Protojen pikainen luominen nopeista datajärjestelmistä kohtaa monia haasteita, mutta piirien konfigurointi ei saisi olla sellainen. Modulaarinen lähestymistapa suunnittelukonseptin testaamiseen ja protojen luomiseen antaa suunnittelijoille ripeästi tuloksia ja kasvattaa luottamusta valittuun lähestymistapaan sekä tuottaa nopeasti arvokkaita reaalimaailman ratkaisuja. Nopeiden datamuuntimien ja ohjelmoitavien piirien yhdistelmä tarjoaa suunnittelutiimeille merkittäviä etuja kohdemarkkinoiden vaatimusten täyttämiseksi.

Digitaalista tiedonsiirtoa tukevia järjestelmän hienorakenteita pidetään yleisesti itsestäänselvyytenä. Insinöörit kuitenkin arvostavat sekä näiden rakenteiden monimuotoisuutta että niiltä vaadittavaa kurinalaisuutta järjestelmien toimivuuden takaamiseksi, vaikkei näkyvyys itse hienorakenteisiin olekaan täydellinen.

Vaikka päähuomio olisi digitaalisessa kokemuksessa, järjestelmien digitaalisten ja analogisten osien on jatkuvasti kohdattava ja keskusteltava keskenään kaikilla tasoilla, jotta nykyaikaisten tietoverkkojen toiminta olisi mahdollista. Saumaton liikkuminen verkkojen välillä mahdollisimman vähän niiden datasisältöä häiriten edellyttää paitsi erittäin tarkasti toimivia piirirakenteita ja laitteita myös yhä enemmän huippunopeita muunnoksia.

Analogisten ja digitaalisten alueiden väliset muunnokset nähdään usein pullonkauloina järjestelmissä, jotka sisältävät sekä digitaalisia että analogisia signaaleja ja joissa joudutaan jatkuvasti käymään vaihtokauppaa nopeuden ja tarkkuuden välillä. Nyt tarjolla on kuitenkin laaja valikoima AD- ja DA-muunninpiirejä, jotka yltävät muunnoksissa jo gigabittien sekuntinopeuksiin. Näiden huipputehokkaiden piirien hyödyntäminen on aiemmin ollut pitkälle erikoistuneiden insinöörien osaamisaluetta, mutta maailmanlaajuisen kysynnän kasvaessa tarve helpottaa tehokkaiden muunnosratkaisujen soveltamista on lisääntynyt jatkuvasti. Tehokas tapa edetä asiassa on modulaarisen lähestymistavan tuominen tuotekehitykseen ja suunnittelukonseptien testaukseen.

Luonteva kumppanuus

Vaikka nopeat muuntimet kykenevät jakamaan dataa keskeytyksettä, siirrettävä informaatio täytyy edelleen käsitellä myös toisella puolella. Yleensä suuria nopeuksia vaativissa järjestelmissä tämä annetaan ASIC-piirien tai FPGA-piirien hoidettavaksi, sillä ne kykenevät säilyttämään samantasoisen suorituskyvyn, joka vaaditaan koko järjestelmän suuren kaistaleveyden ylläpitämiseksi.

Vaikka ASIC-piiri voi olla tarkoituksenmukainen ratkaisu tuotantovalmiissa kohteissa, suunniteltava järjestelmä ei yleensä ole vielä riittävän vakaa kehitysvaiheessa ja konseptin testausvaiheessa, jotta ASICien käyttäminen olisi mielekästä. Tämän vuoksi FPGA on ihanteellinen ratkaisu suunnitteluvaiheessa olevien järjestelmien huippunopeisiin muunnoksiin.

Nopeita muunnoksia sisältävän alijärjestelmän kehittäminen voi jo sinällään olla haastavaa, mutta sen liittäminen yhteen huipputehoisen FPGA-piirin kanssa vielä lisää kehitystyön haastavuutta. Vahvalla panostuksella ja tiiviillä yhteistyöllä Analog Devices (ADI), Xilinx ja Silica ovat kuitenkin onnistuneet ratkaisemaan nämä haasteet. Käyttämällä Xilinxin FPGA-kehitysalustoja ja ADI:n laajaa lisäkorttivalikoimaa järjestelmien kehittäjät voivat hyödyntää kaikki edut, jotka saavutetaan liittämällä tehokkaat FPGA-piirit puoliksi määritellyssä muodossa yhteen nopeiden datamuuntimien kanssa. Tämä mahdollistaa erittäin nopeasti valmistuvat prototyypit sekä suunnittelukonseptin testausvaiheen etenemisen nopeasti ja tehokkaasti.

Datankeruu- ja signaalisynteesisovelluksiin tarkoitetun ADI:n evaluointikortin AD-FMCDAQ2-EBZ lohkokaavio.

Käyttämällä alan standardirakenteita ja -liitäntöjä, kuten FMC (FPGA Mezzanine Card) ja Digilentin Pmod, suunniteltavat piirikortit ja alustat voidaan konfiguroida nopeasti, sillä suuri osa tarvittavasta IP:stä on jo valmiiksi tarjolla, mikä keventää merkittävästi suunnittelun työmäärää. Yhteistyöllä Xilinxin ja ADI:n tarjoamat huipputason ratkaisut voidaan yhdistää datankeruu- ja muunnosjärjestelmiksi, joiden datanopeudet yltävät yli kolmeen gigabittiin sekunnissa. Järjestelmät kattavat bittileveydeltään ja resoluutioltaan erittäin laaja-alaisesti loppukäyttäjien asettamat vaatimukset useissa eri sovelluskohteissa esimerkiksi tietoliikenteessä, tutkajärjestelmissä sekä vaativissa mittaus- ja testauslaitteissa.

