Zynq异构多核的无线电信号采集终端系统设计
2018-04-11，
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(1.西安电子科技大学 电子工程学院，西安 710071；2.电子信息控制重点实验室)
引 言
随着无线电通信行业的迅猛发展，相关的各类无线电通信业务应用日益广泛，无线电信号监测已成为了民用无线电管理的主要需求。目前市场的无线电信号监测设备大多是采用射频变频接收模块，将射频无线电信号放大变频至中频，在模数转换之后，以FPGA+DSP作为下位机、以PC机作为上位机实施信号分析，这样的结构不仅体积庞大，不便携带，而且功耗较高，无法适应灵活的应用环境。
本文研究并设计了一种以Zynq-7000系列SoC为核心，AD9361为采样前端的无线电信号采集监测系统，Zynq-7000系列是目前应用十分广泛的ARM+FPGA架构的SoC，以它为核心的设计难点在于软硬件协同开发。我们所设计的这套系统将信号变频接收、采集、处理、显示、存储、传输融为一体，并定制了嵌入式Linux操作系统，具有实时性强、便于携带、升级简单的优点。
1 系统组成
1.1 Zynq-7000结构
Zynq-7000是Xilinx公司推出的新一代全编程片上系统架构，其系列产品以ARM+FPGA为主要结构，使得ARM和FPGA之间可以优势互补。本设计采用的型号是XC7Z045，该产品是Zynq-7000系列中配置较为高端的一款片上系统。整个系统分为PS(Processing System)和PL(Programming Logic)两部分，如图1所示。
图1 Zynq-7000 XC7Z045结构
其中，PS含有ARM双核Cortex-A9处理器，每个核都配备了NEON和浮点运算单元，最高运行频率为1 GHz。每个单核都具有独立的L1缓存和MMU，是典型的异构多核处理器。PS中还拥有丰富的外设，包括各种外设接口。
PS拥有自己的时钟源和存储器接口，不需要借助PL配置即可启动运行。
图3 采集系统整体结构
PL部分属于Xilinx典型的FPGA结构，其性能和逻辑密度相当于Xilinx Kintex-7 FPGA器件，还具备了大量的Block RAM和DSP Slice，完全可以胜任复杂的逻辑设计。在非调试模式下，PL无法单独启动，系统总是优先启动PS并从存储器中导入Bitstream文件后才能配置PL。
PS和PL之间可通过多种方式进行通信，包括GP、HP、ACP、EMIO、IRQ、DMA等接口。
1.2 射频捷变收发器AD9361
本设计采用ADI公司推出的AD-FMComms3-EBZ评估板作为数据采集前端。该评估板是一款以AD9361为核心，高性能、高集成度的射频收发器。这套评估板具有两套独立的收发设备，即两个接收通道和两个发射通道，每个通道均可以工作在70 MHz～6 GHz的频段范围内，由于系统对模拟信号采取了零中频正交采样的方式，因此每个通道在基带又可分为I路子通道和Q路子通道，每个子通道都具有独立的12位ADC/DAC，其基带采样频率从200 kHz～56 MHz。其中接收通道的结构图2所示。
图2 AD9361内部接收电路结构图
1.3 系统整体设计
本设计的整体框图如图3所示，信号由监测天线进入AD9361，经过放大、下变频、正交采样后得到IQ两路数据，并传入PL中。数据由AD9361控制器IP接收并打包成64位数据后存入FIFO当中，通过PS中DMA将FIFO的数据传入内存中，PS中的程序通过访问内存获得了采样数据，并利用协处理器NEON和VFP引擎对其进行处理，最终进行数据可视化之后，通过HDMI输出显示内容，同时可以将有用的数据保存在SDHC卡中。
本设计开发可以分成三个阶段：第一阶段是硬件逻辑设计，包括对PL中的IP核进行逻辑设计和布局，开发环境为Vivado，最终生成hdf文件和Bitstream文件。第二阶段是嵌入式Linux软件环境定制，包括对Linux的定制和移植，以及驱动程序的编写调试，主要在Xilinx SDK和PetaLinux中完成。第三阶段是在Linux平台下编写无线电信号采集监测的软件应用程序，包括对利用协处理器对数据进行计算和数据可视化，在QT中实现。
2 硬件逻辑设计
2.1 AD9361接口
AD9361的通信接口可分为数据接口和控制接口。
数据接口主要负责采样数据的通信，有LVDS和CMOS两种接口形式，二者速率均可达122.88 MHz，本设计采用LVDS模式，时序如图4所示。
参照此时序，设计了AD9361接收模块IP，每个通道的采样位数是12位，根据半字(16位)对齐，将差分的时序信号转换并成32位的数据格式。
图4 AD9361数据接口时序
控制接口的通信方式是SPI总线，主要是负责访问AD9361内部寄存器。通过配置8位寄存器来实现对接收链路的控制和状态监测。其寄存器有统一的编址，如控制内部VCO以分频产生RF信号的寄存器RF PLL_Deviders，其地址是0x005。AD9361的初始化寄存器配置十分复杂，但在通常情况下，开发者不需要了解寄存器配置的信息，因为ADI公司已经为开发者提供了配置AD9361的板级支持包(BSP)，开发者只需要调用特定的API函数，就可以完成AD9361相应的配置。
