Zynq異構(gòu)多核的無線電信號采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，

(1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710071；2.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

引　言

隨著無線電通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，相關(guān)的各類無線電通信業(yè)務(wù)應(yīng)用日益廣泛，無線電信號監(jiān)測已成為了民用無線電管理的主要需求。目前市場的無線電信號監(jiān)測設(shè)備大多是采用射頻變頻接收模塊，將射頻無線電信號放大變頻至中頻，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，以FPGA+DSP作為下位機(jī)、以PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)施信號分析，這樣的結(jié)構(gòu)不僅體積龐大，不便攜帶，而且功耗較高，無法適應(yīng)靈活的應(yīng)用環(huán)境。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種以Zynq-7000系列SoC為核心，AD9361為采樣前端的無線電信號采集監(jiān)測系統(tǒng)，Zynq-7000系列是目前應(yīng)用十分廣泛的ARM+FPGA架構(gòu)的SoC，以它為核心的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于軟硬件協(xié)同開發(fā)。我們所設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)將信號變頻接收、采集、處理、顯示、存儲(chǔ)、傳輸融為一體，并定制了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、便于攜帶、升級簡單的優(yōu)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)組成

1.1　Zynq-7000結(jié)構(gòu)

Zynq-7000是Xilinx公司推出的新一代全編程片上系統(tǒng)架構(gòu)，其系列產(chǎn)品以ARM+FPGA為主要結(jié)構(gòu)，使得ARM和FPGA之間可以優(yōu)勢互補(bǔ)。本設(shè)計(jì)采用的型號是XC7Z045，該產(chǎn)品是Zynq-7000系列中配置較為高端的一款片上系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為PS(Processing System)和PL(Programming Logic)兩部分，如圖1所示。

圖1　Zynq-7000 XC7Z045結(jié)構(gòu)

其中，PS含有ARM雙核Cortex-A9處理器，每個(gè)核都配備了NEON和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，最高運(yùn)行頻率為1 GHz。每個(gè)單核都具有獨(dú)立的L1緩存和MMU，是典型的異構(gòu)多核處理器。PS中還擁有豐富的外設(shè)，包括各種外設(shè)接口。

PS擁有自己的時(shí)鐘源和存儲(chǔ)器接口，不需要借助PL配置即可啟動(dòng)運(yùn)行。

圖3　采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

PL部分屬于Xilinx典型的FPGA結(jié)構(gòu)，其性能和邏輯密度相當(dāng)于Xilinx Kintex-7 FPGA器件，還具備了大量的Block RAM和DSP Slice，完全可以勝任復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)。在非調(diào)試模式下，PL無法單獨(dú)啟動(dòng)，系統(tǒng)總是優(yōu)先啟動(dòng)PS并從存儲(chǔ)器中導(dǎo)入Bitstream文件后才能配置PL。

PS和PL之間可通過多種方式進(jìn)行通信，包括GP、HP、ACP、EMIO、IRQ、DMA等接口。

1.2　射頻捷變收發(fā)器AD9361

本設(shè)計(jì)采用ADI公司推出的AD-FMComms3-EBZ評估板作為數(shù)據(jù)采集前端。該評估板是一款以AD9361為核心，高性能、高集成度的射頻收發(fā)器。這套評估板具有兩套獨(dú)立的收發(fā)設(shè)備，即兩個(gè)接收通道和兩個(gè)發(fā)射通道，每個(gè)通道均可以工作在70 MHz～6 GHz的頻段范圍內(nèi)，由于系統(tǒng)對模擬信號采取了零中頻正交采樣的方式，因此每個(gè)通道在基帶又可分為I路子通道和Q路子通道，每個(gè)子通道都具有獨(dú)立的12位ADC/DAC，其基帶采樣頻率從200 kHz～56 MHz。其中接收通道的結(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2　AD9361內(nèi)部接收電路結(jié)構(gòu)圖

