光訊號調理板 FPGA 客製化開發

光學 FPGA 高速 DAC 板卡在光纖通訊、光學相控陣列、光達等領域都扮演關鍵角色。它的主要任務是把數位訊號轉成高精確度、高速的類比訊號，用以驅動光學元件，達到高速資料傳輸、光束偏轉與訊號處理等功能。

光學 FPGA 高速 DAC 板卡的核心，在於結合 FPGA 的即時運算能力與高速 DAC 的數位轉類比功能，以滿足光學應用對「高速度、高精度、多通道」的嚴苛需求。

FPGA：扮演「大腦」角色，負責執行數位訊號處理演算法（如調變解調、編解碼、波束成形）、多通道控制，以及與上位機或其他硬體的通訊介面。其可程式化與平行處理特性，特別適合光學相控陣列這類需要快速、獨立控制大量通道的應用。
• 高速 DAC：負責把 FPGA 處理後的數位訊號轉成高品質的類比訊號（電壓或電流），驅動雷射、調變器等光學元件。轉換速率、解析度（位元數）、無雜散動態範圍（SFDR）等規格，直接決定輸出訊號品質與系統效能。
• 光學應用場景：
光學相控陣列（OPA）：精準控制每個天線單元的相位，實現無機械式光束掃描。
可見光通訊（VLC）：高速調變 LED 光源，達成高速資料傳輸。

開發流程

1、需求分析與方案擬定

1. 明確系統指標：通道數、DAC 更新速率（速度）、解析度（精度，如 12-bit、14-bit、16-bit）、輸出範圍（電壓／電流）、同步精度、功耗、體積等。
2. 選擇核心晶片：
   • FPGA：Xilinx Kintex、Virtex 系列或 Intel Stratix、Arria 系列。
   • DAC：多通道高精度如 TI DAC81416，或超高速 ADI AD9777。
3. 架構設計：決定板卡整體架構，包括時脈分配、電源管理、類比輸出驅動與介面定義。

2、硬體設計與實現

1. PCB 設計
   • 高速數位與類比訊號共存，需同時考慮訊號完整性（SI）、電源完整性（PI）與電磁相容（EMC）。
   • 建議採用多層板、優質去耦電容、差分走線與阻抗匹配，確保訊號品質。
2. 時脈電路
   • 使用低抖動時脈源與時脈緩衝器（如 ADCLK946）提供 ADC/DAC 同步時脈，維持多通道同步性。
3. 電源設計
   • 為 FPGA、DAC 等晶片提供極低雜訊、高穩定度的多路電源，搭配高效濾波線路。
4. 輸出驅動與調理
   • 依驅動對象（雷射、調變器等），在 DAC 輸出後加入運算放大器（如 AD8397）、濾波或功率驅動電路，提供足夠電壓／電流與良好訊號品質。

3、FPGA 邏輯與軟體設計

1. FPGA 邏輯開發（VHDL / Verilog）
   • DAC 控制器：透過 SPI、LVDS 等介面設定 DAC 並推送資料。
   • 資料處理演算法：實作 OFDM、QAM 等調變格式或波束控制演算法。
   • 記憶體控制：管理外部 DDR 記憶體，做大量波形資料緩衝。
   • 介面通訊：完成 PCIe、SFP+、乙太網路等高速通訊。
2. 上位機軟體
   • 提供使用者介面，供系統組態、參數下載、資料監控與視覺化。

4、系統整合與測試驗證

1. 將硬體、FPGA 韌體、上位機軟體整合，進行嚴格測試。
2. 效能測試：以高速示波器、頻譜分析儀量測輸出訊號的精度、線性度、雜訊水準、建立時間等關鍵指標。
3. 系統聯調：把板卡接上目標光學系統（如光學相控陣晶片），驗證實際控制效果（光束偏轉角度、通訊頻寬等）。

應用場景

1. 光學相位陣列（OPA）光束控制
   拿來做「固態光達（LiDAR）」最剛好：不用馬達轉來轉去，靠 DAC 一路餵電壓給每顆光學單元，就能讓雷射光速轉向，掃描又快又精準。
   ‑ 自駕車、無人機避障
   ‑ 低軌衛星與地面站的高速雷射通訊
   ‑ 高階雷射印表機、雷射投影機的微秒級控制
2. 超高速光通訊
   ‑ 相干式光通訊（Coherent Optics）：把 FPGA + DAC 直接接到 IQ 調變器，64～128 Gbaud 訊號隨便打，資料中心、5G 前傳、DCI 都愛用。
   ‑ 可見光通訊（VLC）：在智慧工廠或醫療院所，用 LED 或雷射做無線傳輸，DAC 負責把數位訊號轉成類比電流去直接調光，頻寬輕鬆破 Gbps。
3. 超高精度光學量測與感測
   舉凡晶圓缺陷檢測、面板 AOI、生醫 OCT、量子光學實驗，都需要「超穩、超低雜訊」的類比訊號。DAC 板卡把 FPGA 算好的波形餵給掃描鏡、壓電致動器或感測器，解析度直接拉滿。
4. 大規模光開關矩陣驅動
   雲端巨頭的資料中心、電信機房都在拚「全光交換」。一張 FPGA DAC 子板就能同時控制上百顆矽光子（Silicon Photonics）開關，讓光訊號在奈秒內改道，功耗比傳統電交換低一大截。

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