解析高速ADC和DAC与FPGA的配合使用

许多数字处理系统都会使用FPGA，原因是FPGA有大量的专用DSP以及block RAM资源，可以用于实现并行和流水线算法。因此，通常情况下，FPGA都要和高性能的ADC和DAC进行接口，比如e2v EV10AQ190低功耗四通道10-bit 1.25 GspsADC和EV12DS130A内建4/2:1 MUX的低功耗12-bit 3 Gsps DAC。 在现代数字信号处理系统中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其丰富的数字信号处理单元（DSP slices）和Block RAM资源而被广泛应用。FPGA能够实现并行计算和流水线架构，使得处理速度得到大幅提升。而在这些系统中，高速ADC（Analog-to-Digital Converter）和DAC（Digital-to-Analog Converter）是不可或缺的关键组件，它们负责在模拟世界与数字世界之间建立桥梁。 以e2v的EV10AQ190为例，这是一个低功耗的四通道10-bit 1.25 GSps ADC，它提供了高效率的数据转换能力。另一个例子是EV12DS130A，一个内置4/2:1 MUX的低功耗12-bit 3 GSps DAC，它具有灵活的数字接口，适用于各种应用场景。这些高速转换器的高采样率使得系统能够处理GHz级别的信号。 奈奎斯特采样理论是理解ADC和DAC工作原理的基础。根据奈奎斯特准则，采样率必须至少是信号最高频率的两倍，以避免混叠现象。然而，在实际应用中，往往需要在接近或超过奈奎斯特区的情况下操作，这就需要通过预滤波器等手段来防止信号失真。例如，一个2.5 GHz采样率的ADC在接收3 GHz带宽信号时，高于1.25 GHz的频率成分会被混叠到较低频率，形成图像信号，需要通过合适的滤波策略进行处理。 对于DAC，情况则有所不同。在上奈奎斯特区，需要确保所需谐波的正确输出，而且在高频下，可能需要通过SINC补偿来抵消信号衰减。前端设计，包括输入组件、阻抗匹配和预滤波器的选择，对保证ADC和DAC性能至关重要。 在FPGA与高速ADC和DAC的接口设计中，通常会使用多路复用器以降低数据速率，例如e2v转换器的FS/4或FS/2配置，将数据分布在多个并行总线上。这些并行LVDS（Low Voltage Differential Signaling）接口可以提供低延迟和低辐射噪声，但同时也会占用大量FPGA的I/O资源。 在FPGA内部，处理这些高速数据流的方法多种多样，其中一种常见的做法是利用FFT（快速傅里叶变换）进行频谱分析。组合FFT结构，如使用4个128点的FFT流水线和1个4点FFT，可以构建出512点的FFT；而分离FFT则先进行数据重组，然后再进行处理。为了优化频谱泄漏，许多应用会在FFT之前采用加权叠接相加（WOLA）方法，如图所示，WOLA可以显著减少相邻信道间的干扰。 根据具体应用需求，对FFT结果进行后处理，可能是滤波、解码或其他信号处理算法。在处理大型FFT时，设计高效的算法是一项挑战，但也是确保整个系统性能的关键。 高速ADC和DAC与FPGA的配合使用是现代数字信号处理系统中的核心技术，涉及到了采样理论、预处理滤波、FPGA接口设计、FFT处理以及后处理等多个复杂环节，需要综合考虑系统性能、功耗和成本等因素，以实现最优的设计方案。