基于FPGA 的高速数据采集与处理系统设计

引言

在当今信息时代，高速数据采集与处理需求日益增长。例如在通信领域，随着 5G 技术的普及，需要对高速数据流进行实时采集和处理；在雷达系统中，为了实现精确的目标探测和跟踪，也需要高速采集和处理回波信号。传统的数据采集与处理系统往往难以满足这些应用场景对速度和精度的要求。FPGA（现场可编程门阵列）具有并行处理能力强、可重构性好等优点，能够在硬件层面实现复杂的算法，大大提高数据处理速度。FPGA 可以灵活地与各种外部设备接口，方便实现数据的采集。因此，基于 FPGA 设计高速数据采集与处理系统具有重要的现实意义。本设计将深入研究如何利用FPGA 的优势，构建一个高效、稳定的高速数据采集与处理系统。

一、系统总体设计

1. 系统架构设计

本高速数据采集与处理系统由数据采集模块、FPGA 核心处理模块、数据存储模块和通信模块构成，各模块协同工作，实现高效、实时的数据流处理。

数据采集模块负责前端模拟信号的数字化转换，采用高性能高速模数转换器（ADC），具备高采样率（ ⩾500 MSPS）和高分辨率（14 位及以上），确保宽动态范围与高时间分辨率。ADC 前端配置抗混叠滤波器与可编程增益放大器（PGA），以适配不同幅值输入信号，提升信噪比。采集数据通过LVDS 或JESD204B 高速串行接口传输至FPGA，保障低抖动与高吞吐率。

FPGA 核心处理模块作为系统中枢，利用其并行架构与低延迟特性，实现数据实时处理。内部构建多级流水线结构，完成数据接收、时序对齐、数字下变频（DDC）、滤波（如 FIR、CIC 滤波器）及特征提取等操作。通过静态与动态可重构逻辑，支持算法在线更新与多模式切换，提升系统适应性。FPGA 还集成硬核数字信号处理单元（DSP Slice）与块存储器（BlockRAM），优化计算资源利用率。

数据存储模块采用双通道 DDR4 SDRAM，支持高达 2400 MHz 数据速率，提供大容量、高带宽缓存能力，满足突发数据存储需求。通过 FPGA 内置的存储控制器实现高效读写调度，支持突发传输与低延迟访问，确保数据连续性与完整性。

通信模块实现处理结果的高速外传，集成千兆以太网 MAC 与 PHY，支持UDP/TCP 协议栈，亦可选配USB 3.0 接口以适配不同上位机系统。数据封装遵循标准化帧格式，具备校验与重传机制，保障传输可靠性。各模块间通过AXI4 等高性能总线互联，实现低延迟、高吞吐的数据流调度与控制。

2. 硬件选型与接口设计

在硬件选型方面，除高精度ADC 与双通道DDR4 SDRAM 外，FPGA 芯片选用 Xilinx Kintex UltraScale 系列，具备充足的逻辑单元、DSP Slice 及Block RAM 资源，支持多 Gb/s 高速收发器，满足 JESD204B 接口的电气与协议要求。该器件集成硬核PCIe、10G Ethernet MAC 及高性能时钟管理单元（MMCM/PLL），有效支撑系统多接口协同与低抖动时序控制，确保数据采集与处理的实时性与可靠性。

接口设计遵循高速信号完整性原则，采用分层布局与阻抗匹配技术。ADC 与 FPGA 间通过 JESD204B Class 1 接口实现多通道串行数据传输，利用确定性延迟机制完成采样时钟与帧时钟的同步对齐，降低系统抖动。物理层采用差分对布线，支持 8Gbps/lane 数据速率，显著提升通道密度与抗干扰能力。

FPGA 与 DDR4 SDRAM 之间通过专用的高性能存储接口连接，采用 Fly-by 拓扑与片上校准技术（如写入均衡、读写训练），保障在2400 Mbps 数据速率下的信号完整性。FPGA 内置的 MIG（Memory Interface Generator）控制器实现低延迟、高吞吐的突发读写调度，支持双通道交错访问，最大化带宽利用率。

通信接口方面，集成千兆以太网MAC 与PHY，支持标准MII/RGMII 接口，实现 UDP/TCP/IP 协议栈的硬件卸载。同时可选配 USB 3.0 SuperSpeed 接口，通过专用 GT 收发器与软核协处理器实现高速数据外传。所有模块间通过 AXI4-Stream 与 AXI4-Lite 总线互联，实现数据流与控制流的高效解耦与低延迟传输，确保系统整体架构的可扩展性与实时响应能力。

