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基于DSP-FPGA的高速数据采集与处理

玄金  
【摘要】:随着社会的发展,高速数据采集系统已经广泛的应用到航空航天电子设备、多媒体、雷达信号处理、数字宽带通信等各个领域。随着制造工艺技术的提高,采样速率高达G赫兹的高速采集芯片已经问世,对应的超高速数据处理和海量数据传输也成为研究的热点问题,同时,对于数据采集系统的一些关键技术指标精度、分辨率、采集速率等的要求也越来越高。本文首先介绍了高速数据采集和处理技术在国内外的现状以及当前的发展态势,然后建立采样速率高达G赫兹的高速采集系统,采样间隔最小可达几个皮秒。高速信号在电缆中传输会发生上升边沿变缓、过冲、振铃等信号畸变问题,该系统对在电缆中传输的高速信号进行采样、处理和分析。在这种状况下,本文提出了以FPGA和高速AD转换器为核心的高速数据采集系统设计方案,并对高速信号完整性进行分析,合理设计PCB中走线和器件的布局,对在高噪声环境下的软件滤波和高速数据传输过程中差错控制技术做了相应研究。高速信号在电缆中进行传输时,遇到电缆中因短路、断路等故障造成阻抗变化的节点时,高速信号就会发生反射对原始信号造成干扰,从而造成高速数据采集系统采集的数据发生偏差。还有,前端采集电路造成的非线性误差和环境噪声的影响,这些因素都导致采集到的数据与真实数据相比有一定的偏差。因此,为了消除该偏差对高速信号的影响,本文建立了基于最小二乘算法的分段拟合模型,该模型对采集的数据进行非线性处理,并且经过仿真和验证可以发现处理后的数据误差在0.1%之内。最后,充分应用上述研究成果,建立了高速信号处理和分析的通用验证平台,该平台基于DSP+FPGA为核心进行软件和硬件实现,可以对高速信号进行采样、分析和处理。在高速信号在电缆中传输场景下,如果电缆发生短路和断路等故障,通过对高速信号分析,可以定位故障点的位置,利用该系统测量长度50到100米的电缆发现误差在1米之内。通过该平台的微型阻抗测量功能可以得到电缆的阻抗,另外还能实现电压、频率、电容等功能的测量,这些参数可以作为今后高速信号传输特性分析的一个重要依据,为今后充分研究高速信号在传输中的特性奠定了基础。


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