基于Zynq-7000平台的宽带卫星终端设计

蒋振东，陈崇森，贺翔

（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

介绍基于XILINX Zynq-7000 平台的高速卫星终端的硬件设计方案，并根据终端的设计指标要求，结合Zynq-7000 平台SoC 的特性，设计终端整体软件架构。高速宽带卫星终端的低功耗及小型化设计需求，对硬件平台的选型及设计提出更高的要求。合理的软件架构设计为实现宽带卫星终端的功能及性能指标，向客户提供使用方便、稳定可靠的高性能终端至关重要。该技术方案已应用到某卫星终端研制，满足终端的低功耗及小型化设计需求，实际测试能够实现组网高速通信，对同类型的卫星终端设计具有借鉴意义。

Zynq-7000；SoC；卫星终端；小型化

0 引言

Zynq-7000 是XILINX 公司推出的全可编程SoC片上系统平台，广泛应用到航空航天、汽车、工业自动化、医疗、通信等产品领域。Zynq-7000 系列芯片内含双核ARM Cotex-A9 硬核以及不同容量的FPGA 资源，外设接口丰富，实现的功耗及性能等级远超分立搭建的CPU+FPGA 平台，Zynq-7000 内部双核ARM 采用AXI 总线与FPGA 部分连接，可实现Gbit 级别以上的高速通信，为宽带卫星终端的研制提供了完美的解决方案。通过移植Linux 操作系统到Zynq-7000 平台，完成基于纯IP 设计思路的卫星终端软件架构设计。基于Zynq-7000 平台的硬件方案及软件架构设计成为高性能卫星终端研制的关键环节。

1 Zynq-7000的特性及芯片选型

Zynq-7000 的特点[1]如下：

（1）处理系统（PS）采用ARM Cortex-A9 双核处理器，实现更佳性能功耗比，支持单精度和双精度浮点，运行速率高达1GHz。

（2）含有512KB L2 高速缓存，256KB 片上存储RAM，内存接口支持DDR3、DDR3L、DDR2、LPDDR-2。

（3）含有XILINX 7 系列28nm 可编程逻辑资源（PL），提供Artix-7 及Kintex-7 FPGA 两种架构系列可编程逻辑资源选择。

（4）外设接口丰富，包括2x USB 2.0(OTG)、2x Trimode 千兆以太网口、2x SD/SDIO、2x UART、2x CAN 2.0B、2x I2C、2x SPI、32bit GPIO。

（5）全可编程电源管理，具备处理系统（PS）和可编程逻辑（PL）中的多种电源优化技术，对应可调节的处理器、互连和存储器速度功率范围灵活可调。具备ARM 低功耗模式，部分重配置可降低可编程逻辑要求。

（6）PS 与PL 之间的高速互连，64 位AXI ACP 端口为附加的软处理器实现增强的硬件加速性能和缓存一致性，带宽高达100Gb/s。

（7）大量并行信号处理实现硬件加速，包含专用的完全定制的低功耗DSP Slice，DSP 模块多达2020 个，可提供超过2662 GMAC 的性能。

（8）高保密性、安全性和可靠性，处理器的优先引导采用带有安全ROM 码的片上存储器实现，防篡改技术在检测到篡改活动时将器件“归零”，采用基于RSA认证、SHA-256 数据认证和AES-256 解密实现安全系统引导，全方位支持ARM TrustZone。

根据卫星终端物理层数据处理吞吐量需求，结合与射频芯片的接口连接以及终端对用户的通信接口设计，采用XC7Z030 芯片作为SoC 芯片。XC7Z030 的PL 侧资源[2]如表1 所示。

表1 XC7Z030 芯片的PL 资源列表

2 卫星通信终端的平台硬件设计

XC7Z030 主要分为处理系统（PS）及可编程逻辑资源（PL）两大分系统。PS 侧的双核ARM 与千兆以太网口、QSPI FLASH、I2C、EMMC、串口等常用外设接口相连，PS 侧主要完成通信协议栈处理、IP 路由、应用QoS等功能；PL 侧与射频收发芯片相连，主要完成通信调制解调等功能，硬件设计原理框图如图1 所示。

图1 卫星终端平台硬件设计框图

平台硬件采用了XC7Z030+收发射频一体芯片为核心的设计方案，比传统的分立器件设计方案，无论在电路板面积还是整板功耗上都具备很大优势，为终端的低功耗小型化设计奠定了平台基础。

XC7Z030 通过DDR 接口外接1GB DDR3 内存芯片，双核ARM 及PL 都可共享此内存；通过RGMII 接口外接88E1512 千兆以太网物理层芯片，实现千兆以太网通信功能。通过SD/SDIO 接口连接大容量EMMC存储芯片，可实现文件系统及用户数据存储功能。USB接口可实现外接存储设备、设备升级等功能。控制口主要为串口，用于调试及终端参数设置等。

整体硬件采用一体化设计的理念，整板包含了高速数字电路及射频模拟电路，在电路板的PCB 设计时采用分区布局、加屏蔽罩等方式进行有效隔离，对关键时钟信号进行包地处理，DDR3 芯片严格按照DDR3 布线规范进行布线，从而保证了此类复杂模数混合电路设计的可靠性。

3 卫星通信终端的软件架构设计

移植Linux 4.2.0 嵌入式操作系统到XC7Z030，并开发PL 与PS 高速通信、双核通信、PL 动态加载、I/O控制等关键驱动程序，用户通过网口即可实现IP 业务传输，包括网络电话、数据通信等。

一条通信路径由信源、信宿、一个通道和一些限制条件（如服务质量等）组成[3]。卫星通信终端的软件开发主要集中在，基于Linux 4.2.0 嵌入式操作系统开发协议栈处理、IP 路由、应用QoS、系统控制等软件功能。其中协议栈的分层设计及路由算法的实现为关键技术。系统控制软件负责处理所有通信协议、业务流程及状态控制，包括入/退网流程、业务传输流程、资源调度算法、系统控制信令等。

通过移植轻量化的Web Server，开发终端人机交互页面，用户可以通过网页形式快捷查看卫星终端的运行状态及进行参数设置。

对PS 的双核ARM 运行任务进行分工，一个核心用于运行Linux 4.2.0 操作系统，另一个核心用于运行实时性要求较高的协议处理。双核之间通过共享内存的方式进行数据传输。

PL 侧用于终端的物理层实现，主要实现各种调制解调、编解码等功能及对射频芯片的控制。物理层软件主要划分为前向链路、返向链路两大模块，并与中心站的返向链路、前向链路软件设计相对应。

卫星终端的整体软件架构如图2 所示。

图2 卫星终端的整体软件架构图

为了便于与地面网的IP 数据通信兼容，其中协议栈软件设计分为卫星通信相关与无关两部分。通过开发远程升级及本地升级软件模块，可实现中心站对终端的软件远程升级以及本地USB 存储器升级。

由于卫星通信终端基于纯IP 设计，用户可通过以太网口方便地连接路由器、IP 电话机、PC 电脑等各种形式的网络设备，实现快速组网通信，而不用进行繁琐的网络配置，能够很好地提升用户使用体验。

4 结语

本文详细介绍了低功耗、小型化的卫星宽带通信终端的平台硬件设计及软件架构设计方案，该方案已应用到设备的具体研制，实现效果良好，工作可靠稳定。对于同类型的卫星通信终端设计具有很好的参考价值。