1.3　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的整體框圖如圖3所示，信號由監(jiān)測天線進(jìn)入AD9361，經(jīng)過放大、下變頻、正交采樣后得到IQ兩路數(shù)據(jù)，并傳入PL中。數(shù)據(jù)由AD9361控制器IP接收并打包成64位數(shù)據(jù)后存入FIFO當(dāng)中，通過PS中DMA將FIFO的數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存中，PS中的程序通過訪問內(nèi)存獲得了采樣數(shù)據(jù)，并利用協(xié)處理器NEON和VFP引擎對其進(jìn)行處理，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化之后，通過HDMI輸出顯示內(nèi)容，同時(shí)可以將有用的數(shù)據(jù)保存在SDHC卡中。

本設(shè)計(jì)開發(fā)可以分成三個(gè)階段：第一階段是硬件邏輯設(shè)計(jì)，包括對PL中的IP核進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和布局，開發(fā)環(huán)境為Vivado，最終生成hdf文件和Bitstream文件。第二階段是嵌入式Linux軟件環(huán)境定制，包括對Linux的定制和移植，以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫調(diào)試，主要在Xilinx SDK和PetaLinux中完成。第三階段是在Linux平臺下編寫無線電信號采集監(jiān)測的軟件應(yīng)用程序，包括對利用協(xié)處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化，在QT中實(shí)現(xiàn)。

2　硬件邏輯設(shè)計(jì)

2.1　AD9361接口

AD9361的通信接口可分為數(shù)據(jù)接口和控制接口。

數(shù)據(jù)接口主要負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)的通信，有LVDS和CMOS兩種接口形式，二者速率均可達(dá)122.88 MHz，本設(shè)計(jì)采用LVDS模式，時(shí)序如圖4所示。

參照此時(shí)序，設(shè)計(jì)了AD9361接收模塊IP，每個(gè)通道的采樣位數(shù)是12位，根據(jù)半字(16位)對齊，將差分的時(shí)序信號轉(zhuǎn)換并成32位的數(shù)據(jù)格式。

圖4　AD9361數(shù)據(jù)接口時(shí)序

控制接口的通信方式是SPI總線，主要是負(fù)責(zé)訪問AD9361內(nèi)部寄存器。通過配置8位寄存器來實(shí)現(xiàn)對接收鏈路的控制和狀態(tài)監(jiān)測。其寄存器有統(tǒng)一的編址，如控制內(nèi)部VCO以分頻產(chǎn)生RF信號的寄存器RF PLL_Deviders，其地址是0x005。AD9361的初始化寄存器配置十分復(fù)雜，但在通常情況下，開發(fā)者不需要了解寄存器配置的信息，因?yàn)锳DI公司已經(jīng)為開發(fā)者提供了配置AD9361的板級支持包(BSP)，開發(fā)者只需要調(diào)用特定的API函數(shù)，就可以完成AD9361相應(yīng)的配置。

如使用ad9361_set_rx_sampling_freq()函數(shù)設(shè)置接收設(shè)備的采樣頻率。PS部分具備SPI控制器，無需在PL中實(shí)現(xiàn)IP核，但需要在對PS的邏輯設(shè)計(jì)中使能SPI控制器。

2.2　FIFO IP設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的FIFO IP如圖5所示。

圖5　FIFO邏輯IP核

FIFO是信號采集系統(tǒng)中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)。在高速信號采集中，采集速度往往超過數(shù)據(jù)處理速度，因此通常采取的策略是利用FIFO存儲(chǔ)足夠長時(shí)間的數(shù)據(jù)，再送到處理單元處理，因此FIFO的大小決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大采樣深度和最大采樣寬度。本設(shè)計(jì)的前端采樣速率最大為50 MHz，而通常無線通信信號的碼片長度不會(huì)超過100 ms，因此本設(shè)計(jì)中將FIFO的深度設(shè)置為8 MB，單路數(shù)據(jù)寬度為16位，這樣在系統(tǒng)以最高采樣速率運(yùn)行時(shí)FIFO仍可以記錄160 ms以上的數(shù)據(jù)。

