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基于数字锁相环实现X光安检机控制信号时钟提取系统的设计

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在安检机系统中,安检机的主设备与控制台的双向通信具有非对称性,由主设备X射线端采样得到的大量数据通过高速通道传送至PC控制台进行处理。然而由控制台传送给安检机的控制信号,因数据量较小,仅需低速通道进行传输即可,并且在安检主设备端对于高速数据的

  在安检机系统中,安检机的主设备与控制台的双向通信具有非对称性,由主设备X射线端采样得到的大量数据通过高速通道传送至PC控制台进行处理。然而由控制台传送给安检机的控制信号,因数据量较小,仅需低速通道进行传输即可,并且在安检主设备端对于高速数据的处理是基于平台实现的,若同时采用单片FPGA对接收控制信号进行处理,一方面可减少硬件的设计负担,另一方面也降低了设备成本。但与此同时,若该系统采用传统串行通信方式,则在处理高速数据的FPGA电路单元中引入低速上高频信号的影响,而且由于控制台距离CT机距离较长,不利于时钟信号的传输。因此,对于安检机控制信号的传输一般采用单路串行低速通信方式。对于这种传输方式,在FPGA上采用一种高效的数字时钟提取技术就十分必要。

  数字锁相环能让本地产生的时钟信号自动跟踪输入信号相位,从而实现一个闭环自动控制系统。数字锁相环的基本结构是由数字鉴相器(DPD)、数字环路滤波器(DLF)、数字可控振荡器(DCO)和本地时钟源(LC)组成的一个反馈环路,其具体原理框图如图1所示。

  基于数字锁相环的数据时钟提取系统工作原理如下:本地产生一个高频率的时钟,数字鉴相器通过输入信号与估算时钟进行鉴相比较,输出鉴相信息。之后由数字环路滤波器根据鉴相信息对相位误差进行平滑运算,输出数控振荡器控制信号,通过对本地估算时钟的相位调整,最终跟踪到输入数据的位同步时钟。

  数字鉴相器用于获取输入信号与本地估算时钟的相位比较信息,常用异或门实现。在数字鉴相器中,首先将输入信号的正向过零脉冲与本地估算信号的正向过零脉冲进行比较,从中得到一个表明相位提前或延后误差的脉冲输出,其宽度反映超前(滞后)相位的多少。当本地估算信号超前于输入信号时,其输出为超前脉冲,反之,则为滞后脉冲。综合考虑到安检系统中的控制信号属于数字信号,并且由于FPGA的资源主要用于完成采集数据的处理,应尽量减少对FPGA资源的使用。本文的方案采用了超前/滞后数字鉴相器。

  超前/滞后数字鉴相器硬件实现有两种方式,分为积分型结构与微分型结构。积分型结构的硬件实现比较复杂,但具有良好的抗干扰性能;微分型结构则具有相反特性。为了优化系统性能,选择使用微分型结构。尽管微分型结构的抗干扰能力较弱,但是结合安检机系统的实际环境,该结构可以满足系统需要。图2为微分型超前/滞后数字鉴相器的结构原理图,图3为其时序图。

  通过时序图可以看到,输入数据datain在本地估算时钟的边沿(包含上升沿和下降沿)触发下,依次存入寄存器a,b,c中。在时钟下降沿的触发下,通过对a,c信号进行异或运算,生成error信号,作为误差跳变绝对值输出。通过对b,c信号进行异或运算,生成sign信号,作为超前/滞后标志位输出。具体仿线可以发现,对于error信号,若前一位数据存在跳变,则输出高电平,否则输出低电平。对于sign信号,当估算时钟超前时,输出高电平,滞后时,输出低电平。该模块输出的两路信号将作为环路滤波器的输入信号,对下级结构进行控制。

  钟进行相位调整;其二,有数字滤波作用,对噪声信号及高频干扰信号起到较好的抑制作用。数字环路滤波器内部拥有容量为2N的计数器,能够有效消除随机出现的具有正态分布特性的噪声信号。容量2N值越大,对噪声抑制效果越好,但同时2N值越大,跟踪速度越慢,实时捕捉能力下降。所以设计时,2N值的选取要综合考虑安检系统的实际参数要求。出于减少占用FPGA系统资源的考虑,该系统采用随即徘徊滤波器作为实现方案。该滤波器原理框图如图5所示。

  在实现方案中,环路滤波器通过加减计数逻辑单元实现。通过读取鉴相单元输出的两路使能信号对计数器进行代数累加或累减操作,当达到记数的边界值0或2N时在输出端送出insert(插入时钟周期)或deduct(扣除时钟周期),与此同时,计数器内部寄存器值从2N自动恢复到N,重新开始。

