鐘域寫入FIFO而在另一個時鐘域又從該FIFO中將數據讀出。異步FIFO通常被用來將數據從一個時鐘域安全地傳送到另一個時鐘域。FIFO可作為A／D轉換器件和DSP間的橋梁。使用FIFO作為輸入緩沖，由A／D轉換器件把采樣轉換的值同步寫入FIFO，每寫入一塊數據便向DSP發出一個信號，以提醒DSP從FIFO中讀取數據塊。這樣比單次讀的效率要高的多，不會有數據丟失，且僅占用少量的系統資源。設計一個異步FIFO，讀寫使能由不同的時鐘激勵控制輸入和輸出數據，空／滿標志既用來防止數據的上溢和下溢，也作為寫入／讀出控制邏輯的輸入信號，用來控制A／D數據采樣過程和對DSP數據的傳輸。當FIFO輸出滿標志時，寫入控制邏輯停止A／D采樣，等待滿標志無效時恢復數據采樣。從而防止數據丟失。當FIFO輸出空標志時，讀出控制邏輯停止DSP的數據讀取，等待空標志無效時恢復數據讀取。圖1中FPGA內的寫入／讀出控制邏輯使用有限狀態機設計，有限狀態機能有效的進行讀寫時序控制，根據A／D和處理器的時序控制原理畫出狀態轉移圖，進行編程設定。
??? FIFO的參數指標直接影響數據采集速度。首先，FIFO的讀寫速度要足夠快，其工作頻率至少要大于等于A／D轉換器件的采樣率，才能充分發揮A／D轉換器件的高采樣率并保證無數據丟失。其次，FIFO的存儲容量要適宜，容量過大會造成資源浪費，容量過小會造成溢出或數據采集速度過慢。系統FIFO采用EP3C120實現。由FPGA實現異步FIFO時，可方便的根據A／D轉換器的采樣精度和DSP數據寬度設計FIFO的輸人數據寬度和輸出數據寬度，且采用PLL設計后，可方便的調整FIFO寫入端和讀出端的時鐘頻率，使FIFO設計的高速緩存具有一定的通用性。異步FIFO是在QuartusⅡ開發環境下利用其IP核設計的，該設計的異步FIFO可支持高達256位的數據寬度；支持存儲的最大深度可達131 072words，同時支持空滿標志位。表1給出系統在不同存儲深度時消耗FPGA片內資源的情況。可見，針對不同的數據采集需求，可利用Ahera公司提供的參數化的IP核方便的選擇FIFO的數據位寬度及存儲深度，避免資源浪費。

?? 考慮到前端A/D轉換速度快，精度為8位，后端DSP的處理位數一般可做到32位，為提高系統實時性，采用輸入數據寬度為8位，輸出寬度為32位的雙時鐘FIFO，如圖2所示。
??? 圖3為對FIFO仿真的結果。雙時鐘FIFO輸入為8位、輸出為32位，且FIFO兩端的讀寫時鐘頻率不同。

??? 分析系統的吞吐率：由于A／D數據輸入端口的速度固定，數據按采樣頻率輸入FIFO，因此輸入數據的時間是不變的，而DSP一次訪問可取走4個有效數據，大大增加DSP讀取數據的吞吐率，提高系統實時處理能力。

4 基于FPGA的PLL設計
??? Cyclone FPGA具有鎖相環(PLL)和全局時鐘網絡，提供完整的時鐘管理方案。Cyclone PLL具有時鐘倍頻和分頻、相位偏移、可編程占空比和外部時鐘輸出，進行系統級的時鐘管理和偏移控制。Altera Quattus II軟件無需任何外部器件，就可啟用Cyclone PLL和相關功能。PLL常用于同步內部器件時鐘和外部時鐘，使內部工作的時鐘頻率比外部時鐘更高，時鐘延遲和時鐘偏移最小，減小或調整時鐘到輸出(TCO)和建立(TSU)時間。PLL主要部分的框架如圖4所示。

??? PLL模塊接收來自全局時鐘輸入引腳的時鐘信號，經鎖相環分／倍頻后作為異步FIFO的讀寫時鐘，也可以作為外部A／D轉換器采樣時鐘。Cyclone PLL中包含一個前置分頻器N和一個倍頻器M，設定范圍為1～32。輸入時鐘fin經預分頻N后得到參考時鐘fref：
???
??? 通過設置后置分頻器的G0、G1和E值實現分頻和倍頻。輸出的頻率為：
???
式中,fc0和fc1是全局時鐘，為邏輯陣列塊(LAB)提供時鐘；fE則通過I／O單元輸出。
??? 圖5為對PLL模塊仿真結果。外部晶振輸入高穩定時鐘到inclk0引腳，經PLL產生2倍頻時鐘c0、3倍頻時鐘cl及經分頻的時鐘e0。
??? 可見使用FPGA內部鎖相環能為高速雷達數據采集系統各部分產生時鐘源，也使作為高速緩存的雙時鐘FIF0可應用于各種時鐘域場合。

5 結論
??? 本文在CycloneⅢFPGA中實現異步FIFO和鎖相環(PLL)結構的設計，避免復雜的時鐘管理，簡化電路設計，方便采集系統進行升級維護。高速緩存的設計使采集數據能的安全地實現數據跨時鐘域的傳遞，提高了數據采集系統的可靠性。