基于SOPC软硬件协同设计的高速信号分析与处理系统

• 机 构: 西南科技大学
• 发表日期: 2024年01期

随着现代通信技术的迅速发展,通信信号的带宽需求飞速提升,信号呈现形式愈发多样,信号的处理也更加复杂,现代信号系统与设备面临严峻的挑战。随着后摩尔时代的到来,集成电路工艺逐渐逼近物理极限,以CPU为典型的同构单芯处理器陷入瓶颈,传统基于CPU搭建的嵌入式信号系统与设备已然无法适应现代信号的分析与处理需求。在这样的时代背景下,以“FPGA+ARM”异构为代表的新型嵌入式平台展现出了空前的性能优势和发展潜力,这类平台利用FPGA的并行处理特性为系统的算力需求提供保障,通过ARM为系统提供高灵活性与高扩展性,将两种架构各自的优势充分结合,为“宽带信号高精度采集与高速数据处理”提供绝佳的的解决方案。因此,本文基于FPGA+ARM新型异构嵌入式平台设计了一款面向高速信号处理与分析的基础系统架构,通过SOPC（System On Programmable Chip）实现软硬核双端以及各模块的协同,具有动态配置、实时可变采样结构、实时可变点FFT单元、万兆以太网通信链路、以及信号分析软件这4个主要组成部分,最终设计出一款具备高灵活性、高扩展性、高通用性的基础系统架构,为现代信号采集、处理、分析等需求提供基础模板,该架构所具备的高计算潜能与高灵活特性能够为多种应用场景提供底层支持,其高通用性又为多样化的扩展、专用化、升级提供平台。本文重点研究软硬核协同与动态配置架构,主要工作如下:（1）基于AD9627,完成了双通道独立采样结构与双通道时间交替采样结构基础模块的设计与整体搭建,针对通道间失配误差提出了一种通过导数滤波器代替理想希尔伯特变换的改进校正方法。并通过系统总控设计出一款动态配置架构,最终实现了两种采样结构的动态切换与AD9627的实时配置。（2）通过Xilinx FFT IP核,采用Radix-4结构搭建了一个定点全精度的双通道可变转换点数FFT模块,最大转换时间≤36.153us。并基于GTX高速收发器设计了一款具有10G带宽的以太网通信链路,通过10G MAC Subsystem搭建MAC协议层,设计出一款适用于10G带宽的UDP通信协议栈,最终实现了万兆带宽的UDP通信。（3）设计出一种基于AXI4协议的软硬核通信方案,实现了FPGA与ARM端的数据交互与互联协同,将FPGA运算中的浮点数通过AXI传输给ARM端处理,并且通过FPGA硬件加速ARM端的处理运算,实现软硬协同。并在硬核端设计系统总控模块,总控与各硬件单元相连,可根据不同的应用需求进行动态重配,为整体系统高灵活性与高可扩展性提供硬件基础。（4）本论文基于Matlab设计了一款后端信号分析与处理软件,具有硬件下行配置界面和上行数据抓取与分析界面,界面能够实现信号的时频域波形描绘,还能够对信号的SFDR、SNDR、ENOB等指标进行分析和显示,并且具有适应底层架构切换的界面布局,使系统具有非常好的通用性与便捷度。论文最后对系统架构的性能与稳定性进行测试与验证,并结合Matlab界面展示了不同配置情况下的信号采样与处理分析的结果,验证了基于SOPC软硬协同设计的系统架构的可行性。