高速信号处理存储传输一体化硬件平台设计与实现

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本文设计了一种小尺寸、高性价比、通用性强的高速信号处理存储传输系统,采用1片Spartan-6系列FPGA作主控,1片Kintex-7系列FPGA作信号处理,信号处理用FPGA兼容多个型号以满足不同领域对资源要求。主控单元支持512Mbit DDR2缓存和512Mbit Nor Flash,可在Microblaze软核运行linux进行控制管理;处理单元支持主串、JTAG等多种加载方式,8GB DDR3缓存,同时采用FMC标准分离I/O,可扩展AD/DA、射频等功能;此外该板采用灵活多路选择时钟方案,具有丰富传输接口(支持10/100/1000M以太网、40Gbps QSFP+、3Gbps USB3.0、串口)。首先,描述各领域对高速信号处理、存储、传输的要求,介绍当前处理器、存储器、总线技术发展,列举领先信号处理平台厂商产品特点,引出设计该硬件平台意义。然后,针对通信、雷达等领域应用场景(MIMO、OFDM等)提出高速信号板的功能和性能需求,由此设计系统硬件架构(包括模块间数据流向,控制关系,板卡时钟如何分配),在此基础上确定核心器件型号、信号板的机械结构,评估了极限工作下功耗,进行了散热设计。接着,设计FPGA、USB控制器、以太网PHY、存储器、时钟等各功能模块具体电路并最终设计整板的电源,确定高速PCB层叠、布局、布线约束以保证信号完整性。最后,对板卡各功能模块进行测试,重点介绍测试的软硬件环境、存储传输接口的测试方法,测试结果表明千兆以太网MAC层正常,DDR2等效频率达625MHz,DDR3等效频率达1066MHz,光口速率达40Gbps,USB速率达640Mbps。论文设计的硬件平台具有强大信号处理能力、缓存能力,具备通用、高带宽接口,而且配置灵活,扩展方便,成本低廉,可应用于MIMO、高速光网络、相控阵雷达等领域算法验证,应用前景广阔。
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