基于FPGA的多通道多速率信号传输研究与设计

摘要

当今世界，人们生活节奏的加快，对各行业的要求都在提高，以电子技术为基础的各行业也顺应着时代的发展快速发展着。由于计算机技术和集成电路技术的快速发展，A/D、D/A采样率的不断提高，以及数据采集、处理和传输这三大信息技术在智能控制、通信、医疗等众多领域的广泛应用，所以信号传输的研究变得尤为重要。在信号传输前现场所测得的信号都是模拟信号，然而众所周知的是计算机只能识别数字信号，所以这时就得将所采集的模拟信号进行处理，转变成数字信号，根据不同的需要来实现对仪器设备的控制，这个过程就涉及到了信号的采集及处理。并且现在航空、通信、医疗等众多领域常常需要测量多种信号，或者需要接收处理多种信号，并且由于各路信号测量接收时间不同，而且各路信号接收速率也可能不同，所以这就涉及到了多通道多速率的信号传输研究。就比如本文研究的多通道多速率信号传输，此研究是基于数据采集系统而完成的，现在数据采集系统所需要采集的信号量越来越大，并且信号种类也越来越多，这就需要多通道多速率信号处理方面的技术支撑。现在数字系统都向着大容量、小体积和高速度的更好方向发展。FPGA集成度高、功耗低并且可以将采集、控制、处理、传输等集于一块芯片内，FPGA的这些优势顺应着科技的发展，所以FPGA能够更广泛的被应用。
　　本文完成的是研究四个通道同时采集可能不同速率的相关信号并传输。数据采集系统可以采用单片机、DSP、FPGA这三种，由于单片机必须顺序执行程序，所以适于做控制，并且单片机就只适用于数据采集量小的采集系统;如果使用DSP完成多通道信号采集则需要多片DSP才能实现多通道同步采集，这样不但增加了系统的复杂性而且也提高了成本;然而FPGA对程序可以进行并行处理和顺序处理，利用FPGA的并行处理能力，采用高速可编程FPGA模块和嵌入式开发相结合的方式，提出了一种基于FPGA的高速、多通道、多速率的同步信号采集并处理的一种实现方法。
　　该系统中多速率处理以抽取与插值为理论基础，通过CIC滤波器来实现数据采样率的变换，利用FPGA中自带的IP Core构成的异步FIFO缓存输入输出数据，在采样率变换中，输入数据采样率可灵活多变，而进入FPGA后编码系统会自动识别数据长度，通过一定算法来实现抽取或插值或二者的结合处理，使采样率达到系统处理理想长度。多通道中FPGA分别对各路信号作单独处理，同时也是互不干扰，这就增大了系统的稳定性，同时每一路内部采用乒乓处理思想，将一路信号分成两路处理，加快处理速度，处理后的信息由串口发出。
　　通过不断的探讨，仿真，调试工作，该系统最后终于能够正常的工作了，在通过连续24小时不间断的运行测试后，该系统已经能够长时间的正常运行了。通过对该系统的设计与调试工作，我们得出了如下结论:该系统采用四通道并行处理结构，大大加快了数据处理速度，提高了效率。使用多速率信号处理系统，实现了系统高精密度的特性。同时扩大了系统工作范围，提高了稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景

1．2 研究现状及发展趋势

1．3 研究内容与成果

第2章 多速率信号传输处理原理

2．1 多速率信号处理

2．1．1 采用多速率信号处理的原因

2．1．2 多速率信号处理的优势

2．2 抽样率变换基本原理

2．2．1 抽取

2．2．2 内插

2．2．3 有理数的抽样率转换

2．3 多速率滤波器

2．3．1 多速率FIR滤波器

2．3．2 累积梳状(CIC)滤波器

2．3．3 HB滤波器

2．3．4 滤波器组

2．4 信号的多相分解

2．5 本章小结

第3章 多通道与多速率的结合设计

3．1 总体设计框图概述

3．2 基于FPGA的多通道数据采集系统

3．2．1 基于FPGA的多通道数据采集系统设计

3．2．2 乒乓操作设计思想

3．2．3 基于乒乓操作的异步FIFO设计

3．2．4 滤波器设计

3．3 同频率变换与采样率处理

3．3．1 同频率变换

3．3．2 采样率变换

3．4 基于单片机和DSP等其他处理器的多通道数据采集系统

3．4．1 基于单片机的数据采集系统

3．4．2 基于DSP的多通道数据采集系统

3．4．3 系统处理器的选取

3．5 本章小结

第4章 硬件电路系统设计与实现

4．1 硬件电路

4．1．1 整体系统方案

4．1．2 数据通道时序分析

4．1．3 FPGA配置方案与调试方式

4．1．4 下位机单元和FPGA的通讯

4．2 FPGA电路实现

4．2．1 异步FIFO的FPGA实现

4．2．2 CIC滤波器的FPGA实现

4．2．3 同步时钟单元设计

4．2．4 二选一判决器

4．3 本章小结

第5章 调试中的问题与结果

5．1 MATLAB仿真结果

5．2 FPGA仿真结果

5．3 测试参数

5．4 调试中的问题

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果