摘要：為同時完成4 個Stokes 矢量參數(shù)的相關(guān)測量，反演海面風場，提出了新型數(shù)字相關(guān)器的設(shè)計方法。結(jié)合高速數(shù)字相關(guān)器在數(shù)字極化輻射計中的應(yīng)用，介紹了高速數(shù)據(jù)采樣和相關(guān)處理系統(tǒng)。通過兩片高速A/D 轉(zhuǎn)換器(ADC08D1500)同步采樣四路信號，采樣結(jié)果通過Xilinx 公司新一代現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)-Virtex5 芯片作相關(guān)運算，相關(guān)結(jié)果通過串口上傳到計算機，詳細介紹了系統(tǒng)各個部分的接口電路和時序控制的設(shè)計。系統(tǒng)可以實現(xiàn)四路信號最高1.5GHz 采樣率的相關(guān)計算。

0 引言

海洋表面風場的研究在氣象學、海洋學、氣候?qū)W中有著極其重要的意義。全極化輻射計的新技術(shù)特點是，同時使用多路相關(guān)技術(shù)，對水平和垂直極化信號進行相關(guān)處理，產(chǎn)生反演海面風場模型所需的參量。修正的Stokes 矢量可以用來描述空間中輻射場的二階統(tǒng)計特性。修正的Stokes 矢量中的元素以亮溫K 作為單位，如下式所示。

通過垂直和水平極化兩路信號的相關(guān)運算可以得到4 個Stokes 參數(shù)。目前應(yīng)用的極化輻射計，大多用模擬相關(guān)器。但是隨著對風場測量精度的要求越來越高，模擬乘法器件已經(jīng)滿足不了要求。數(shù)字極化輻射計是指利用數(shù)字相關(guān)器來實現(xiàn)兩個極化通道的自相關(guān)和互相關(guān)處理。數(shù)字相關(guān)器與模擬相關(guān)器相比，主要特點是能夠用資源換速度，利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)實現(xiàn)全并行寬帶數(shù)字相關(guān)處理。數(shù)字相關(guān)器對模擬信號進行采樣，然后量化的數(shù)據(jù)作相關(guān)運算。根據(jù)乃奎斯特采樣定律，采樣頻率必須大于等于兩倍被采樣信號帶寬，才能避免信息的損失。這就使得采樣電路工作在很高的頻率上，對電路的精度和可靠性提出了很高的要求。本文介紹了一種高頻高可靠性的信號采樣和相關(guān)處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)中高速ADC 采用NS公司的ADC08D1500，它具有高精度和低功耗等優(yōu)點，可以工作在最高采樣率1.5GHz。FPGA 芯片具有體積小，集成度高，功耗低等特點。數(shù)據(jù)接收和相關(guān)計算以FPGA為核心完成。

1 數(shù)字相關(guān)器設(shè)計方案

信號采集模塊中，兩片ADC08D1500 同時完成四路信號的采樣。ADC 輸出數(shù)據(jù)為LVDS 模式，單個ADC 位寬32bit，采用并行輸出。采用Xilinx 公司FPGA-Virtex5 實現(xiàn)對2 個ADC輸出數(shù)據(jù)的接收和相關(guān)運算處理。FPGA還要實現(xiàn)對兩個ADC的復(fù)位控制，同步復(fù)位可以觸發(fā)兩個ADC 同步工作。本方案設(shè)計中采用高速時鐘驅(qū)動器AD9514 對采樣時鐘進行驅(qū)動，確保到達兩路ADC 的采樣時鐘信號的相位一致性。FPGA 計算的相關(guān)結(jié)果通過串口上傳到PC 機。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 ADC 及外圍電路

2.1 ADC

ADC 采用兩片ADC08D1500 芯片。美國國家半導(dǎo)體公司的高速ADC-ADC08D1500 [3] 是一款高性能的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，典型功耗1.9W。本數(shù)字相關(guān)器中，每個通道采樣率1.5GHz，8bit 分辨率，全功率帶寬1.7GHz。通過管腳配置設(shè)定輸入峰峰值為870Mv。ADC上電231 個采樣時鐘周期以后自動校準。

DCLK 送給外部器件來鎖存數(shù)據(jù)。DCLK 工作在DDR 傳輸模式。ADC 內(nèi)部做1：2demux，輸出時鐘為采樣時鐘的二分頻。這種方式降低進入FPGA 的時鐘速率為采樣頻率的1/4，為高速相關(guān)計算提供方便。OR 管腳為高電平，指示輸入超出量程。將OR 連接到FPGA 并驅(qū)動FPGA 的外接LED。圖2 為ADC 功能框圖。

2.2 時鐘控制

ADC08D1500 需要一個差分時鐘輸入。兩個ADC 的采樣時鐘需要嚴格同步，以達到其幅相一致性的要求。設(shè)計中時鐘通過時鐘驅(qū)動AD9514 分出兩路同相差分時鐘。ADI 公司的高性能時鐘驅(qū)動芯片AD9514 輸入電平為LVPECL、LVDS，輸出信號為LVPECL、LVDS、CMOS 電平。采用兩路LVPECL電平輸出交流耦合到兩片ADC，最高輸出1.6GHz 頻率，如圖3 所示為其LVPECL 輸出端電路。

2.3 ADC 復(fù)位

兩個ADC的同步復(fù)位是保證ADC同步工作的主要方法。DCLK_RST 是ADC 的復(fù)位管腳。一個正脈沖可以復(fù)位和同步多片ADC 的DCLK 輸出。復(fù)位信號必須持續(xù)4 個采樣時鐘周期以上復(fù)位才有效。如圖4 所示，trpw 至少為4 個采樣時鐘周期。由FPGA 控制DCLK_RST 管腳實現(xiàn)對兩片ADC 的同時復(fù)位?；謴?fù)時間Tad 為3.5ns。