一种基于LTC2270的高速数据采集器设计与实现

马延军，张　红，李新民，康晓非

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)



一种基于LTC2270的高速数据采集器设计与实现

马延军，张红，李新民，康晓非

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)

摘要软件无线电系统已经得到了广泛的应用，然而高速及高动态范围的数据采集仍然是其设计难点之一。针对此难点问题，基于LTC2270高速AD采样芯片及USB2.0接口芯片FT232H，设计了一款高速数据采样模块，其最高传输速率达到了40 Mbytes/s，对应16 bits量化的AD芯片，其符号速率达到20 Msymbols/s。其中，采用了Altera公司的EP3C5可编程器件完成了对LTC2270与FT232H的时序控制。在频谱分析仪的配合下，完成了对中频信号的直接采样。实验结果表明，该系统能提供大约77 dB的动态范围，可广泛应用于软件无线电平台及通信信号采集与处理。

关键词高速数据采集；FPGA；LTC2270；USB2.0

Design and Implementation of High-speed Data Acquisition System Based on LTC2270

MA Yan-jun,ZHANG Hong,LI Xin-min,KANG Xiao-fei

(CollegeofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’anShaanxi710054,China)

AbstractThe software-defined-radio has been widely adopted,one of the difficulties in design is high-speed and high-dynamic data acquisition.To address this issue,a high data rate acquisition module is designed based on an LTC2270 ADC chip and an FT232H USB2.0 chip,of which the highest transmission speed reaches 40 Mbytes/s and the symbol rate is 20 Msymbols/s for 16 bits quantization of the LTC2270.An EP3C5 FPGA chip is used to control the LTC2270 and the FT232H chips.The direct sampling for IF signal is implemented by using spectrum analyzer.The experiment results show that this system can provide about 77 dB dynamic range,it can be widely used for signal acquisition in communication systems and software-defined-radio.

Key wordshigh speed data acquisition;FPGA;LTC2270;USB2.0

0引言

数据采集系统是信号与信息处理系统的重要组成部分，随着信息技术和高速互联技术的飞速发展，人们面临的信号处理任务越来越繁重，数字信号处理的速度和精度要求也越来越高。这些高速数据采集系统广泛应用于各类仪器仪表、电子通信及软件定义无线电(SDR)等领域[1-7]。衡量其性能的关键参数有采样速率、采样精度及数据采集深度等几个方面。现有的高速数据采集系统常采用PCI、通用串行总线USB及以太网等接口与PC机交换数据。其中PCI总线接口技术进一步发展为PCIe，广泛用于计算机采集系统。USB的接口速率由USB1.0规范中定义的1.5 Mbps一直发展到USB3.0接口规范的5 Gbps。以太网作为计算机局域网组网技术，其传输速率也发展到千兆以太网，现在已广泛配置在标准PC机上面。相对而言，USB2.0接口速率为480 Mbps且应用广泛、成本低廉。因此，选择了USB2.0作为高速采样系统与PC机的交互接口。

高速数据采集系统的主要组成部分包括高采样率ADC、大存储深度及数字信号处理单元等几个方面。本文基于Linear公司的LTC2270芯片及FTDI公司的FT232H芯片[8]设计了一款高速数据采集器，采用Altera公司的EP3C5可编程器件实现了对LTC2270芯片及FT232H芯片接口的控制逻辑，与国内外同类设计相比[1-7]，本系统采用较少的逻辑单元完成了USB2.0接口控制与数据采集，显著降低了高速采集系统的成本。数据量化达到了16 bits，动态范围达到77 dB。借助于PC机，其数据存储深度大大增加。本系统可广泛应用于软件无线电等高速数据采集系统中。

1系统设计

高速数据采集器系统结构图如图1所示，分为基带处理与模拟前端2个部分。其中，基带处理部分包括USB2.0接口芯片FT232H、现场可编程器件(FPGA)和模数转换器等部分。由FPGA控制ADC完成数据采集与缓冲，进而控制FT232H完成与上位机的通信处理。模拟前端为抗混叠低通滤波器，由于ADC最高采样时钟为20 MHz，这里前端低通滤波器取其40%，即为8 MHz。PC机在上位机软件的控制下，完成与FT232H的互操作，读取数据并保存。

图1　高速数据采集器系统结构

1.1高速USB2.0接口的实现方法

FT232H是FTDI公司的一款单通道USB2.0高速收发器芯片[8]，可以配置成多种工作模式。此芯片在片上完全完成USB2.0的协议，不需要额外进行USB协议相关的编程。它支持480 Mbit/s高速传输及12 Mbits/s全速传输。这里采用了USB到同步245并行FIFO操作模式，其最高速率可达40 Mbytes/s。