Kattavat kehitysalustat

Xilinxin 7-sarja edustaa yhtiön ohjelmoitavien piirien perheessä vahvaa suorituskykyä ja joustavuutta. Valikoimaan kuuluu FPGA-, SoC- ja 3D-piirejä, joissa yhdistyvät puolijohdevalmistuksen edistyneimmät teknologiat ja tuotantoprosessit.

Virtex-7-, Kintex-7- ja Zynq-7000-perheiden ohjelmoitavia piirejä tukevat kattavat evaluointialustat kuten ZC706, jossa yhdistyvät SoC-järjestelmäpiiri XC7Z045 ja lisenssi Vivado Design Edition -suunnitteluohjelmistoon sekä tuki tytärkorteille Pmod- ja FMC-liitäntöjen kautta. Tämän ansiosta ZC706-alustaa, kuten useita muitakin Xilinxin ohjelmoitavia piirejä tukevia alustoja, voidaan laajentaa hyödyntämällä ADI:n runsasta lisäkorttivalikoimaa nopeisiin datamuunnoksiin ja myös muille sovellusalueille.

Tärkeä seikka liitäntävaihtoehdoissa on tuki JESD204B-standardille FMC-liitännän kautta. Kyseessä on JEDEC-standardointiyhteisön luoma sarjaliikenneprotokolla, joka vähentää tarvittavien kytkentöjen lukumäärää nopeiden muunninpiirien ja muiden piirien välillä. Siitä on tulossa oletusliitäntä monissa sovelluksissa, kun yhä useammat valmistajat ovat omaksuneet sen tuotteisiinsa. Liitäntää tukeva IP on sisällytetty Xilinxin evaluointialustaan.

Vaikka JESD204-liitäntä on ollut tarjolla jo vuosia, se on kehittynyt rinta rinnan datamuuntimien nopeuden ja resoluution kanssa. Tänä päivänä liitännän nastamäärä on alhaisempi ja nopeus suurempi kuin muilla nykyisillä vaihtoehdoilla. Lisäksi se tarjoaa skaalattavuutta tulevaisuuden tarpeita silmällä pitäen. Alkuperäinen liitäntästandardi JESD204 määritteli datansiirtonopeudeksi 312,5 Mb/s – 3,125 Gb/s, kun taas uudempi B-versio tarjoaa linjanopeudeksi jopa 12,5 gigabittiä sekunnissa. Xilinx tarjoaa JESD204B-liitännän piireihinsä LogiCORE- IP-lohkona. Se tukee standardin mukaisesti 12,5 Gb/s nimellisnopeutta ja 16 Gb/s maksiminopeutta enimmillään 32 datalinjan rakenteissa. Piirin IP voidaan konfiguroida joko lähettimeksi tai vastaanottimeksi riippuen siitä, käytetäänkö liitäntää DA- vai AD-muunnoksiin.

ADI on nyt ottanut JESD204B-liitännän käyttöön huippunopeissa datamuuuntimissaan. Esimerkiksi AD9250 on kaksois-muunnin, joka tarjoaa 14 bitin erottelukyvyn enimmillään 250 meganäytteen sekuntinopeudella. Piirin häiriötön dynaaminen alue on 88 dBc mitattuna 185 megahertsin taajuudella ja 250 meganäytteen sekuntinopeudella.

AD9250-muunninta tukee kehityskortti AD-FMCJESDADC1-EBZ, joka sisältää kaksi kaksikanavaista muunninta sekä huippunopean JESD204B-sarjaliitännän, jonka ansiosta sen voi suoraan liittää Xilinxin KC705-, VC707- ja ZC706-kehitysalustoihin.

Huippunopeita muunnoksia

Nopean datankeruujärjestelmän luomisesta Xilinxin evaluointialustaa ja ADI:n FMC/Pmod-lisäkortteja käyttäen tulee ’kytke ja käytä’ -tyyppinen prosessi. Suhteellisen vähäisellä konfiguroinnilla suunnittelija voi evaluoida järjestelmän ADI-piirit käyttämällä FPGA-korttia ja yksinkertaisesti ajamalla skriptikoodin, joka on sisällytetty referenssisuunnitelman zip-tiedostoon. Joka kerta kun skripti ajetaan, data kerätään .csv-muotoiseksi (comma-separated values) tiedostoksi offline-analyysiä varten. Valitsemalla sopiva lisäkortti sovellusta varten suunnittelukonseptin testauksesta selvitään murto-osassa ajasta, joka vaadittaisiin tavanomaista suunnittelupolkua noudatettaessa.

Tätä suunnittelumenetelmää tukeakseen ADI tarjoaa laajan valikoiman lisäkortteja, jotka tukevat kattavasti yhtiön AD- ja DA-muunninpiirejä. Näitä täydentämään ADI tarjoaa myös referenssisuunnitteluja, jotka mahdollistavat muunninten evaluoinnin Xilinxin alustoilla. Valikoimassa on tuotteita, jotka sisältävät sekä AD- että DA-muunnokset samalla kortilla, mikä mahdollistaa kokonaisen datankeruujärjestelmän rakentamisen. Hyvä esimerkki on evaluointikortti AD-FMCDAQ2-EBZ, joka on FMC-formaatin mukainen laajakaistainen datankeruu- ja signaalisynteesimoduuli.

JESD204-liitäntäversioiden vertailu.