2.3　PS-PL接口配置

Vivado提供了邏輯IP核Processing System 7作為PL連接PS的接口，如圖6所示。在本設(shè)計(jì)中，PS部分需要通過自身的DMAC將PL部分FIFO中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，并接收來自PL的中斷。同時(shí)，PL中還例化了VDMA和HDMI接口邏輯IP核，作為視頻輸出控制器，VDMA則通過AXI Stream總線與PS連接。由于AD9361的SPI總線連接的是XC7Z045的PL引腳，因此需要將PS部分SPI控制器的引腳通過內(nèi)部互聯(lián)總線映射到對應(yīng)的PL引腳上。

圖6　Processing System 7邏輯IP核(局部)

完成硬件邏輯設(shè)計(jì)之后，通過Vivado的驗(yàn)證、分析和綜合，最終得到硬件描述文件system.hdf和FPGA配置文件Bitstream。

3　軟件環(huán)境搭建

由于整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)采集、處理、存儲(chǔ)及顯示等多種任務(wù)，采用裸機(jī)運(yùn)行顯然無法勝任，因此本設(shè)計(jì)為Zynq-7000移植了操作系統(tǒng)。

3.1　Zynq-7000 PS啟動(dòng)原理

Zynq-7000 PS軟件程序啟動(dòng)分為三個(gè)階段。

系統(tǒng)上電之后，最先執(zhí)行的是內(nèi)部BootROM存儲(chǔ)的固件代碼，這部分代碼用戶無法修改，其功能是初始化ARM內(nèi)核和與啟動(dòng)模式相關(guān)的外設(shè)，并讀取MIO config引腳的狀態(tài)，根據(jù)引腳的狀態(tài)決定下一階段的啟動(dòng)模式(如SD卡啟動(dòng)、Flash啟動(dòng)等)。在該段程序結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將把下一階段的代碼從相應(yīng)的存儲(chǔ)設(shè)備里載入到OCM(on-chip memory，片上存儲(chǔ)器)。

第二階段所執(zhí)行的代碼稱為FSBL(the First Stage Boot Loader)，這部分代碼由用戶自行燒寫到存儲(chǔ)設(shè)備中，其作用通常是初始化整個(gè)PS所需的外設(shè)，加載中斷向量表，如果檢測到FPGA配置文件，則還會(huì)將配置文件燒入PL中。但由于OCM存儲(chǔ)容量有限，一個(gè)FSBL代碼的長度為192 KB，無法運(yùn)行較為復(fù)雜的程序，所以FSBL在結(jié)束時(shí)會(huì)調(diào)用函數(shù)FsblHandoff()，將處理器的程序流程定位到用戶自定義的程序入口中，從而進(jìn)入第三階段。對于裸機(jī)系統(tǒng)而言，第三階段程序入口就是用戶程序中的主函數(shù)main()，對于Linux操作系統(tǒng)而言則是u-boot。

3.2　FSBL定制

通常，F(xiàn)SBL的制作是在Xilinx的軟件開發(fā)環(huán)境XSDK中完成。對于Zynq-7000器件，XSDK提供了模板工程，開發(fā)者可以在此工程的基礎(chǔ)上定制FSBL。FSBL程序流程如圖7所示。本設(shè)計(jì)采用SD啟動(dòng)模式，將所有的程序下載至SD卡中。在XSDK中創(chuàng)建FSBL模板工程，編寫相應(yīng)程序，由XSDK編譯生成可執(zhí)行文件fsbl.elf。

圖7　FSBL程序流程

3.3　制作Linux鏡像

一個(gè)完整的Linux系統(tǒng)由bootloader、設(shè)備樹、內(nèi)核以及文件系統(tǒng)組成。相關(guān)介紹如表1所列。

表1　Linux組成部分

上述目標(biāo)文件生成后，利用PetaLinux進(jìn)行打包。PetaLinux是Xilinx公司推出的專門為含Xilinx FPGA器件的嵌入式系統(tǒng)定制Linux操作系統(tǒng)的開發(fā)工具。其人機(jī)交互主要以命令行的方式，能夠快速地幫助開發(fā)者構(gòu)建Linux鏡像。在Ubuntu 16.04中安裝PetaLinux組件后，可以直接通過petalinux-package- -boot命令實(shí)現(xiàn)打包生成鏡像。該命令的主要參數(shù)如下：

