光模数转换中后端数据接收系统的设计与实现

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1、申请上海交通大学硕士学位论文光模数转换中后端数据接收系统的设计与实现硕士姓名：吴港生专业：电磁场与微波技术班级：B1003491学号：1100349020研究方向：信号处理导师：陈建平教授上海交通大学电子信息与电气工程学院二零一二年十二月万方数据DesignandImplementationofdatareceivingsystemforOpticalAnalog-to-DigitalConversionByWu,GangshengADVISOR:Prof.Chen,JianpingATHESISSUBMITTEDTOSHANGHAIJIAOTONGUNIVERS

2、ITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEOFMASTEROFSCIENCEDepartmentofElectronicEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityDecember2012万方数据万方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要光模数转换中后端数据接收系统的设计与实现摘要模数转换（analog-to-digitalconversion,ADC）是数据采集的重要组成部分，它将模拟信号转换为方便存储和处理的数字信号。随着电子技术的发展，电模数转换的采样带宽和有效比特

3、位数等方面的性能在不断提高，但受限于“电子瓶颈”，如电采样时钟的抖动性能，电模数转换器无法直接实现超宽带信号的无失真采样，难以满足通信领域对模拟信号带宽日益增长的需求。光子学技术具有超宽带、高精度、低抖动、高稳定性等特点，利用光子学技术在光域进行信号处理，能够克服电采样的瓶颈，显著提高模数转换的性能，是一种提高模数转换采样率与有效比特的有效途径。为了处理和显示因采样率和有效比特数极大提高带来的高速、大容量数据流，光模数转换的后端数据接收系统必须具备高速、大容量的存储与传输能力。本文设计并实现了光模数转换中后端高速数据接收系统，包括数据存储和传输。该系统基于现场可编

4、程逻辑门阵列（FPGA），采用DDR3SDRAM作为存储介质，利用PCIExpress总线通过存储器直接访问（DMA）机制实现数据的高速输出。首先，比较分析了常用数据采集系统的硬件结构，根据光模数转换中后端电ADC的布局和FPGA的性能，设计了单处理核心、多处理核心的硬件架构，以及DDR3SDRAM存储控制和PCIExpress应用层传输的逻辑架构，详细阐述了存储和传输逻辑的工作流程，制定了第I页万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要主从FPGA数据通信的帧格式。然后，在FPGA平台上实现了存储和传输逻辑的功能模块，分析了存储逻辑的设计原理，详细阐述了存储和传输逻辑

5、功能模块的状态机工作流程。最后，构建了DDR3SDRAM存储模型和PCIExpress事务模型以仿真验证存储传输逻辑功能，并搭建了一个单通道的数据接收系统，开发了基于Linux的PCI设备驱动，对单通道系统进行了存储和传输带宽、延时等性能测试。测试结果表明，存储逻辑的带宽效率为100%；传输逻辑的带宽效率为81.4%。关键词：模数转换；存储控制；PCIExpress；DMA控制器；FPGA第II页万方数据上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTDesignandImplementationofdatareceivingsystemforOpticalAnalog-

6、to-DigitalConversionABSTRACTAnalog-to-digitalconversion(ADC)isthekeycomponentofdataacquisition.Itconvertstheanalogsignaltodigitalsignaltobeeasilystoredandprocessed.Withthedevelopmentofelectronictechnology,theperformancesofelectronicADC(EADC),suchasthesamplingbandwidthandeffectivenumbe

7、rofbits(ENOB),havebeencontinuouslyimproved.However,EADCstillcouldnotmeetrequirementsinthefieldofcommunicationwhichanalogsignalbandwidthisgrowingfast.Dueto“electronicbottleneck”,especiallytheelectronicsamplingclockjitter,EADCisunabletodirectlysampletheultra-widebandsignalwithoutanydist

8、ortio