  该模块如图6所示,其中clkl是记数时钟,由数控振荡器模块内部分频得到;clr是启动清零控制端;en接前端模块的error信号,该引脚是对记数功能的使能,即在输入数据(Data_in)有跳变时,才能判断相位误差;up_down是加减记数输入,与上级模块的sign使能信号相连,当sign=1时,做累加操作,当sign=0时,做累减操作,直到代数累加/累减运算到0或2N时,再对累加/累减计数器进行恢复。

  在安检机控制信号中,考虑到随机噪声引起的相位误差输出长时间地保持在同一极性,误差很小,在该模块中会被有效抵消,而不会传到后级模块,从而可达到抑制噪声的目的。与此同时,根据安检机系统参数的要求,取N=512,当处于累加计算时,计算上限为1 023;当处于累减计算时,计算下限是O。

  数控振荡器的主要功能是根据前级环路滤波器模块输出的insert和deduct:控制信号,生成本地估算时钟clk_e,该时钟即为数字锁相环(DPLL)最终提取到的数据时钟。此外,在本设计中,数控振荡器整合了本地时钟模块的功能,同时产生了用于整个系统的各路时钟信号,从而使系统各个模块能够协调工作,保证了系统运行的稳定性和可靠性。数控振荡器模块分为两个基本模块,即catch和div模块。具体结构图如图7所示。

  在本系统中,FPGA上用于驱动高速采样数据发送的主时钟为64 MHz,因此本设计中的全局时钟Gclk频率为64 MHz,这样可以有效节约FPGA上的硬件PLL资源,提高了硬件使用效率。

  在catch模块内部,首先对全局时钟Gclk进行4分频,由于Gclk的设计频率为64 MHz,实现4分频后达到16 MHz。之后,catch模块根据前端环路滤波器的输出信号insert和reduct,在分频后的16 MHz时钟推动下,若insert信号出现高脉冲,自动在4分频后的时钟上补充一个Gclk时钟周期的延时,该操作仅对insert信号的高脉冲上升沿有效;相类似,若reduct信号出现高脉冲,自动在4分频后的时钟上扣除一个Gclk时钟周期。

  该模块为catch单元的后级,其主要功能是根据catch给出的Gelk_out信号进行N分频。在本系统中,需要恢复频率为4 MHz的数据时钟,因此这里第一个分频系数N=4,输出为1*=4 MHz的时钟信号(clk_e),第二个分频时钟为数字环路滤波器的记数时钟,该信号是经过2分频(频率为8 MHz)后的时钟信号,用于进行DLF滤波。与此同时,也可以加速该时钟,这样可以缩短捕捉时间,并且扩展其捕捉带宽。该数控振荡器的加扣时钟和分频的综合仿线所示。

  从该时序图可以看到,在insert与reduct信号的控制下,模块内部进行加/减时钟操作,最终在输出时钟信号中得到延时或者扣除节拍的捕捉效果。

  结合安检机控制信号的实际传输情况,确定设计要求,对整体系统进行时序仿真。其中,选定Gclk频率为64 MHz,数据速率为4 Mb/s,并设定初始状态中,估计时钟和数据的相位差为103.775 ns,显示结果为相位滞后。根据数字锁相环的基本原理,必须进行扣脉冲的操作后才能最终提取到同步时钟。鉴于该系统需要的捕获精度较高,因此捕获时间较长,并且由于整个仿真界面有限,只能观察到时钟提取过程,具体如图9所示。

  由图9可以看出,从箭头处开始,出现了扣脉冲和加脉冲循环出现的情况,对于该情况分析如下:

  由于初始设定的估计时钟相位滞后为103.775 ns,从图9仿真结果可以看出,在经历了7次扣脉运算后,由于每次扣脉冲的时间是1/(64×106)=15.225 ns,那么7个扣脉冲的时间就是15.225 ns×7=106.575 ns。在7个时钟扣除以后,相位又超前了106.575-103.775=2.8 ns,因此后续的操作必须加脉冲,从而实现相位捕捉。因为每加一个脉冲是15.225 ns,之后会再次出现相位滞后,又进行扣脉冲操作。如此循环,直到最终接近极限,提取到稳定的时钟信号。

  Signal TapⅡ逻辑分析器是Quartus软件中集成的一个内部逻辑分析软件,使用它可以观察设计的内部信号变化,为FPGA设计的调试、开发带来极大的方便,实用性很高。以下各图为Quartus软件中SignalTapⅡ实时观察到的数据。