如使用ad9361_set_rx_sampling_freq()函数设置接收设备的采样频率。PS部分具备SPI控制器，无需在PL中实现IP核，但需要在对PS的逻辑设计中使能SPI控制器。
2.2 FIFO IP设计
本设计中的FIFO IP如图5所示。
图5 FIFO逻辑IP核
FIFO是信号采集系统中一个重要的设计。在高速信号采集中，采集速度往往超过数据处理速度，因此通常采取的策略是利用FIFO存储足够长时间的数据，再送到处理单元处理，因此FIFO的大小决定了数据采集系统的最大采样深度和最大采样宽度。本设计的前端采样速率最大为50 MHz，而通常无线通信信号的码片长度不会超过100 ms，因此本设计中将FIFO的深度设置为8 MB，单路数据宽度为16位，这样在系统以最高采样速率运行时FIFO仍可以记录160 ms以上的数据。
2.3 PS-PL接口配置
Vivado提供了逻辑IP核Processing System 7作为PL连接PS的接口，如图6所示。在本设计中，PS部分需要通过自身的DMAC将PL部分FIFO中的数据读入内存，并接收来自PL的中断。同时，PL中还例化了VDMA和HDMI接口逻辑IP核，作为视频输出控制器，VDMA则通过AXI Stream总线与PS连接。由于AD9361的SPI总线连接的是XC7Z045的PL引脚，因此需要将PS部分SPI控制器的引脚通过内部互联总线映射到对应的PL引脚上。
图6 Processing System 7逻辑IP核(局部)
完成硬件逻辑设计之后，通过Vivado的验证、分析和综合，最终得到硬件描述文件system.hdf和FPGA配置文件Bitstream。
3 软件环境搭建
由于整个系统要实现采集、处理、存储及显示等多种任务，采用裸机运行显然无法胜任，因此本设计为Zynq-7000移植了操作系统。
3.1 Zynq-7000 PS启动原理
Zynq-7000 PS软件程序启动分为三个阶段。
系统上电之后，最先执行的是内部BootROM存储的固件代码，这部分代码用户无法修改，其功能是初始化ARM内核和与启动模式相关的外设，并读取MIO config引脚的状态，根据引脚的状态决定下一阶段的启动模式(如SD卡启动、Flash启动等)。在该段程序结束时，系统将把下一阶段的代码从相应的存储设备里载入到OCM(on-chip memory，片上存储器)。
第二阶段所执行的代码称为FSBL(the First Stage Boot Loader)，这部分代码由用户自行烧写到存储设备中，其作用通常是初始化整个PS所需的外设，加载中断向量表，如果检测到FPGA配置文件，则还会将配置文件烧入PL中。但由于OCM存储容量有限，一个FSBL代码的长度为192 KB，无法运行较为复杂的程序，所以FSBL在结束时会调用函数FsblHandoff()，将处理器的程序流程定位到用户自定义的程序入口中，从而进入第三阶段。对于裸机系统而言，第三阶段程序入口就是用户程序中的主函数main()，对于Linux操作系统而言则是u-boot。
3.2 FSBL定制
通常，FSBL的制作是在Xilinx的软件开发环境XSDK中完成。对于Zynq-7000器件，XSDK提供了模板工程，开发者可以在此工程的基础上定制FSBL。FSBL程序流程如图7所示。本设计采用SD启动模式，将所有的程序下载至SD卡中。在XSDK中创建FSBL模板工程，编写相应程序，由XSDK编译生成可执行文件fsbl.elf。
图7 FSBL程序流程
3.3 制作Linux镜像
一个完整的Linux系统由bootloader、设备树、内核以及文件系统组成。相关介绍如表1所列。
表1 Linux组成部分
上述目标文件生成后，利用PetaLinux进行打包。PetaLinux是Xilinx公司推出的专门为含Xilinx FPGA器件的嵌入式系统定制Linux操作系统的开发工具。其人机交互主要以命令行的方式，能够快速地帮助开发者构建Linux镜像。在Ubuntu 16.04中安装PetaLinux组件后，可以直接通过petalinux-package- -boot命令实现打包生成镜像。该命令的主要参数如下：
- -fsbl FSBL：指定FSBL文件
- -fpga BITSTREAM：指定Bitstream文件
- -u-bootUBOOT-IMG：指定u-boot镜像文件
- -kernel KERNEL-IMG：指定Linux内核镜像文件
- -output OUTPUTFILE：指定输出文件
图8 SDHC卡分区
因而本设计使用如下指令生成镜像：
petalinux-package - -boot - -fsbl fsbl.elf - -fpga design_1.hdf - -u-boot u-boot.elf - -kernel image.ub - -output.
