디질런트의 FPGA기반 신호 처리 시스템 구현

[테크월드=김경한 기자]

신호 처리 애플리케이션을 구동하기 위해서는 높은 컴퓨팅 성능과 전력 효율성이 필요하다. 이에 대한 솔루션을 제공하기 위해 디질런트는 최근 내장 측정 시스템 FPGA 보드 인 이클립스 Z7(Eclypse Z7)를 출시했다. 이는 엣지 컴퓨팅, 의료, 통신 애플리케이션을 위한 고속 계측, 제어∙측정 시스템에 이상적이다. 

이클립스 Z7 생태계에는 Zmod ADC 1410과 Zmod DAC 1411도 포함돼 있다. 먼저 Zmods 제품은 FPGA 보드의 고속 I/O 확장 표준인 SYZYGY 규격으로, Pmod 표준과 FMC 사이에 적합하도록 고안됐다. SYZYGY 표준은 Pmod보다 훨씬 높은 속도와 대역폭 디지털 인터페이스를 제공하지만 FMC보다 훨씬 작고 저렴한 폼팩터(Form-Factor)를 제공한다. 이에 따라 사용자는 FPGA 개발 보드를 애플리케이션에 적합한 I/O로 구성할 수 있다.

Zmod ADC 1410에는 아날로그 디바이스 AD9648, 듀얼 채널, 고속, 저전력, 14비트, 105MS/s 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 탑재돼 있다. Zmod ADC는 SYZYGY 캐리어에 의해 구동되며, 두 개의 동시 신호(1MΩ, ±25V, 싱글 엔드, 14bit, 100MS/s, 70MHz+ 대역폭)를 수신할 수 있다. 아날로그 입력은 SMA 케이블을 사용해 회로에 연결할 수 있다.

Zmod DAC 1411에는 아날로그 디바이스 AD9717 듀얼 채널, 고속, 저전력, 14bit, 125MS/s 디지털-아날로그 컨버터(DAC)가 탑재돼 있다. SYZYGY 반송파에 의해 구동되는 Zmod DAC는 두 개의 동시 신호(50Ω, ±5V, 싱글 엔드, 14bit, 100MS/s, 40MHz+ 대역폭)를 생성할 수 있다. 아날로그 출력은 SMA 케이블을 사용해 회로에 연결할 수 있다.

이 신호 처리 시스템에서는 USB 다중 계측기 디질런트 아날로그 디스커버리 2(Digilent Analog Discovery 2)를 사용해 아날로그 신호를 생성한다. 이후 주파수 도메인과 BNC 어댑터에서 출력 신호를 시각화해 Zmod에서 아날로그 디스커버리 2까지의 신호를 수집한다.

이 데모를 위해 구현된 시스템의 간단한 블록 다이아그램은 [그림 6]과 같다. 

아날로그 디스커버리 2의 아날로그 신호는 Zmod ADC 1410을 통해 디지털로 변환된 후 디지털 저역 통과 필터(LPF)의 입력으로 전달된다. 디지털 저역 통과 필터는 자일링스 FIR(Xilinx FIR) 컴파일러 7.2 IP 코어(Core)에 의해 생성되며 필터의 출력은 Zmod DAC 1411을 통해 다시 아날로그로 변환된다. 이런 디지털 신호는 Zmod DAC 144 출력 채널 1을 통해 시각화할 수 있다. 이 설정을 사용하면 Zmod DAC 1411의 게인 설정에 관계없이 필터의 주파수 응답을 정확하게 측정할 수 있다. 마지막으로 Zmod ADC 1410 출력 채널을 Zmod DAC 1411 입력 채널 1에 직접 연결하는 디지털 루프백을 통해 위상 오류를 시정한다.

Zynq 7020의 프로그래밍 로직은 다음과 같은 경우에 사용된다. 

1. Zmod ADC 1410 하드웨어 초기화 및 사용자 클럭 도메인의 수신 데이터 동기화

2. 자일링스 FIR 컴파일러 7.2 IP 코어에 의한 디지털 저역 통과 FIR 필터 생성

3. Zmod DAC 1411 하드웨어 초기화, AD9717; DAC 요건에 따라 출력 데이터 포맷

프로젝트에 필요한 것은 다음과 같다. 