  相位调整验证如图11所示。由图11可以发现,开始时钟的相位滞后于数据相位。因此经过调整,通过数字环路滤波器输出的reduct信号控制数控振荡器模块进行扣时钟操作,最终使本地估算时钟与数据时钟同步,正确地调整了相位。

  当该系统捕获到数据时钟后,就会稳定输出与数据信号同相的时钟信号,稳定状态截图如图12所示。

  利用FPGA开发平台所具有的Signal TapⅡ功能,成功地在硬件平台上验证了该系统的可行性与稳定性。

  目前,鉴于国际国内形势的发展,安检机系统得到了越来越广泛的应用,安检机中通信系统的发展也逐渐趋向高速化、高效化。对于采样数据量的增大,就要求有一条高速传输通道,同时,控制台低速控制信号的传输也要求有高效链路的构建。本文设计了一个高效时钟提取方案,并在FPGA上完成了验证。实验结果表明,基于

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  ACPF-7A24 2.4 GHz Wi-Fi带通滤波器,用于与LTE频段7,38,40A和41B共存

  Broadcom ACPF-7A24是一款芯片级带通滤波器,设计用于2401 MHz至2481.5 MHz的移动Wi-Fi /蓝牙应用。 ACPF-7A24 ACPF-7A24 ;与大容量,无铅SMT焊接工艺兼容,可以直接表面安装到PCB或传递模塑模块。 功能 50欧姆输入/输出 无需外部匹配 低插入损耗,高干扰拒绝 超小型尺寸:0.585 mm x 0.721 mm占地面积,0.244 mm最大高度 高额定功率:27dBm最大额定功率(LTE调制平均值) 保证性能 -30至85°C 符合RoHs 6 无卤素 不含TBBPA 应用 支持Wi-Fi /蓝牙的移动通信设备与其他无线标准同时运行...

  Broadcom ACPF-7624是一款芯片级带通滤波器,专为移动WiFi波段应用而设计。 ACPF-7624基于Broadcom创新的FBAR技术,旨在实现WiFi与移动设备应用的其他无线欧姆输入/输出 无需外部匹配 低插入损耗,高拒绝 超小型尺寸:0.71x0.92 mm占地面积,0.25 mm最大高度 高额定功率:29dBm绝对最大输入功率 环境:符合RoHS 6,无卤素,不含TBBPA 应用 WiFi,移动和便携式通信设备...

  Broadcom ACPF-7124 是一款小型带通滤波器,专为2.4 GHz工业,科学和医疗设计( ISM

  乐队。 ACPF-7124 解决了启用WiFi和/或Bluetooth®的并发操作的设计问题。与其他无线 GHz WiMAX , PCS 和 LTE Bands 7 和40不会因相邻无线电干扰而导致性能下降。 功能 50欧姆输入/输出 无外部匹配要求 低插入损耗,高干扰抑制 超小型尺寸:1.1x1.4 mm占地面积,0.80 mm最大高度 高额定功率:27dBm Abs Max Tx Power 保证性能 -30至85°C 符合RoHs 6 无卤素 TBBPA Free 应用 手机,移动和便携式通信设备中的802.11 b / g / n WLAN或蓝牙数据通信。...

  Broadcom ACPF-8440是一款小型化带通滤波器,专为Band 40F高功率用户设备(HPUE)应用而设计。该设备支持+33 dBm(LTE调制)HPUE应用的功率要求和40F频段的低插入损耗。它可降低功率放大器输出并最大限度地降低电流消耗。 功能 50欧姆输入/输出 低插入损耗 ISM频段中的高抑制性和低谐波 超小型尺寸:1.4 x 1.8 mm占位面积,0.8 mm最大高度 高额定功率:+ 33dBm Avg, + 38dBm峰值 符合RoHS 6 无卤素 不含TBBPA 应用 在40F频段运行的高功率用户设备(HPUE)无线应用程序 ...

  Broadcom& ACPF-8041是一款小型化LTE Band 41 Tx / Rx带通滤波器,专为高功率用户设备和应用而设计(2496 MHz至2690 (MHz)。该设备支持HPUE应用程序的+33 dBm(LTE调制)功率要求。 Band 41中的低插入损耗降低了功率放大器输出并最大限度地降低了电流消耗,这对于HPUE应用非常重要。 功能 50欧姆输入/输出 低插入损耗 超小型尺寸:1.4 x 1.8 mm占地面积,0.775 mm最大高度 高额定功率:33 dBm avg, 33 dBm峰值(LTE调制) ISM频段中的高抑制和低谐波 性能,-20至85°C RoHs 6兼容 无卤素 不含TBBPA 应用 在41频段运行的高功率用户设备(HPUE)无线应用 ...

