基于ZYNQ和AD9361的軟件無線電平臺設計與實現(xiàn)

（公安部第一研究所，北京 100048）

1 引言

軟件無線電技術最早是美國在海外戰(zhàn)爭中為解決互聯(lián)互通互操作提出來的，美國軍方提出Speakeasy項目以及JTRS（聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)）計劃，標志著軟件無線電進入快速發(fā)展階段。該計劃是美軍為保證不同設備間的互通性，使各軍種間實現(xiàn)高效、可靠的協(xié)同通信而研制的三軍通用軟件無線電臺。民用移動通信的需求也是軟件無線電技術發(fā)展進步的巨大驅(qū)動力，移動通信經(jīng)歷了從第一代模擬系統(tǒng)到目前第四代商用通信系統(tǒng)開發(fā)研制，存在著多標準多模式共存、硬件資源無法共用等問題，用一個全球統(tǒng)一的標準實現(xiàn)無縫隙覆蓋通信體系已成為設備制造商、運營商和用戶的共識。軟件無線電即是利用一個開放式、標準化、模塊化的通用硬件平臺，通過可編程的軟件實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，諸如通信協(xié)議、工作頻段、調(diào)制方式，提升系統(tǒng)的靈活性，體現(xiàn)出硬件資源的重用性。

當前的無線通信領域典型的軟件無線電平臺代表有微軟的Sora平臺和美國國家儀器研制的USRP平臺。這兩個平臺都需要借助PC來實現(xiàn)軟件無線電數(shù)字信號處理，無法保障數(shù)據(jù)處理實時性和高強度計算，不利于設備的集成，更多地用于科研仿真類項目。隨著無線通信、微電子等領域的不斷發(fā)展，小型化、高集成度的軟件無線電平臺成為軟件無線電技術落地應用的基石。Xilinx公司研制的ZYNQ可擴展處理平臺為All Programmable概念而生，同時具有軟件、硬件和I/O的可編程特性。ZYNQ芯片集成了一個基于雙核ARM的處理子系統(tǒng)和一個可編程邏輯。ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互使用AXI接口，最高吞吐量達到9.6 Gbit/s，可以滿足高速通信需求。

本文將首先提出基于ZYNQ和AD9361的軟件無線電平臺框架，設計實現(xiàn)AXI總線接口和SPI控制接口，移植嵌入式Linux系統(tǒng)，并完成各類接口驅(qū)動開發(fā)，利用ZYNQ邏輯資源開發(fā)高速通信算法，并通過仿真驗證平臺的正確性。

2 基于ZYNQ和AD9361的軟件無線電平臺設計

2.1 基于ZYNQ和AD9361的軟件無線電平臺框架設計

針對專用無線通信系統(tǒng)低功耗小體積的應用需求，本文提出了如圖1所示的軟件無線電框架平臺。該平臺由Xilinx公司推出的全可編程器件ZYNQ和ADI公司的高性能射頻收發(fā)器AD9361組成。

全可編程器件ZYNQ包含ARM處理器資源和FPGA邏輯資源，雙核芯片的設計有利于降低專用無線通信系統(tǒng)的功耗和布板尺寸。ARM處理器資源非常豐富，除了基于ARM CortexA9的雙核應用處理器外，還包括片內(nèi)存儲器接口、外部存儲器接口、各類I/O外設和連接接口。用戶可根據(jù)應用需求合理使用ARM處理器資源和邏輯資源來配合完成相應的應用開發(fā)。一般來說，在專用的無線通信系統(tǒng)開發(fā)中，可利用ARM側(cè)處理器資源開發(fā)邏輯控制程序，利用FPGA側(cè)邏輯資源開發(fā)數(shù)據(jù)處理高速算法，例如ADC、DAC、混頻、濾波、增益控制等。ARM側(cè)可以單獨使用，不依賴于PL（Programmable Logic，可編程邏輯）部分，可以裸機或嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)。整個平臺是以ARM為核心的處理器平臺，PL可以看成是PS（Processor System，處理器系統(tǒng)）的另一個具有可重配置特性的“外設”，作為PS部分的一個從設備，受ARM處理器控制。ZYNQ中ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互通過AXI接口，滿足實時和高速通信的需求。

AD9361射頻收發(fā)器是ADI公司推出的面向3G和4G基站應用的高性能、高集成度射頻解決方案，集成了AD/DA、濾波、放大、增益控制、頻率合成器等模塊，工作頻段為70 MHz—6 GHz，工作帶寬為200 kHz—56 MHz，可應用于各種通信系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)收發(fā)等。AD9361通過FMC接口與ZYNQ平臺相連，具有無縫FPGA連接能力，通過該集成收發(fā)器上預留的SPI接口，即可完成射頻收發(fā)模塊參數(shù)配置和狀態(tài)信息讀取。

