Project dossier

变速率宽带射频信号采集记录分析仪

基于 ZYNQ-7000 SoC 的 950MHz-2150MHz 宽带射频信号采集与分析平台,围绕高速信号采集、缓存传输与软硬件协同控制展开。

Role

核心成员

Duration

2025.03 - 2025.11

Published

2025-11-01

Outcome

将关键数据传输速率从 10Mbps 提升到 1Gbps

  • ZYNQ-7000
  • PetaLinux
  • Linux Driver
  • FPGA
  • AXI Lite
  • DMA
  • Zero-Copy

项目背景

该项目面向宽带射频信号的高速采集、缓存与分析场景,目标是在 ZYNQ 平台上完成从射频采集、 缓存搬运到上层控制与状态监测的一体化实现。系统工作频段覆盖 950MHz - 2150MHz,需要同时兼顾 高速数据链路、软硬件协同控制以及采集过程的稳定性。

我负责的核心工作

在项目中,我主要作为核心成员参与以下模块:

  • PetaLinux 系统移植与驱动开发
  • ZYNQ PS 端与 FPGA PL 端的数据搬运链路设计
  • FPGA 侧寄存器配置与状态监控接口联调
  • 采集数据高性能传输优化

技术实现

1. 系统构建与驱动开发

项目首先需要完成 ZYNQ PS 端 Linux 系统的移植与裁剪,并在此基础上搭建面向项目需求的驱动框架。 我独立完成了 ZYNQ PS 端 Linux 的移植与裁剪,定制了部分驱动子系统,并实现了基于 AXI-Lite 总线的 PS-PL 交互协议。

为了便于软件侧统一管理 FPGA 端状态,我通过 BRAM 映射方式实现了 FPGA 算法模块的寄存器配置与 状态监控,并编写 Linux 字符设备驱动,对 PL 端状态指示灯和控制接口进行了统一管理。

2. 高性能数据传输优化

在宽带射频信号采集场景下,真正的瓶颈不只是“能不能采到数据”,而是“采到的数据能不能稳定、高效地搬出来”。 因此项目中的重点工作之一,是围绕 ZYNQ 与 FPGA 之间的数据搬运链路做性能优化。

我在系统中引入了 DMA 驱动,并结合 Zero-Copy 技术,优化了 ZYNQ 对 FPGA 端 DDR 样本数据的读取路径。 在优化前,数据传输速率约为 10Mbps;优化后提升到 1Gbps,能够支撑 7.68Gsps 采样率条件下的数据无丢包采集。

难点与经验

这个项目里我印象最深的难点主要有两类:

  • Linux 侧驱动接口如何和 FPGA 侧寄存器体系稳定对接
  • 高速采样数据在 PS 侧的搬运链路如何避免成为系统瓶颈

项目实践让我更明确地认识到,在 ZYNQ 这类异构平台上,性能问题通常不是单点问题,而是系统链路问题: 需要从 PL 端缓存策略、总线接口、DMA 路径、Linux 驱动到用户态读取方式整体协同考虑。

项目结果

该项目最终完成了宽带射频信号采集与分析平台的关键链路搭建,并在数据搬运性能上取得了明确优化结果:

  • 完成 ZYNQ 平台 Linux 移植与驱动框架搭建
  • 建立 PS 与 PL 之间可维护的控制与监控接口
  • 将数据传输速率从 10Mbps 提升到 1Gbps
  • 支撑高采样率条件下的数据无丢包采集

我的收获

这个项目让我系统性地积累了下面几方面经验:

  • 基于 ZYNQ 的嵌入式 Linux 系统移植与裁剪
  • Linux 驱动与 FPGA 寄存器接口协同设计
  • 面向高速采集场景的数据搬运链路优化
  • 在异构平台上从“功能可用”推进到“性能可用”的方法论