- -fsbl FSBL：指定FSBL文件

- -fpga BITSTREAM：指定Bitstream文件

- -u-bootUBOOT-IMG：指定u-boot鏡像文件

- -kernel KERNEL-IMG：指定Linux內(nèi)核鏡像文件

- -output OUTPUTFILE：指定輸出文件

圖8　SDHC卡分區(qū)

因而本設(shè)計(jì)使用如下指令生成鏡像：

petalinux-package - -boot - -fsbl fsbl.elf - -fpga design_1.hdf - -u-boot u-boot.elf - -kernel image.ub - -output.

將生成的鏡像文件燒寫入SD卡，最終在SD卡上會(huì)形成圖8所示分區(qū)。

將SD卡插入zc706開發(fā)板中，將啟動(dòng)模式配置為SD啟動(dòng)，上電后開發(fā)板將自動(dòng)進(jìn)入Linux系統(tǒng)。

4　軟件設(shè)計(jì)

4.1　軟件總體設(shè)計(jì)

為了發(fā)揮ARM Cortex-A處理器的性能，本設(shè)計(jì)在軟件上采取了多線程設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)按流式處理方式分成了獲取、處理和可視化顯示三個(gè)階段，每個(gè)階段設(shè)計(jì)了單獨(dú)的線程，使得這三個(gè)階段的任務(wù)可以在軟件中并發(fā)執(zhí)行，縮短了時(shí)延，提高了效率。三個(gè)線程的任務(wù)分配如表2所列。

表2　線程任務(wù)分配

線程之間通過帶有讀寫鎖的共享緩存?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)，使得各線程在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)不產(chǎn)生沖突。通過Qt的信號/槽機(jī)制傳遞控制參數(shù)。圖9表明了軟件中各線程在程序處理流程中的位置和作用。

圖9　軟件流程

數(shù)據(jù)處理階段的主要處理算法是FFT，同時(shí)還會(huì)計(jì)算信號的平均功率、方差、估算噪底、搜索極值、將時(shí)、頻域的數(shù)據(jù)寫入disp_buffer之后，由main_thread線程將數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。

4.2　使用NEON和VFP優(yōu)化數(shù)據(jù)處理

ARM硬件加速的基礎(chǔ)是ARMv7架構(gòu)中的兩大應(yīng)用擴(kuò)展——NEON和VFP(Vector Floating-Point)。NEON是ARMv7中一個(gè)重要的協(xié)處理器，它允許開發(fā)者使用SIMD(Single Instruction，Multiple Data)操作，即多組數(shù)據(jù)并行操作。NEON擁有16個(gè)128位寄存器(又可視為32個(gè)64位寄存器)，并有專門的指令集，可以對大量的操作數(shù)進(jìn)行向量化的操作，如果向量加法。VFP是與NEON緊密相連的又一重要的協(xié)處理器，它是傳統(tǒng)FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)的提升，它除了提供浮點(diǎn)數(shù)的基本運(yùn)算(加、減、乘、除、開方、比較、取反)之外，還具有向量化的功能，即同時(shí)支持8組單精度和4組雙精度的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。為了能在算法程序中使用NEON和VFP，必須在編寫算法程序的基礎(chǔ)上完成兩方面的工作。

(1)使用ARMC語言擴(kuò)展類型

在程序中添加頭文件，該頭文件將NEON中的寄存器映射成了數(shù)據(jù)類型，如int8x8_t、int16x4_t、float32x2_t等類型對應(yīng)了64位寄存器，int8x16_t、float16x8_t、float32x4_t等類型對應(yīng)了128位寄存器。同時(shí)還定義了很多復(fù)合類型和訪問NEON引擎的操作，在算法程序編寫中應(yīng)該盡可能地將數(shù)據(jù)對應(yīng)到相應(yīng)類型中。

(2)設(shè)置GCC編譯選項(xiàng)