圖1 基于ZYNQ和AD9361的軟件無線電平臺框架

2.2 AXI總線接口實現(xiàn)

ZYNQ使用AXI總線協(xié)議實現(xiàn)ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互，PL部分開發(fā)的模塊作為一個IP Core掛載在AXI總線上，PS部分需要通過調(diào)用相應的驅(qū)動實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

AXI接口有三種協(xié)議類別，分別是AXI4_Lite、AXI4、AXI4_Stream。其中，AXI4_Lite為輕量級協(xié)議，適合小批量數(shù)據(jù)或簡單控制場景，主要用于訪問一些低速外設和外設的控制；AXI4和AXI4_Lite差不多，只是增加了批量傳輸功能；AXI4_Stream是一種連續(xù)流接口，不需要地址線，使用時必須有一個轉(zhuǎn)換裝置，例如AXI_DMA模塊來實現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換，其本質(zhì)是針對數(shù)據(jù)流構(gòu)建的數(shù)據(jù)通路，從信源到信宿構(gòu)建起連續(xù)的數(shù)據(jù)流，這個接口適合做高速實時信號處理。

ZYNQ共有9個AXI硬件接口，包括4個AXI_GP通用接口、4個AXI_HP高速接口和1個AXI_ACP加速接口。GP接口是32位的低性能接口，理論帶寬為600 MB/s，HP和ACP接口為64位高性能接口，理論帶寬為1 200 MB/s。PL部分開發(fā)的模塊需要嚴格按照AXI總線協(xié)議，作為一個IP Core掛載在AXI總線上，由PS部分調(diào)用實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。針對不同的應用，用戶需合理選擇AXI_GP、AXI_HP與AXI_ACP接口。

由于無線通信軟件無線電平臺中基帶數(shù)據(jù)流吞吐量較大，所以采用用于大數(shù)據(jù)連續(xù)流傳輸?shù)腁XI_Stream協(xié)議，物理接口采用AXI_HP。如圖2所示，在PL端需利用AXI_DMA模塊作為轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換，將PS內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為Steam流輸出。用戶在PL部分開發(fā)的算法都需要通過AXI_Stream接口掛載到AXI_DAM模塊上。PS端通過調(diào)用相應的驅(qū)動程序，與PL部分的AXI_DMA轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。另外，需采用32位的低性能AXI_GP接口作為控制接口，實現(xiàn)邏輯資源部分AXI_DMA模塊初始化和相關配置。

圖2 AXI硬件接口實現(xiàn)框圖

PL端開發(fā)時使用XPS（Xilinx Platform Studio，Xilinx公司開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)套件）工具配置AXI_Stream接口，XPS工具為AXI_DMA分配地址，PS開發(fā)時可以根據(jù)分配的地址通過CPU像訪問外設一樣訪問AXI_DMA模塊。PS端開發(fā)的驅(qū)動將在/dev里對應一個邏輯設備節(jié)點，這個節(jié)點以文件的形式存在。模塊在調(diào)用insmod命令時被加載，調(diào)用rmmod命令時被卸載。上層應用訪問底層AXI接口時，是以open、read、write的形式，無需考慮過多的硬件底層細節(jié)。

2.3 AD9361寄存器配置接口實現(xiàn)

AD9361是一款面向3G和4G基站應用的高性能、高集成度的射頻捷變收發(fā)器，可通過SPI讀寫寄存器來控制狀態(tài)機按需工作。AD9361在管腳中預留了SPI接口，來使其具備完全編程特性。PS部分通過SPI接口可以方便地配置AD9361射頻收發(fā)模塊的工作頻段、發(fā)送接收增益、射頻帶寬、濾波器等參數(shù)。

如圖3所示，ZYNQ使用SPI接口對AD9361射頻模塊進行參數(shù)配置，PL側(cè)需要使用Verilog代碼開發(fā)SPI接口，其邏輯時序需滿足AD9361射頻收發(fā)器要求的SPI接口配置時序，該接口掛載到輕量級AXI_Lite總線上，通過AXI_GP物理接口連接到PS側(cè)。PS側(cè)開發(fā)并加載SPI驅(qū)動，上層應用調(diào)用SPI驅(qū)動實現(xiàn)AD9361射頻收發(fā)器的參數(shù)配置。

圖3 AD9361寄存器配置接口實現(xiàn)框圖

3 基于ZYNQ的嵌入式Linux開發(fā)