将生成的镜像文件烧写入SD卡，最终在SD卡上会形成图8所示分区。
将SD卡插入zc706开发板中，将启动模式配置为SD启动，上电后开发板将自动进入Linux系统。
4 软件设计
4.1 软件总体设计
为了发挥ARM Cortex-A处理器的性能，本设计在软件上采取了多线程设计，将数据按流式处理方式分成了获取、处理和可视化显示三个阶段，每个阶段设计了单独的线程，使得这三个阶段的任务可以在软件中并发执行，缩短了时延，提高了效率。三个线程的任务分配如表2所列。
表2 线程任务分配
线程之间通过带有读写锁的共享缓存传递数据，使得各线程在读写数据时不产生冲突。通过Qt的信号/槽机制传递控制参数。图9表明了软件中各线程在程序处理流程中的位置和作用。
图9 软件流程
数据处理阶段的主要处理算法是FFT，同时还会计算信号的平均功率、方差、估算噪底、搜索极值、将时、频域的数据写入disp_buffer之后，由main_thread线程将数据展现给用户。
4.2 使用NEON和VFP优化数据处理
ARM硬件加速的基础是ARMv7架构中的两大应用扩展——NEON和VFP(Vector Floating-Point)。NEON是ARMv7中一个重要的协处理器，它允许开发者使用SIMD(Single Instruction，Multiple Data)操作，即多组数据并行操作。NEON拥有16个128位寄存器(又可视为32个64位寄存器)，并有专门的指令集，可以对大量的操作数进行向量化的操作，如果向量加法。VFP是与NEON紧密相连的又一重要的协处理器，它是传统FPU(浮点运算单元)的提升，它除了提供浮点数的基本运算(加、减、乘、除、开方、比较、取反)之外，还具有向量化的功能，即同时支持8组单精度和4组双精度的浮点数运算。为了能在算法程序中使用NEON和VFP，必须在编写算法程序的基础上完成两方面的工作。
(1)使用ARMC语言扩展类型
在程序中添加头文件
(2)设置GCC编译选项
在编译使用了NEON和VFP的源文件时，应当添加如表3所列的编译选项，以产生NEON和VFP指令。
表3 GCC生成NEON指令的配置选项
本文以一个4 096点的基2-FFT程序作为硬件加速的测试。测试结果如表4所列。
表4 硬件加速测试
可见使用了NEON和VFP，数据处理的时间得以大幅缩短。
4.3 数据可视化
为了便于使用者观察数据，本文基于Qt扩展组件Qwt设计了用户界面，如图12所示。main_thread线程设置每个0.2 s读取一次缓存中的数据，故两个坐标图的刷新速率是5 Hz。用户通过图形界面将设定的参数传入main_thread线程，main_thread将用户配置参数打包成信号发射到processing_thread线程的接收槽中，然后processing_thread线程根据参数调整数据处理过程，并通过调用AD9361 API，完成配置。
5 测 试
完成硬件设计后，Vivado将会生成FPGA资源使用情况报告,如图10所示。可见Zynq-7000完成可以胜任无线电信号采集监测系统的设计。
图10 FPGA使用情况报告
测试平台采用Xilinx zc706评估板，采集前为ADI FMCOMMS3无线收发板卡，如图11所示，测试分为单一频段测试和全频段扫频测试。
图11 采集系统板卡
5.1 单一频点测试
测试方法：由射频信号发生器在该系统附近发送2 880 MHz单频信号，在控制面板的“频道”下拉框中选择2.90 GHz，“显示”下拉框选择“功率谱”，单位为“dB”。则系统将会监测2.85～2.95 GHz范围内的时频数据。显示结果如图12所示。可以观察到频谱中显示了两个峰值，分别处于2 880 MHz和2 920 MHz，其中2 920 MHz信号是镜频泄漏。
图12 用户界面
5.2 扫频测试
测试方法：在控制面板上设置“起始频率”为500 MHz，终止频率为3 000 MHz，则系统将以每次50 MHz带宽的速度扫描指定频率范围。最终生成如图13所示的频谱，其RBW为200 kHz。从频谱中可以观察到通信频段1 900 M的状态,证明了系统的可行性。
结 语
图13 扫频结果
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徐剑韬(硕士研究生)，主要研究方向为电子对抗；石荣(研究员)，主要研究方向为电子对抗。
