„Plug & Play“-Ansatz von ADI und Xilinx Rapid-Prototyping-Plattformen zur schnellen Datenwandlung

Hochgeschwindigkeitssysteme für den digitalen Informationsaustausch zu entwickeln, birgt zahlreiche Herausforderungen. Die Konfiguration der Hardware sollte aber keine davon sein. Schnelle Datenwandler, kombiniert mit leistungsstarken FPGA-Systemen, sind das Mittel der Wahl.

Infrastrukturen, die den Austausch digitaler Informationen stützen, werden heutzutage als selbstverständlich erachtet. Ingenieure, bisweilen nur mit bedingter Einsicht in Details dieser Infrastrukturen, sind nicht nur mit der damit verbundenen Komplexität konfrontiert. Vielmehr benötigen sie Fachwissen aus unterschiedlichen Disziplinen, um derartige Systeme zu entwickeln.

Der Schwerpunkt mag zwar auf den Möglichkeiten der Digitaltechnik liegen, aber zwischen dem digitalen und dem analogen Bereich sind die Übergänge für das Design moderner Kommunikationsnetze auf jeder Ebene fließend. Sich nahtlos zwischen diesen beiden Bereichen zu bewegen, mit minimalen Auswirkungen auf die zugrunde liegenden Daten, erfordert zum einen Präzisionshalbleiter, zunehmend aber auch immer schnellere Wandler. Die Konvertierung zwischen beiden Domänen stellt oftmals den Flaschenhals in Systemen dar, die sowohl digitale als auch schnelle analoge Signale verarbeiten. Der Kompromiss liegt zwischen Geschwindigkeit und Präzision. 

Inzwischen gibt es eine Vielzahl von A/D- und D/A-Wandlern, die Konvertierungsraten von Gigabit pro Sekunde erreichen und gleichzeitig mit exzellenter Genauigkeit aufwarten.

Zugang und Einsatz dieser Hochleistungswandler waren in der Vergangenheit oft Spezialisten in dedizierten Segmenten vorbehalten. Angesichts der steigenden weltweiten Nachfrage muss diese Technologie einfacher zugänglich werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht in der Anwendung eines modularen Ansatzes in den Bereichen FuE sowie Proof-of-Concept-Design.

Eine komplexe Verbindung

Zwar können Hochgeschwindigkeitswandler Informationen verarbeiten, ohne Datenstau zu verursachen; die Informationen müssen am Ende aber verarbeitet werden. Diese Aufgabe wird in Hochgeschwindigkeits-Systemen häufig von einem ASIC oder einem FPGA übernommen, da sie genau die Leistungsfähigkeit bieten können, die zur Aufrechterhaltung einer hohen Bandbreitenausnutzung erforderlich ist. 

Während ein ASIC in einem produktionsreifen Design angebracht sein mag, ist das Systemdesign in den Phasen FuE und Proof-of-Concept für seinen Einsatz weniger geeignet. Aus diesem Grund sind FPGAs die ideale Ergänzung zur schnellen Konvertierung.

Ist die Entwicklung eines schnellen Datenkonvertierungs-Subsystems schon anspruchsvoll, so wird die Herausforderung gesteigert bei der Kopplung eines leistungsstarken FPGAs. Durch gemeinsame Abstimmung und in enger Zusammenarbeit wurde diese Herausforderung von ADI, Xilinx und Silica erfolgreich gemeistert. Unter Verwendung der FPGA-Entwicklungsplattformen von Xilinx, gepaart mit Add-On Boards von ADI, können Entwickler nun die Vorteile der Kombination leistungsfähiger FPGAs mit schnellen Datenwandlern in einem vorkonfigurierten Format nutzen. Dies vereinfacht eine schnelle Prototypenfertigung und die zügige Entwicklung von Proof-of-Concept-Designs.

Mit Branchenstandards und Spezifikationen wie FMC (FPGA Mezzanine Cards) sowie Schnittstellen wie Pmod von Digilent können Applikationen und Plattformen schnell kon-figuriert werden. Außerdem werden die benötigten IP-Cores großteils ebenso bereitgestellt, wodurch sich der Entwicklungsaufwand erheblich verringert. Aufgrund der Koopera-tion lassen sich Lösungen von Xilinx und Analog Devices miteinander verbinden, um Datenerfassungs- und -konvertierungssysteme zu liefern, die Datenraten von über 3 GBit/s erreichen. Mit den verfügbaren Bitraten und -auflösungen können zahlreiche Endmärkte bedient werden, einschließlich Telekommunikation, Radarsysteme sowie High-End-Prüf- und -Messequipment. 

