基于异构处理器的通信信道模拟平台设计

吴 桐 ，闫 毅 ，王春梅

（1.中国科学院国家空间科学中心北京100190；2.中国科学院大学北京100010）

在无线通信系统的测试中，通常采用实地测试的方法，后来发展起来信道模拟手段，使通信系统的测试方法得以扩展，测试效率大大提升[1]。随着近年来数字信号处理的快速发展，信道模拟的结果也更加接近真实信道，信道模拟平台也变得越来越复杂[2]。同时，信道模拟器或信道模拟平台也关乎着现代通信前沿科技与国家发展[3]，是通信系统研制的试金石。

当前信道模拟的方法主要有两种，即纯软件方法[4]和纯硬件方法[5-7]。然而纯软件实现的信道模拟平台通常为浮点运算，精度与实际通信系统硬件中的定点数偏差较大，并且一般在计算机中实现，其接口难以与实际通信设备连接；纯硬件实现又有实现难度高，开发周期长，可扩展性低，灵活性差等问题。

文中将软件方法和硬件方法进行结合，充分发挥出软件的灵活优势和硬件的高速优势，利用一片结合了ARM和FPGA的异构处理器XC7Z020芯片，将实现了信道模拟器控制流的软件放在ARM中，将实现了信道模拟器数据流的硬件放在FPGA中，二者通过AXI4总线进行片内通信，模拟平台以方便通信系统测试。同时，引入软件无线电的思想[8]，提高了系统的灵活性。

1 异构处理器的构成

1.1 结合ARM与FPGA的异构处理器

常见的异构处理器平台只能把不同的处理器分别置于电路板上，采用布局走线将处理器连接起来，这样导致处理器间接口不通用，每次改变都需要重新开发，同时布线的优劣将大大影响处理器间的通信速率。为此，Xilinx公司将ARM硬核与FPGA逻辑核集成进同一个芯片内，形成了Zynq系列异构处理器，片内直接互联的结构使得处理器间的通信速率大大提升，也给软硬件结合的设计方案提供了新的思路[9]。

异构处理器XC7Z020芯片的内部结构如图1所示，主要分为处理系统（PS）和可编程逻辑（PL）两部分，PS以ARM为主，同时有浮点数引擎和中断控制器，用于嵌入式软件开发，PL以FPGA为主，该芯片的可编程逻辑数量大约与Xilinx Artix7相当，用于硬件逻辑开发。

图1 异构处理器内部结构

1.2 异构处理器内部交互总线

ARM与FPGA的内部交互方式主要有AXI总线、中断、EMIO接口等，其中以AXI总线为最主要方式。

AXI总线主要分为3种：

1）AXI4，主要为解决高性能交互需求；

2）AXI4-lite，主要为解决低速、低吞吐率的交互需求，例如控制与状态寄存器；

3）AXI4-stream，主要为解决高速数据流数据的交互需求。

2 通信信道模拟平台设计

2.1 信道模拟算法设计

在通信信道中，最重要的便是加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）的模拟[10]。这类噪声在自然界中十分普遍，也是影响通信系统性能的首要因素，因此AWGN噪声是信道模拟平台中必须能够模拟出的因素。同时，在无线通信中，收发机之间的相对移动会产生多普勒效应[11]，对无线通信也有一定的影响。对于有测距功能的无线通信系统，信号传播的延时是其关注的重点[12]。基于此，文章主要对以上3种信道情形进行模拟，即AWGN噪声模拟、多普勒效应模拟、延时模拟。

AWGN噪声在硬件模拟中，一般主要采用的是Box_Muller算法[13]。该算法用公式表示如下：

其中，n为AWGN噪声，，g(x2)=cos(2πx2)，是相互独立的均匀分布随机变量x1、x2的函数。

我们在这里采用线性反馈移位寄存器（Linear Feedback Shifting Register，LFSR）来实现相互独立的均匀分布随机变量，利用ROM查找表来实现根方函数f(x1)和余弦函数g(x2)，实现原理框图如图2所示。

