PCIe多路信号采集与动态重放系统

基于PCIe（XDMA）的多路信号采集与回放子系统设计

系统架构概述

该子系统基于Xilinx的XDMA（PCIe DMA）IP核实现，支持1-32路视频、AD（模数转换）、光纤等信号的实时采集与回放。系统通过PCIe Gen3/4接口与主机通信，支持动态部分重配置（PR over PCIe），实现硬件功能的灵活切换。核心模块包括：

多路信号接口：支持LVDS、JESD204B、光纤协议（如Aurora）等。
XDMA控制器：提供高带宽（最高16 GT/s）DMA传输，支持多通道并发。
动态重配置模块：通过PCIe配置FPGA的局部区域，实现功能动态切换。

关键技术实现

多路信号同步采集
采用时间戳同步机制，通过FPGA的全局时钟网络分发同步信号。每路信号经独立FIFO缓冲后，由XDMA多通道DMA引擎传输至主机内存。关键参数：

采样率：每路最高1 GS/s（AD信号）。
延迟：端到端延迟<10 μs（光纤信号）。

动态重配置（PR over PCIe）
通过PCIe配置端口直接加载部分比特流，实现以下功能：

动态切换信号处理算法（如FFT、FIR滤波）。
硬件模块热插拔，无需重启FPGA。
实现代码片段（Vivado Tcl脚本）：

open_hw_manager  
program_hw_devices [lindex [get_hw_devices] 0] -partial $bitfile_path

性能优化策略

带宽分配与仲裁
采用加权轮询（WRR）算法分配PCIe带宽，确保高优先级信号（如视频）的低延迟传输。理论带宽利用率>90%。

信号完整性保障

使用SerDes技术处理高速信号（如28 Gbps光纤）。
PCB设计遵循PCIe阻抗控制规范（单端50Ω，差分100Ω）。

应用场景示例

多通道视频采集系统

支持32路1080p@60fps视频输入，通过H.264编码后经PCIe传输至GPU处理。
动态重配置切换视频处理模块（如去噪、超分）。

高速AD信号回放

16路14位AD@250 MS/s信号回放，误差<1 LSB。
通过PR over PCIe切换校准系数表。

测试与验证

性能测试指标

吞吐量：PCIe Gen3 x8实测带宽6.4 GB/s（理论值7.88 GB/s）。
重配置时间：部分比特流加载时间<50 ms。

眼图测试结果
PCIe信号眼图符合IEEE 802.3规范，抖动<0.15 UI。

该设计适用于雷达、医疗成像等高性能采集场景，兼具灵活性与实时性。如需进一步细节（如JESD204B接口实现），可深入讨论具体子模块设计。

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