Entwicklungsplattformen

Die 7er-Serie von Xilinx steht für Leistung und Flexibilität; sie umfasst FPGAs, SoCs und 3D-ICs und bietet damit die fortschrittlichsten Technologien, hergestellt auf Leading-Edge-Prozessen der Halbleiterindustrie. Für die Device-Familien Virtex-7, Kintex-7 und Zynq-7000 sind umfangreiche Evaluierungsplattformen verfügbar, wie beispielsweise die ZC706-Plattform, in die das SoC XC7Z045 integriert ist. Einher geht die zugehörige umfassende Entwicklungsumgebung: Vivado Design Suite. Design Edition und die Unterstützung von Daughter-Boards sowohl über PMOD- als auch FMC-Schnittstellen erlauben die Realisierung vieler und Applikationen. Damit sind die Anwendungsgebiete nicht allein auf schnelle Wandler beschränkt und flexibel skalier und erweiterbar.

Ein wichtiger Aspekt der Schnittstellenoptionen ist die Unterstützung des JESD204B-Standards über die FMC-Schnittstelle. Dabei handelt es sich um ein von JEDEC entwickeltes serielles Protokoll zur Reduzierung der Anschlüsse zwischen schnellen Datenwandlern und anderen Geräten. Es entwickelt sich gerade rasant zur Standardschnittstelle und wird von einer wachsenden Anzahl von Anbietern übernommen. IP-Cores zur Unterstützung der Schnittstelle sind in der Xilinx-Evaluierungsplattform inbegriffen.

Seit mehreren Jahren auf dem Markt entwickelt sich die JESD204 entsprechend der gestiegenen Anforderungen. Sie bietet eine geringere Anzahl Pins und eine höhere Geschwindigkeit als frühere Schnittstellen oder Alternativen mit erheblichen Vorteilen. Die ursprüngliche Revision, JESD204, definierte eine Datenrate von 312,5 MBit/s bis 3,125 GBit/s, während die JESD204B-Revision eine Datenübertragungsgeschwindigkeit bis zu 12,5 GBit/s bietet. Xilinx bietet die Implementierung der JESD204B im sogenannten LogiCORE. Diese unterstützt 12,5 GBit/s gemäß Spezifikation. Die Maximalgeschwindigkeit in Konfigurationen von bis zu 32 Leitungen (Lanes) geht bis zu 16,5 GBit/s. Das IP kann entweder als Sender oder als Empfänger für den Anschluss an einen D/A- bzw. A/D-Wandler konfiguriert werden. 

Analog Devices hat die JESD204B in seine Hochgeschwindigkeitswandler implementiert, wie etwa den AD9250, einen dualen A/D-Wandler mit einer Auflösung von 14 Bit und Abtastraten bis 250 MSamples/s sowie einem SFDR von 88 dBc bei 185 MHz AIN und 250 MS/s. 

Der AD9250 wird vom Kit AD-FMCJESDADC1-EBZ unterstützt, das mit zwei der Dualkanal-Wandler und einer seriellen JESD204B-Hochgeschwindigkeitsschnittstelle ausgestattet ist. Per FMC kann er direkt an die Entwicklungsplattformen KC705, VC707 und ZC706 von Xilinx angebunden werden.

Schnelle Konvertierung

Die Entwicklung eines schnellen Datenerfassungssystems mithilfe der Xilinx-Evaluierungsplattform und der FMC/PMOD-Boards von ADI bietet einen Plug-and-Play-An-satz. Mit vergleichsweise geringem Konfigurationsaufwand kann ein Ingenieur die Analog-Devices-Hardware mit dem FPGA-Board evaluieren, ermöglicht durch die im Referenzdesign enthaltenen ausführbaren Script-Files. Bei jeder Ausführung des Skripts werden Daten erfasst und in einer durch Trennzeichen getrennten Datei (.csv) zur rechnerunabhängigen Analyse gespeichert. Durch die Auswahl der richtigen Erweiterungskarte für eine Anwendung kann der Machbarkeitsnachweis in einem Bruchteil der Zeit erbracht werden, die im Rahmen herkömmlicher Designverfahren erforderlich wäre. 

Ermöglicht wird dieser Designansatz durch ADIs Extension-Boards, die eine große Auswahl seiner A/D- und D/A-Wandler bieten. Ergänzende Referenzdesign-Packages ermöglichen die zügige Evaluierung auf Xilinx-Plattformen. Dies beinhaltet auch Boards, die ein komplettes Datenerfassungssystem abbilden, mit High-Speed A/D- und D/A-Wandler auf einer Platine. Ein Beispiel dafür ist das AD-FMCDAQ2-EBZ, ein Breitband-Datenerfassungs- und Signalsynthese-Referenz-Design im FMC-Formfaktor.

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