  Broadcom ACFF-1024 是一款小型化带通滤波器,专为2.4GHz工业,科学和医疗设计( ISM )band。 ACFF-1024 解决了启用WiFi和/或Bluetooth®的并发操作的设计问题。与其他无线标准例如2.5GHz WiMAX , PCS 和 LTE频段7 和40 ,不会因相邻无线电干扰而导致性能下降。 功能 50欧姆输入/输出 无需外部匹配 低插入损耗,高干扰抑制 超小型尺寸:1.1x1.4 mm占地面积,0.80 mm最大高度 高额定功率: 27dBm Abs Max Tx功率 工作温度:-40°C至85°C 符合RoHS 6 无卤素 TBBPA免费 应用程序 手机,移动和便携式通信设备中的802.11 b / g / n WLAN或蓝牙数据通信。...

  ACPF-7424 WiFi / ISM带通滤波器(2401 - 2482 MHz)

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  Broadcom ACPF-7141是一款专为LTE Band 41(2496-2690 MHz)设计的微型带通滤波器。该设备是一款高选择性带通滤波器,适用于移动和无线基础设施应用。 ACPF-7141设计用于多无线电系统,可实现LTE Band 41收发器与WLAN,WiFi和/或蓝牙无线欧姆输入/输出 无需外部匹配 低插入损耗,高干扰抑制 微型尺寸:2.0mm x 1.6mm占地面积,0.90mm最大高度 高额定功率:31dBm Abs Max Tx功率 符合RoHS 6 无卤素 TBBPA Free 应用 用于智能手机,平板电脑和移动/便携式通信设备的LTE Band 41应用程序...

  ACFM-2113 Band 1 / Band 3 Quadplexer

  Broadcom ACFM-2113是一款结合了Band 1&频段的四路复用器。带3双工器成单个微型封装。 Band 4双工器是共同绑定的。 ACFM-2113旨在允许单天线连接,并且无需天线还采用了Broadcom创新的Microcap键合晶圆芯片级封装技术。此过程使滤波器能够组装在一个尺寸为2 x 2.5mm,最大高度为0.80mm的模块中。 ACFM-2113的低Tx插入损耗做了一个通过延长电池寿命和降低功率放大器电流。 ACFM-2113在Rx端口具有低Rx插入损耗和高Tx信号抑制性,增强了接收器灵敏度和动态范围。 FBAR散装的出色功率处理能力模式谐振器支持移动设备中使用的高功率电平。 功能 单天线 高交叉带隔离 启用载波聚合 Band 4 Co-banding 微型尺寸 2 x 2.5mm占地面积 0.8mm最大高度 高功率等级 +31 dBm Max Tx功率 环境 符合RoHS 6 无卤素 TBBPA免费 应用程序 智能手机,平板电脑,移动/便携在第1频段和第3频段运行的通信设备,可以选择联合频段4 ...

  HCPL-7860 / HCPL-786J光隔离调制器和HCPL-0872数字接口集成电路或数字滤波器共同组成一个光耦隔离可编程双芯片模数转换器。隔离式调制器允许直接测量功率逆变器和汽车应用中的电机相电流。 在运行中,HCPL-7860 / HCPL-786J隔离式调制器(具有5000 VRMS介电耐压额定值的光耦合器)可转换低带宽通过Sigma-Delta(Δ)过采样调制器将模拟输入到高速一位数据流中。 这种调制提供高噪声容限和出色的隔离抗扰度 - 模式瞬变。调制器数据和片上采样时钟经过隔离边界编码和传输,在那里被恢复并解码为单独的高速时钟和数据通道。 功能 12位线 ns转换时间(预触发模式2) 5种分辨率/速度权衡的转换模式;具有20 us信号延迟的12位有效分辨率(14位,103 us) 快速3 us超范围检测 串行I / O(SPI,QSPI和Microwire兼容) ) / - 单电源电压为200 mV输入范围 1%内部参考电压匹配 偏移校准 -40 o C...