二、数据采集与处理算法设计

1. 高速数据采集算法

为实现高速、高精度数据采集，系统采用过采样（Oversampling）与数字下变频（Digital Down-Conversion， DDC）相结合的采集算法。过采样通过以远高于奈奎斯特频率的速率对输入信号进行采样，扩展量化噪声分布带宽，结合数字低通滤波与抽取操作，有效提升 ADC 的信噪比（SNR）与有效位数（ENOB），尤其适用于弱信号检测场景。

DDC 模块由数控振荡器（NCO）、混频器、低通滤波器及抽取滤波器链构成，实现对带通信号的频带选择与基带化处理。通过 NCO 生成精确本振信号，与 ADC 输出的高速实采样数据混频，将目标频带下变频至基带，再经CIC 滤波器与 FIR 补偿滤波器完成低通滤波与抽取，显著降低数据速率，减轻后端处理负载。

在 FPGA 内部实现上述算法时，采用模块化、流水线化架构以优化时序性能与资源利用率。过采样滤波器组与 DDC 链路均基于多级抽取结构设计，结合并行数据路径与资源复用策略，在满足 8Gbps/lane 输入速率的同时，保障处理吞吐量与时钟收敛性。关键路径采用寄存器插入与链式结构优化，确保在高速时钟域下的稳定运行。

为保证采集数据的长期准确性与系统稳定性，设计集成了实时监测与动态校准机制。通过 FPGA 内部嵌入式逻辑分析仪（ILA）对采样数据流进行在线监测，结合自适应增益 / 相位校正算法，补偿模拟前端与 DDC 链路中的非理想特性。同时，利用 JESD204B 接口的确定性延迟特性，实现多通道采样时钟与帧同步的精确对齐，进一步降低系统抖动与通道间偏差。

2. 数据处理算法优化

在数据处理方面，系统采用快速傅里叶变换（FFT）与小波变换相结合的多域分析策略，以提升信号特征提取的精度与适应性。FFT 通过 Cooley-Tukey 算法将时域信号高效映射至频域，支持高分辨率频谱分析，适用于周期性与稳态信号的检测；小波变换则基于 Mallat 分解算法，实现对非平稳信号的多尺度时频分析，有效捕捉瞬态与局部化特征。

为适配 FPGA 硬件架构并提升实时处理能力，对核心算法进行深度优化。FFT 模块采用基 ^-4 或基 流水线结构，结合分布式算法规则，将复数乘法操作映射为查找表（LUT）与加法器的组合，显著降低乘法器资源消耗。同时，通过块浮点 scaling 机制保障动态范围，提升信噪比。小波变换采用快速离散小波变换（FDWT）结构，利用提升方案（LiftingScheme）将卷积运算分解为预测与更新步骤，减少 50% 以上计算量，并支持 Daubechies 与 Symlets 等紧支集小波基的灵活配置。

进一步发挥 FPGA 并行计算优势，设计多通道并行处理引擎，支持多个数据块在不同处理流水线中同步运算。FFT 与小波模块均采用多通道并行架构，结合双端口 BRAM 实现数据缓存与流水调度，确保数据吞吐率与系统时钟匹配。通过资源复用与流水线级间寄存器插入，优化关键路径延迟，满足8 Gbps 高速数据流的实时处理需求。

结论

本设计成功构建了一个基于 FPGA 的高速数据采集与处理系统。通过合理的系统架构设计、硬件选型和接口设计，以及优化的数据采集与处理算法，系统实现了高速、准确的数据采集与处理。实验测试结果表明，该系统具有良好的稳定性和可靠性，能够满足实际应用中对高速数据处理的要求。未来的研究方向可以集中在进一步优化算法，提高系统的处理能力；探索如何将该系统与其他先进技术如人工智能相结合，实现更智能的数据分析和处理。

参考文献

[1] 薛爱伦 . 基于全国产 FPGA 的高速信号处理系统的设计与实现 [J].新潮电子 ，2025，（13）：169-171.

[2] 李耀成 ， 常可铮 ， 杨得武 . 基于 FPGA 的多路 SDI 视频实时采集与处理系统设计 [J]. 信息技术与信息化 ，2024，（11）：127-131.