本文设计的FT232H芯片的接口电路示意图如图2所示，其中Mini-USB是USB2.0的接口，93LC56B为FT232H的配置芯片。FT232H的ADBUS与ACBUS全部引出并接到FPGA上面，其中ADBUS是USB接口的8位数据线，ACBUS用于读写及相应的控制功能。FPGA芯片将通过ADBUS与ACBUS引脚完成USB2.0高速收发控制。

图2　FT232H接口电路

1.2LTC2270高速AD采样芯片

Linear公司的LTC2270芯片是低功耗16位模数转换器，其标称SNR达到84.1 dB，SFDR为99 dB，最高采样频率为20 MHz，DC指标包括±1 LSB INL，±0.2 LSB DNL。CMOS输出摆幅为1.2～1.8 V，已广泛用在通信、软件定义无线电等系统中。其数字输出是全速率CMOS，双数据速率CMOS或者双数据速率LVDS，可以通过外部引脚配置。文本配置为全速率CMOS传输方式，简化了FPGA开发工作量。

LTC2270芯片及其电路示意图如图3所示，2路模拟信号从AD0和AD1接口输入，经过射频变压器ADT16-1T转化为差分信号后进入LTC2270。在时钟信号CLK的控制下数据通过D0及D1接口输出。

图3　LTC2270部分电路

1.3高速采样FPGA接口设计

本文设计的FPGA功能模块图如图4所示。

图4　FPGA内部能够结构

其板载时钟芯片为50 MHz，采用了PLL方式以获得20 MHz采样时钟及40 MHz传输速率时钟，ADC芯片接到FPGA上面，FPGA提供ADC芯片采样的时钟信号。数据采集与USB控制功能为adc_module功能块。adc_module功能模块中包含了adc_ctrl模块、rate_ctrl逻辑模块、FIFO模块和ft232_ctrl模块。adc_ctrl模块完成采样控制，把16 bits的数据转换为2个8 bits的数据，然后存储到FIFO模块中。FIFO模块为2 048字节的先入先出存储模块缓冲处理。采集的数据先暂存到FIFO里面，达到一定数量后经过USB控制逻辑输出。rate_ctrl模块用来完成FIFO内容的读取并交给ft232_ctrl模块。

2高速采样测试结果

2.1模块测试结果

当输入端开路时候，获得的采样数据及其分布特性如图5所示。输入电压的可变范围为±0.525 V，即峰—峰值为1.05 V，图5(a)显示的是没有任何信号输入时系统的底噪，可见其峰—峰值在±150 μV左右，从而可以估算出系统的动态范围约为77 dB。图5(b)是其采样数据的分布情况，服从高斯白噪声分布特性。

图5　采样数据及分布

2.2模块作为中频直接采样测试

本例采用了MS2601A频谱仪，其中频输出频率为3.56 MHz，调整其RBW为300 kHz，正好涵盖一个GSM载波信号[9-11]。将频谱分析仪的中频输出接口接到此采样系统，同时将频谱分析仪接收频率调到GSM系统的中心工作频率，本实验采用了853.8 MHz(频率值与测试地点有关)，图6得到了采集的GSM系统主载波的一个时隙。其横坐标为时间(单位为μs)，纵坐标为中频采样后的电压值，可清晰观察到一个GSM时隙的周期大约570 μs。数据采集后，可进一步做分析处理。此模块可广泛用于中频采样，如对3G移动通信的中频数据采集等，篇幅所限，不再一一列出。

图6　采用频谱仪进行中频采样

3结束语

基于LTC2270高速AD采样芯片及USB2.0接口芯片FT232H，设计了一款直接采样接收机，可以作为软件无线电平台用于HF接收与处理或者作为软件无线电平台的基带部分，用于各类调制信号的采集与后处理。在Matlab的配合下，可以完成扩频接收与解调处理、OFDM接收与解调处理等。

参考文献

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马延军男，(1978—)，博士，讲师。主要研究方向：移动通信与软件无线电等。

张红女，(1971—)，硕士，副教授。主要研究方向：信息论与编码。

作者简介

基金项目：陕西省教育厅自然科学研究项目(15JK1470)；西安科技大学培育基金(201355,201357)；2014年度校级教育教学改革与研究项目(JG14029)。

收稿日期：2015-11-11

中图分类号TN911；G642

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0065-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.18

引用格式：马延军,张红,李新民,等.一种基于LTC2270的高速数据采集器设计与实现[J].无线电工程,2016,46(3):65-67.