图2 AWGN噪声的生成原理

注意AWGN噪声与输入复信号是加法关系。

对于多普勒效应的模拟，采用复数乘法即可简便快捷的实现，算法公式如下：

采用DDS算法可以容易的实现式中的正余弦项，最后与输入信号经过一级复数乘法器就可以实现多普勒效应的模拟，实现原理框图如图3所示。

图3 多普勒效应的生成原理

对于延时的模拟，一方面可以采用RAM或FIFO实现大范围的延时，另一方面可以采用多速率信号处理的方法[14]实现高精度的延时。

首先，信号经过RAM或FIFO的整数倍延时，然后对信号进行插值，插值倍数M取决于输入信号的采样率fs以及欲实现的延时精度Δt：

例如，本文中输入信号的采样率为60 Msps，欲实现的延时精度为0.1 ns，则有M为167。

插值后的信号需要经过低通滤波器组，该滤波器组实现了两次采样之间的分数延时，滤波器的系数是一个M倍插值后抗混叠滤波器的多相分解：

其中，h(n)为M倍插值后抗混叠滤波器的冲激响应，h(r+nM)和Hr(zM)分别为多相分解后滤波器组的冲激响应和频率响应。

最后经过M倍抽取以恢复原始采样率。

则可以得到延时模拟的原理框图如图4所示。

2.2 信道模拟平台架构设计

2.1节中的算法均为数据流，因此都应当被放在FPGA中实现，而控制模拟噪声的功率、多普勒频移的大小、延时的大小，都属于控制流，因此应当放在ARM中实现。因此模拟平台的实现架构如图5所示。

图4 延时模拟的生成原理

图5 通信信道模拟平台架构设计

图中，射频RF部分采用ADI公司高度集成的芯片AD9364[15]，其采样率可达61.44 Msps，为了方便采样和延时的计算而将其设定为了60 Msps。由于实现了软硬件一体化设计，并且在ARM中植入了嵌入式Linux操作系统，因此将该平台设计为一种便携式的信道模拟设备，加入了视频显示和电源管理电路，同时充分利用嵌入式Linux的TCP/IP协议栈[16]，可以实现设备的远程控制。该架构的实现方式充分体现了软件无线电的软件控制硬件的思想。

3 算法实测验证结果与分析

将2.1节中的3种通信信道模拟算法在ARM+FPGA硬件平台上进行设计实现，并利用标准仪器进行了测试测量。

3.1 系统配置方式

在嵌入式Linux系统中利用配置软件或Shell命令配置AD9364的采样率为60 MHz，前端模拟带宽为最大值56 MHz，然后利用同样的配置方式，配置AD9364的射频频率分别为2 GHz、2.52 GHz、2.68 GHz，这样配置的原因是为了适应被测通信系统的射频频率，实际上也可以按需配置成70 MHz～6 GHz中的任意频率。

最后，在图5嵌入式软件或TCP客户端中依次改变AWGN噪声大小、多普勒频移大小、延时大小，进行系统观测与测量。

3.2 实测结果与分析

采用N9030A频谱仪测试AWGN噪声功率，该频谱仪应设置为Channel Power模式，实际计算出的噪声功率与频谱仪测试结果如表1所示。

表1 AWGN噪声模拟实测结果（单位：dBm）

从表1中可以看到，在不同本振频率下，最终模拟平台的AWGN模拟的误差均在0.5 dBm以内。若要提高模拟精度，就需要提高图2中ROM的存储位宽和幅度控制信号位宽。

采用E4438C信号源和N9030A频谱仪联合测试，可以得到实测多普勒频移的模拟结果，如所示。

从表2可以看出，在不同本振频率下，最终模拟出的多普勒频移精度均在1kHz以内。若要提高模拟精度，则需要提高AD9364的晶振稳定度。

采用E5071C矢量网络分析仪可以测量出平台的延时模拟结果，需要将矢量网络分析仪的测量模式设置为“Group Delay”，还要设置分析仪的多次平均和孔径平滑功能。于是测出平台的延时结果如表3所示。

表3 延时模拟的实测结果（单位：ns）

从表3中可以看出，在不同本振频率下，延时模拟的最大（max）误差均不超过0.1ns。欲增加延时模拟的精度，则可以通过提高采样率或增大M的方法。

4 结 论

文章提出了一种基于异构处理器的软硬件结合通信信道模拟平台设计方法。该方法使用一片ARM+FPGA的异构处理器，在ARM中使用嵌入式软件方法实现了模拟平台的AWGN噪声幅度控制、多普勒频移大小控制和延时大小控制，在FPGA中使用硬件方法实现了AWGN噪声模拟算法、多普勒效应模拟算法和多相滤波延时模拟算法。最后使用标准仪器对该平台的测试结果与分析表明，AWGN模拟精度达到0.5 dBm，多普勒频移精度达到1 kHz，延时精度达到0.1 ns。信道模拟结果正确有效，可以适用于无线通信系统的测试。未来在该平台上还可以扩展性的加入衰落模拟、相位噪声模拟等功能。

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