在編譯使用了NEON和VFP的源文件時(shí)，應(yīng)當(dāng)添加如表3所列的編譯選項(xiàng)，以產(chǎn)生NEON和VFP指令。

表3　GCC生成NEON指令的配置選項(xiàng)

本文以一個(gè)4 096點(diǎn)的基2-FFT程序作為硬件加速的測試。測試結(jié)果如表4所列。

表4　硬件加速測試

可見使用了NEON和VFP，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間得以大幅縮短。

4.3　數(shù)據(jù)可視化

為了便于使用者觀察數(shù)據(jù)，本文基于Qt擴(kuò)展組件Qwt設(shè)計(jì)了用戶界面，如圖12所示。main_thread線程設(shè)置每個(gè)0.2 s讀取一次緩存中的數(shù)據(jù)，故兩個(gè)坐標(biāo)圖的刷新速率是5 Hz。用戶通過圖形界面將設(shè)定的參數(shù)傳入main_thread線程，main_thread將用戶配置參數(shù)打包成信號發(fā)射到processing_thread線程的接收槽中，然后processing_thread線程根據(jù)參數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)處理過程，并通過調(diào)用AD9361 API，完成配置。

5　測　試

完成硬件設(shè)計(jì)后，Vivado將會(huì)生成FPGA資源使用情況報(bào)告,如圖10所示?？梢奪ynq-7000完成可以勝任無線電信號采集監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖10　FPGA使用情況報(bào)告

測試平臺采用Xilinx zc706評估板，采集前為ADI FMCOMMS3無線收發(fā)板卡，如圖11所示，測試分為單一頻段測試和全頻段掃頻測試。

圖11　采集系統(tǒng)板卡

5.1　單一頻點(diǎn)測試

測試方法：由射頻信號發(fā)生器在該系統(tǒng)附近發(fā)送2 880 MHz單頻信號，在控制面板的“頻道”下拉框中選擇2.90 GHz，“顯示”下拉框選擇“功率譜”，單位為“dB”。則系統(tǒng)將會(huì)監(jiān)測2.85～2.95 GHz范圍內(nèi)的時(shí)頻數(shù)據(jù)。顯示結(jié)果如圖12所示。可以觀察到頻譜中顯示了兩個(gè)峰值，分別處于2 880 MHz和2 920 MHz，其中2 920 MHz信號是鏡頻泄漏。

圖12　用戶界面

5.2　掃頻測試

測試方法：在控制面板上設(shè)置“起始頻率”為500 MHz，終止頻率為3 000 MHz，則系統(tǒng)將以每次50 MHz帶寬的速度掃描指定頻率范圍。最終生成如圖13所示的頻譜，其RBW為200 kHz。從頻譜中可以觀察到通信頻段1 900 M的狀態(tài),證明了系統(tǒng)的可行性。

結(jié)　語

圖13　掃頻結(jié)果

[1] 高亞棟,范夢蘭,譚曉波,等.基于虛擬儀器技術(shù)的頻譜監(jiān)測與分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].無線通信技術(shù),2014,23(1):14-18，23.

[2] 董淵,王生原,陳嘉,等.嵌入式CPU軟硬件協(xié)同開發(fā)中的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005(7):973-976.

[3] 郭星煌.基于AD9361的便攜式無線電信號監(jiān)測采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(11):7-8.

[4] 馮莉.一款基于嵌入式的頻譜監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字通信世界,2017(7):5，18.

[5] 周鴻順.我國無線電監(jiān)測工作的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2002(8):9-15.

[6] Implementation of baseband transmitter design based on QPSK modulation on Zynq-7000 all-programmable System-on-Chip[C]//2017 International Symposium on Electronics and Smart Devices (ISESD), Yogyakarta, Indonesia, 2017：138-143.

[7] Tongxiang Shi, Wenbin Guo, Lishan Yang ,et al.Remote wideband data acquiring system based on ZC706 and AD9361[C]//2015 IEEE International Wireless Symposium (IWS 2015), Shenzhen, 2015: 1-4.

徐劍韜(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)殡娮訉?；石榮(研究員)，主要研究方向?yàn)殡娮訉埂?/p>