▶하드웨어

1. Eclypse Z7

2. 한 개의 Micro-USB 케이블, 12V 파워 서플라이

3. Zmod ADC 1410

4. Zmod DAC 1411

5. 아날로그 디스커버리 2(AD2)

6. 디스커버리BNC 어댑터

▶소프트웨어
1. 설치된 디질런트 보드 서포트 파일과 함께 비바도 디자인 수트(Vivado Design Suite) 2019.1

2. 웨이브폼 소프트웨어(Waveforms Software)

▶하드웨어 설정

1. 마이크로USB(MicroUSB) 케이블을 사용해 아날로그 디스커버리 2 보드를 호스트 컴퓨터에 연결한다. 

2. PROG MicroUSB 포트를 통해 마이크로USB 케이블을 사용해 이클립스 Z7 보드를 호스트 컴퓨터에 연결하고, 12V 전원 공급 장치를 사용해 보드에 전원을 공급한다. 전원 스위치를 켜려면 뒤집어야 한다. 

3. 다음과 같이 두 Zmods ADC와 DAC를 이클립스 Z7 보드의 Zmod 커넥터에 연결한다. 

 (1) Zmod ADC 1410을 보드의 ZMOD 커넥터에 연결한다.

 (2) Zmod DAC 1411을 보드 4의 ZMOD B 커넥터에 연결.  BNC 어댑터 보드를 아날로그 디바이스 2 보드 5에 연결한다.

 (3) 아날로그 아날로그 디바이스 2 AWG1를 Zmod ADC 1410 CH1에 연결한다.

 (4) Zmod ADC1410을 이클립스 Z7 SYZYGY ZMOD A에 연결한다. 

 (5) Zmod DAC1411을 이클립스 Z7 SYZYGY ZMOD B에 연결한다. 

 (6) Zmod DAC1411 CH1를 Analog Discovery 2 SCOPE C2에 연결한다.

 (7) Zmod DAC1411 CH2를 Analog Discovery 2 SCOPE C1에 연결한다. 

[참고] Zmod는 SMA 커넥터를 사용하므로 Zmod-BNC 어댑터의 물리적 연결에는 BNC-SMA 케이블(또는 BNC 또는 SMA 케이블이 있는 BNC-SMA 어댑터)을 사용하는 것이 좋다. 

▶소프트웨어 셋업

1. 디질런트 비바도 스크립트 저장소의 README 파일에 제공된 지침에 따라 프로젝트를 재생성하라. git를 사용해 호스트 컴퓨터의 리포지토리를 복제하라. 

비바도를 열고 README의 워크플로우 1(이 서브모듈을 사용하는 Repo 클론 생성)에 제공된 지침을 사용하라. 다음 명령어를 실행하기에 앞서(파이썬 대신 비바도 TCL 콘솔을 사용하는 경우), 디렉토리를 Eclypse-Z7-HW 폴더로 변경하라. 

2. 위의 다운로드 섹션에 링크된 데모 파일을 다운로드해 추출하라. 

3. 비바도에서 프로젝트를 재생성한 후 비트스트림 파일을 생성하라.

4. 이클립스 Z7의 부트 모드 점퍼가 JTAG 위치에 있는지 확인하라. 

5. 비바도 내에서 하드웨어 매니저(Hardware Manager) 도구를 열고 Open target, Autoconnect를 클릭하라. 

6. ‘.bit’ 파일을 선택하거나, 파일이 이미 선택돼 있고 대화 상자에서 올바른 경로에 있는지 확인하고 보드를 프로그래밍하라. 

7. WaveForms를 연 다음 워크스페이스를 열어 "이클립스 Z7데모 아카이브에서 추출한 폴더에 포함된 ‘EclypseZ7VhdlFilterDemo.dwf3work’을 열고. Network Analyzer 기기의 실행(Run) 버튼을 눌러라. 

▶데모 작동

네트워크 분석기는 AWG1 채널에서 사인파 신호(Perturbation)를 생성하는 데 사용된다. 보드 플롯([그림 8] 참조)은 루프백 신호(Zmod DAC 411 CH2)를 기준으로 해 구한다. 

프로젝트 세부사항과 원본 파일은 디질런트 위키(Digilent Wiki)에서 확인할 수 있으며, 이클립스 Z7 에코시스템은 디질런트가 공인한 판매사인 이니프로(Inipro)에서 구매할 수 있다. 

(자료제공=디질런트)

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 2020년 6월 호에 게재된 기사입니다 -