如何設(shè)計(jì)基于FPGA的內(nèi)部LVDS接收器？看完就懂了！

本文中，小編將對(duì)基于FPGA的內(nèi)部LVDS接收器設(shè)計(jì)予以介紹，如果你想對(duì)本文的詳細(xì)情況有所認(rèn)識(shí)，或者想要增進(jìn)對(duì)該設(shè)計(jì)的了解程度，不妨請(qǐng)看以下內(nèi)容哦。

一、本文設(shè)計(jì)相關(guān)基本概念

基于FPGA的內(nèi)部LVDS接收器設(shè)計(jì)之前，有必要了解一下相關(guān)的基本概念。

1、FPGA

FPGA設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式進(jìn)行其他行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 與 ASIC 不同，F(xiàn)PGA在通信行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛。通過對(duì)全球FPGA產(chǎn)品市場(chǎng)以及相關(guān)供應(yīng)商的分析，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)的實(shí)際情況以及國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的FPGA產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)在未來的發(fā)展方向，對(duì)我國(guó)科技水平的全面提高具有非常重要的推動(dòng)作用。

與傳統(tǒng)模式的芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)PGA 芯片并非單純局限于研究以及設(shè)計(jì)芯片，而是針對(duì)較多領(lǐng)域產(chǎn)品都能借助特定芯片模型予以優(yōu)化設(shè)計(jì)。從芯片器件的角度講，F(xiàn)PGA 本身構(gòu)成 了半定制電路中的典型集成電路，其中含有數(shù)字管理模塊、內(nèi)嵌式單元、輸出單元以及輸入單元等。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于FPGA芯片有必要全面著眼于綜合性的芯片優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)當(dāng)前的芯片設(shè)計(jì)來增設(shè)全新的芯片功能，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了芯片整體構(gòu)造的簡(jiǎn)化與性能提升。

2、LVDS

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一種低振幅差分信號(hào)技術(shù)。它使用幅度非常低的信號(hào)（約350mV）通過一對(duì)差分PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。它能以高達(dá)數(shù)千Mbps的速度傳送串行數(shù)據(jù)。由于電壓信號(hào)幅度較低，而且采用恒流源模式驅(qū)動(dòng)，故只產(chǎn)生極低的噪聲，消耗非常小的功率，甚至不論頻率高低功耗都幾乎不變。此外，由于LVDS以差分方式傳送數(shù)據(jù)，所以不易受共模噪音影響。LVDS的技術(shù)特點(diǎn)包括：

①高速傳輸能力。在ANS/EIA/EIA-64定義中的LVDS標(biāo)準(zhǔn)，理論極限速率為1.923Gbps，恒流源模式、低擺幅輸出的工作模式?jīng)Q定著IVDS具有高速驅(qū)動(dòng)能力。

②低功耗特性。LVDS器件是用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的，而CMOS能夠提供較低的靜態(tài)功耗；當(dāng)恒流源的驅(qū)動(dòng)電流為3.5mA，負(fù)載（100Ω終端匹配）的功耗僅為1.225mW；LVDS的功耗是恒定的，不像CMOS收發(fā)器的動(dòng)態(tài)功耗那樣相對(duì)頻率而上升。恒流源模式的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)功耗，并極大地降低了頻率成分對(duì)功耗的影響。雖然當(dāng)速率較低時(shí)，CMOS的功耗比LVDS小，但是隨著頻率的提高，CMOS的功耗將逐漸增加，最終需要消耗比LVDS更多的功率。通常，當(dāng)頻率等于200MSps時(shí)，LVDS和CMOS的功耗大致相同。

③供電電壓低。隨著集成電路的發(fā)展和對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的要求，低壓供電成為急需。降低供電電壓不僅減少了高密度集成電路的功率消耗，而且減少了芯片內(nèi)部的散熱壓力，有助于提高集成度。LVDS的驅(qū)動(dòng)器和接收器不依賴于特定的供電電壓特性，這決定了它在這方面占據(jù)上峰。

二、基于FPGA的內(nèi)部LVDS接收器設(shè)計(jì)