  Broadcom ALM-2203是一款微型高度集成的LNA滤波器RFIC模块。该模块旨在使卫星数字音频无线电服务(SDARS)信号与现代汽车中常见的蜂窝,WiFi,蓝牙和GPS信号共存。 该模块集成了三个低噪声放大器(LNA)采用微型5x5x0.95mm封装的Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)滤波器。该模块具有低噪声系数,高增益和低电流消耗,非常适用于关键的低功耗卫星数字音频无线电服务(SDARS)无线电系统。 功能 高级OOB P1dB,支持SDARS与蜂窝/ WiFi / GPS共存 高度集成的芯片模块,降低BOM成本和设计时间 低噪声系数(NF)增强SDARS接收器灵敏度 适用于带集成蜂窝/ WiFi发射器的SDARS天线mm适用于鲨鱼的包装-fin型天线 应用程序 SDARS Radio系统 ...

  众所周知,通用处理器(CPU)的摩尔定律已入暮年,而机器学习和 Web 服务的规模却在指数级增长。

  微软发布了 Project Brainwave,一个基于 FPGA 的低延迟深度学习云平台。微软官方....

  事实上,MCU对有些任务来说是很适合的,但对其它一些任务来说可能做的并不好。举例来说,当需要并行执行....

  带通滤波器可以理解成为一个电子接口单元,这个单元可以将特定频率范围内的信号传输过去,而阻断这个频率范....

  要做到将整个音频范围(20Hz-20kHz)的完整重地重放出来,就要求采用多个不同的扬声器来分别重放....

  2019年7月1日 - 全球发展最快的可编程逻辑公司广东高云半导体科技股份有限公司(以下简称“高云半....

  TM7705 是应用于低频测量的2/3 通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信....

  赛灵思、阿尔特拉、莱迪思、美高森美等公司用近9000项专利构筑的知识产权壁垒,很大程度上堵死了后来者....

  随着人工智能、深度学习等技术的兴起与成熟,起初为图像渲染而生的GPU找到了新的用武之地,以GPU驱动....

  2019 年 7月2日 – Molex旗下BittWare公司推出 TeraBox™ 1400B 服....

  可编程逻辑器件的英文全称为:programmable logic device 即PLD。PLD是做....

  大多数FPGA芯片是基于 SRAM 的结构的, 而 SRAM 单元中的数据掉电就会丢失,因此系统上电....

  AI语音助手和AI图像优化是离我们最近的AI应用,然而这只是AI能力比较初级的体现,未来,AI将会以....

  FPGA这个词可能很多人都有所耳闻,尤其是理工科的同学们大多数应该都自愿或被迫被这个词刷屏过。但要真....

  尽管大多数消费者今年不会急于购买5G手机,但电信运营商正加速推进5G网络建设,这对于上游的芯片厂商而....

  当使用现代宽带数据转换器时,管理产生的高速串行数据流是一个巨大的挑战。ESIstream 是一个开源....

  Si5345和SI5344及SI5342系列抖动衰减时钟倍增器的数据手册免费下载

  这些抖动衰减时钟倍增器结合了第四代DSPLL™和Multisynth™技术,为需要最高抖动性能的应用....

  所谓的频率特性,是指-一个放大电路对不同频率的输入信号,所表现出的不同性能。很显然,任何放大电路内部....

  现在,我们可以在家里跟我们的虚拟语音助手对话,以获取天气、播放音乐或者接听电话。拿起我们的智能手机,....

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  近期在研究FPGA System Planner的过程中,发现在调用原理图符号时需要指定一个原理图器....

  就在传出谷歌以及英国电信商对华为釜底抽薪后,一则强力支持国产集成电路企业的重磅消息公布。据权威媒体消....

  芯片,是最近的热门话题,我们要关注的不仅仅是手机芯片,也要关注汽车芯片,更何况智能网联汽车业需要大量....

  众所周知,放大器是一种对各参量进行放大的仪器,因此电荷放大器字面就可理解为放大电荷的仪器。

  VGA(视频图形阵列)作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。依据VGA显示原理,介绍了利用FPGA实....

  Intel的最新FPGA芯片可能已经被误认能秒杀AMD的三代锐龙,其实这是不同于三代锐龙的10nm ....

  FPGA是一种非常重要的芯片,美国国防后勤局就曾采购过赛灵思的FPGA用于监视、侦察和火控系统中红外....

  现在来分析下此电路的工作过程。VO1 和VO2 分别是反相器G2 的输入和输出,所以VO1和VO2 ....

  兆欧表俗称摇表,它是电工常用的一种测量仪表,主要用来检查电气设备、家用电器或电气线路对地及相间的绝缘....

  实现5G下一代核心和虚拟无线电接入网解决方案,英特尔开发了FPGA可编程加速卡N3000。N3000....

  管脚是FPGA重要的资源之一,FPGA的管脚分别包括,电源管脚,普通I/O,配置管脚,时钟专用输入管....

  
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