在ZYNQ上移植Linux操作系統(tǒng)相對一般的基于SoC的嵌入式Linux系統(tǒng)移植方法略復雜，如圖4所示，基于ZYNQ的嵌入式Linux開發(fā)流程分為系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件開發(fā)及用戶開發(fā)三部分。系統(tǒng)硬件設計使用Vivado等軟件完成PS部分的硬件配置，并針對特定應用進行PL邏輯開發(fā)，添加集成IP Core，最終生成完整的硬件配置bit文件，導出到SDK軟件中。系統(tǒng)軟件開發(fā)部分利用硬件配置bit文件創(chuàng)建SFBL，編譯U-boot、Linux內(nèi)核、設備樹和文件系統(tǒng)，最終創(chuàng)建啟動鏡像。用戶開發(fā)部分在SDK軟件環(huán)境中開發(fā)特定的軟件應用，建立并編譯應用程序代碼。最終在目標平臺ZYNQ上啟動和運行Linux系統(tǒng)及用戶程序。

圖4 基于ZYNQ的嵌入式Linux開發(fā)流程

系統(tǒng)開發(fā)分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩部分，硬件部分選擇并配置PS部分集成的控制器和外設，根據(jù)不同的應用需求，進行自定義PL可編程邏輯開發(fā)，并將它們轉(zhuǎn)換或設計成IP核，利用Vivado IP Integrator工具創(chuàng)建整個嵌入式系統(tǒng)的模塊化設計，包括開發(fā)需要的數(shù)據(jù)移動工具（AXI_DMA、AXI Memory Master、AXI_FIFO等）以及連接PL與PS的AXI接口（GP、HP和ACP），之后將項目導入到SDK中。軟件部分在SDK中可根據(jù)硬件配置文件生成FSBL，并開發(fā)相應的驅(qū)動及應用程序。

系統(tǒng)上電后自動執(zhí)行片內(nèi)BootROM中的代碼，BootROM會初始化CPU和一些外設，并根據(jù)外部啟動MIO引腳配置，從外部存儲器引導FSBL到內(nèi)存。FSBL根據(jù)硬件配置bit文件初始化PS部分，配置PL邏輯部分，并加載U-boot作為Linux內(nèi)核的Bootloader程序，初始化CPU及外設，拷貝Linux內(nèi)核映像到RAM中，再通過設備樹文件將硬件相關信息傳遞給Linux內(nèi)核，最后由Linux系統(tǒng)加載文件完成啟動，根據(jù)特定需求運行相關驅(qū)動及應用程序。

4 算法庫函數(shù)API

上述軟件無線電平臺可用于通信系統(tǒng)研發(fā)、無線信號側(cè)向、數(shù)據(jù)采集處理等，PL部分為用戶提供了豐富的通信系統(tǒng)算法庫，諸如擾碼、卷積、交織、調(diào)制、IFFT、上下變頻等LTE協(xié)議的開發(fā)。這些函數(shù)由ZYNQ的邏輯部分開發(fā)，以FPGA模塊的形式提供給客戶。利用這些函數(shù)可以使客戶脫離底層繁瑣的硬件及通信物理層設計，有效地縮短新產(chǎn)品開發(fā)時間。

5 基于ZYNQ的軟件無線電框架平臺功能驗證

應用ZYNQ和AD9361組成的軟件無線電平臺可高效實現(xiàn)低功耗小體積的無線信號側(cè)向系統(tǒng)，搭建方案如圖5所示。利用ZYNQ ARM側(cè)處理器資源開發(fā)邏輯控制程序，并配置AD9361工作模式，利用ZYNQ FPGA側(cè)邏輯資源開發(fā)數(shù)據(jù)處理高速算法，例如信號功率計算、無線信號側(cè)向算法等，利用AD9361完成高性能無線射頻信號收發(fā)。

圖5 基于ZYNQ和AD9361軟件無線電的無線信號側(cè)向系統(tǒng)搭建

為驗證基于ZYNQ的軟件無線電平臺及其接口正確性，設計的驗證方案如圖6所示。使用信號發(fā)生器生成433 MHz正弦信號，通過ZYNQ SPI接口配置AD9361，由AD9361下變頻后，通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送給ZYNQ，PS部分通過DMA接口驅(qū)動獲取數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)口發(fā)送到MATLAB解析，I路和Q路基帶信號的時域圖和利薩如圖形（Lissajous-Figure）如圖7所示。

圖6 基于ZYNQ的軟件無線電框架平臺驗證方案

6 結(jié)束語

圖7 基于ZYNQ的軟件無線電框架平臺驗證方案

本文設計并實現(xiàn)了ZYNQ+AD9361的軟件無線電平臺，實現(xiàn)了平臺底層硬件接口，搭建了完整的高速數(shù)據(jù)交互通路，移植了Linux嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)了高速通信算法，最終通過仿真驗證了基于ZYNQ的軟件無線電平臺正確性，可根據(jù)用戶需求，進行下一步應用開發(fā)。