1、∑一△ADC原理

∑一△ADC的核心是∑一△調(diào)制器和數(shù)字濾波器?！埔弧髡{(diào)制原理在半個(gè)多世紀(jì)前已經(jīng)提出，但在20世紀(jì)90年代才廣泛應(yīng)用到ADC設(shè)計(jì)中。∑一△ADC的模型如圖1所示。

從圖中可以看到，乏一△架構(gòu)的ADC主要由左邊方框內(nèi)模擬∑一△調(diào)制器和右邊的數(shù)字濾波器組成?！?△調(diào)制器包含1個(gè)積分器、1個(gè)ADC和1個(gè)構(gòu)成反饋環(huán)路的DAC。采用線性系統(tǒng)分析方法，先令e(n)=O，考察積分器的差分方程：

由公式(7)可以看出，在Z變換域，調(diào)制器對(duì)信號(hào)只是延遲，而對(duì)噪聲進(jìn)行差分處理。因?yàn)椴罘制骶哂懈咄V波器特性，因此噪聲被高通濾波，調(diào)制器對(duì)應(yīng)的時(shí)域輸出為：

2、LVDS收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)及其原理

LVDS是一種低壓低功耗的高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在高速數(shù)據(jù)互聯(lián)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，主流的FPGA器件都集成了高速的LVDS收發(fā)器。LVDS收發(fā)傳輸框圖如圖2所示。

在圖2中，LVDS發(fā)送端的4個(gè)開關(guān)管交叉控制3．5mA電流源在接收端的流向。電流在100Ω電阻上建立約350 mV的電壓差，接收器通過比較電壓的極性來判決是邏輯“1”還是邏輯“0”。LVDS驅(qū)動(dòng)器是電流型，對(duì)電源波動(dòng)不敏感，功耗很低，1路LVDS傳輸功耗為35 mA×350 mV=1．2 mW。由于采用差分傳輸方式，LVDS收發(fā)器可以很好地消除共模干擾，提高系統(tǒng)電磁兼容性能。利用FPGA集成的LVDS接收器，配合少量外圍器件，即可在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ADC。

3、用FPGA集成的LVDS接收器實(shí)現(xiàn)ADC

參考第2部分的∑一△架構(gòu)的ADC原理，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ADC的框圖如圖3所示。

在圖3中，虛線框內(nèi)表示在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。外部?jī)H需要1個(gè)1 kΩ的電阻和1個(gè)1 nF的電容作為模擬積分器，輸入信號(hào)和積分器輸出值在LVDS接收器進(jìn)行比較，比較結(jié)果被量化成數(shù)據(jù)比特流，經(jīng)過寄存器后輸出到CIC(Cascaded Integrated Comb)濾波器及其后續(xù)的數(shù)字濾波模塊，同時(shí)通過1個(gè)FPGA引腳作為1位的DAC，輸出到外部的積分器。在數(shù)字濾波模塊里面，CIC濾波器累加量化的比特流并恢復(fù)成18位數(shù)的量化值，同時(shí)通過大倍數(shù)的抽取，把數(shù)據(jù)率降低；CICCOMP是15階FIR濾波器，用于補(bǔ)償CIC濾波器幅頻響應(yīng)。抽取器是31階FIR低通濾波器，降低數(shù)據(jù)率并進(jìn)一步濾除帶外的噪聲。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于49．152 MHz時(shí)鐘下，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過CIC進(jìn)行512倍抽取后，數(shù)據(jù)率降為96 kHz，最后經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行2倍抽取，數(shù)據(jù)率降為48 kHz。

4、FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的ADC實(shí)驗(yàn)分析

測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

圖4上半部分波形是輸入的信號(hào)和頻譜，下半部分波形是經(jīng)過ADC采樣后通過DAC輸出的波形和頻譜。從圖中可以看到，盡管受限于板載DAC的位數(shù)，DAC后面也沒有抗混疊濾波器，僅將ADC的18位量化值高8位輸出，但波形和頻譜完全沒有失真。輸出波形上疊加的高頻噪聲是DAC轉(zhuǎn)換引入的，可以通過濾波器濾除。信號(hào)源產(chǎn)生20 Hz～20 kHz的音頻信號(hào)，ADC輸出的波形和頻譜均沒有失真，FPGA在3．3 V的I／O電壓下，ADC最大輸入信號(hào)的峰值電壓約O．8 V，輸出信號(hào)SNR約為50 dB。

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