Zynq7000 SoC 平台在分布式信号处理节点中的应用

2019-10-12于旭洋

中小企业管理与科技 2019年24期

于旭洋

（电子科技集团公司第二十九研究所，成都610036）

1 引言

随着电磁环境和雷达信号体制的变化，电子对抗系统的规模日益增大。然而单装设备的计算能力和资源处理能力都十分有限，简单地通过“资源堆砌”来增加处理能力势必会增加系统的体积、功耗，使得系统的灵活性和可靠性大大降低。通过分布式多节点分担信号处理工作量，利用分布式网络资源协作完成信号处理，可以非常方便的实现系统处理能力的扩展，完成SWaP（Size，Weight and Power）尺寸小、重量轻、功耗低的指标。因此，近年来分布式信号处理一直都是学术热点。目前，已有诸多正在致力于解决围绕分布式系统新兴问题的研究。如美国国防部先进研究项目局DARPA 的传感器信息技术项目，其正在发展固定及移动分布式自组织网络相关的分布式数据库，并研究相关方法论以收集、存储和处理传感网中的数据。其中，最关键的领域就是各种分布式信号处理算法的设计与实现[1]。

本文以Zynq7000 SoC 平台为例，结合分布式信号处理的特点，研究了SoC 嵌入式处理器架构在分布式信号处理节点中的应用。

2 Zynq7000 SoC 平台简介

Zynq7000 SoC 平台基于“ARM+FPGA”的体系结构，如图1（a）所示，上半部分主要是处理器系统，包括应用处理单元、存储器接口和内部互联中心；下半部分是可编程逻辑资源，也就是FPGA 部分，其资源特点和结构与Xilinx 7 系列的FPGA一致[2]。

Zynq7000 系列的SoC 包含了完整的ARM 处理子系统，每一颗Zynq7000 系列的处理器都包含了双核的Cortex-A9 处理器，整个处理器的搭建都以Cortex-A9 处理器为中心，而且处理器子系统中集成了内存控制器和大量的外设，使Cortex-A9 的核在Zynq7000 中完全独立于可编程逻辑单元。另外，可编程逻辑部分紧密地与ARM 的处理单元结合。FPGA 的部分用于扩展子系统，其有丰富的扩展能力，有超过3000 个内部互连资源，可提供100Gb/s 以上的内部传输带宽。此外在I/O接口方面，Zynq7000 上有非常灵活、可充分自定义的MIO、SelectIO 资源，以及FPGA 上的高速串行收发器接口MGT。这种架构很适合小型分布式信号处理设备的应用。

3 分布式信号处理节点设计的实现

图1 Zynq7000 架构框图（a）与分布式信号处理节点基本架构图（b）

未来无线网络的重要特征之一是由集中式到分布式的转变。理想的全分布式网络中所有节点地位等同，其任意两个网络节点之间都有多条路径直接或间接相连，并能实时接受新的节点，而其基本协议则应保证在大量节点被封堵仍能够有效持续传送数据。因此，分布式网络具有抗攻击性强、规模越大越稳定、快速部署等诸多优点[3]。

分布式信号处理节点需具备无线高速通信能力、信号侦收能力、位置信息获取能力及授时能力等。因此，采用一体式AD9361+Zynq7000 SoC 平台快速搭建分布式节点，其基本架构如图1（b）所示。AD9361 集成了前端、通道、ADC、DAC 等，将其引入电子战系统应用中，将在很大程度上简化电子战系统的设计。分布式节点由SoC 平台部分、射频前端及通道、通信前端、导航模块等部分构成。

3.1 SoC 平台部分

SoC 平台主要分CPU 和FPGA 两部分，CPU 完成通信信号的编码及解码，完成运行分布式节点的资源管理，提供分布式服务接口，实现位置时间管理以及电源管理等功能。FPGA主要实现数字处理、信号检测、通道控制管理和数据传输等功能。

3.2 数模混合射频前端

射频前端和通道提供信号侦收所需的低噪声放大器、滤波、下变频等功能。A/D 完成模拟信号到数字信号的转变。AD9361 的主要指标如下：

①集成12 位ADC 的射频2×2 接收器；

②带宽范围软件可调：70MHz～6GHz；

③可调信道带宽：200kHz～56MHz；

④支持MIMO 无线电；

⑤可通过SPI 接口访问所有的器件寄存器。

3.3 通信、导航以及电源管理

通信前端及信道完成无线通信信道的收发切换，提供分布式节点无线通信所需的接收低噪声放大、发射功放，调制及解调等功能。

导航模块提供分布式节点的定位和授时能力，采用通用UART 接口的GPS/北斗导航模块。

由于分布式节点采用电池供电，因此，系统设计时应重点关注设备的续航时间，完成电源管理、BIT 检测和健康状态管理，收集数据并完成上报。

3.4 侦收天线、通信天线、导航天线

侦收天线提供分布式节点的侦察接收能力，根据任务要求需覆盖相应的频段。通信天线提供通信的接收和发射能力，覆盖频段根据所接入的无线网络确定。导航天线接入北斗、GPS 导航系统。

由于节点设备受限于电池续航能力以及散热等因素，节点设计方案上考虑采用带有低功耗能力的处理系统，以及带有待机、唤醒功能的电源管理系统。系统在待机时，设计了多级待机模式，根据不同的应用需求，使得部分耗电较大的硬件处于低功耗状态，最大限度地延长系统待机时间。同时，为了使节点功能更加灵活，预留了系统功能重配置能力，处理系统可以根据控制下发的指令重新加载不同功能的固件，实现不同的功能。