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隨著人們對通信方式和手段的需求呈指數(shù)式增長，方便而經(jīng)濟(jì)高效地修改無線電設(shè)備也隨之成為一項(xiàng)重要的業(yè)務(wù)。在這樣的背景下，軟件定義無線電技術(shù)最近得到了廣泛的部署，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)推動通信向著靈活、高性價比、功能更強(qiáng)大的方向發(fā)展。SDR系統(tǒng)的目的是在軟件和可重復(fù)編程邏輯中部署盡可能多的調(diào)制/解調(diào)和數(shù)據(jù)處理算法，以便通信系統(tǒng)能夠僅通過更新軟件和可重復(fù)編程邏輯而輕松進(jìn)行再配置，并且無需更改硬件平臺。 隨著片上系統(tǒng) (SoC) 的出現(xiàn)（比如集CPU的靈活性與FPGA的處理能力于一體的Xilinx Zynq All Programmable SoC），設(shè)計(jì)人員終于能夠?qū)DR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能和其它處理任務(wù)納入單個器件中。數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)算法等處理密集型任務(wù)分流至器件的可編程邏輯，而數(shù)據(jù)解碼和渲染、系統(tǒng)監(jiān)控和診斷以及用戶界面等任務(wù)延緩至處理單元進(jìn)行。 同時，無線系統(tǒng)的原型制作數(shù)十年來一直是個爭論不休的話題，而最近幾年才剛出現(xiàn)針對FPGA的完整設(shè)計(jì)流程 — 從模型創(chuàng)建到完整實(shí)施 — 這要?dú)w功于像MathWorks的MATLAB和Simulink等建模和仿真工具的革命。無線系統(tǒng)的原型制作正在改變工程師和科學(xué)家工作的方式，它將設(shè)計(jì)任務(wù)從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場帶到了桌面上。現(xiàn)在，工程師可以對整個無線系統(tǒng)（比如SDR系統(tǒng)）進(jìn)行建模，從而可觀察系統(tǒng)的表現(xiàn)，并在現(xiàn)場實(shí)際實(shí)施之前進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣做有很多好處，比如加快系統(tǒng)集成、減少對設(shè)備的依賴。此外，完成SDR系統(tǒng)的Simulink模型之后，C語言代碼和HDL代碼可自動生成，然后部署到Zynq SoC上，從而節(jié)省時間并避免手動編碼錯誤。將系統(tǒng)模型鏈接到快速原型制作環(huán)境可進(jìn)一步降低風(fēng)險，因?yàn)楹笳咴试SSDR系統(tǒng)在實(shí)際條件下運(yùn)作。 用于SDR的Zynq 當(dāng)需要執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、通信和用戶界面等具有不同處理帶寬要求和實(shí)時限制的任務(wù)組合時，需要用到高級SDR系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，所選的硬件平臺必須魯棒且可擴(kuò)展，同時還需為將來的系統(tǒng)改進(jìn)和擴(kuò)張創(chuàng)造條件。Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC滿足這些要求，提供高性能處理系統(tǒng)以及可編程邏輯，如圖1所示3。可編程邏輯配上處理系統(tǒng)便具有了出色的并行處理能力、實(shí)時性能、快速計(jì)算能力以及連接的多樣性。 圖1. Xilinx Zynq SoC功能框圖 Zynq SoC的處理系統(tǒng)包括一個雙核ARM Cortex-A9處理器和一個NEON協(xié)處理器，以及多個用于加速軟件執(zhí)行的浮點(diǎn)擴(kuò)展單元。為了完全發(fā)揮系統(tǒng)的能力，可以在雙核ARM處理器上采用嵌入式Linux或?qū)崟r操作系統(tǒng)。該處理器是自足的，可在不配置可編程邏輯的情況下使用，這點(diǎn)對于軟件開發(fā)人員來說很重要，他們可以與設(shè)計(jì)FPGA結(jié)構(gòu)的硬件開發(fā)人員同時進(jìn)行代碼的開發(fā)工作。 在可編程邏輯方面，該器件擁有多達(dá)444,000個邏輯單元和2,200個DSP Slice，可提供巨大的處理帶寬，允許Zynq設(shè)備應(yīng)對各種充滿挑戰(zhàn)的信號處理應(yīng)用。5個高吞吐速率的AMBA-4 AXI高速互連將可編程邏輯緊密地耦合到處理系統(tǒng)，提供相當(dāng)于3,000以上引腳的有效帶寬4。 用于SDR的AD9361捷變寬帶RF收發(fā)器 近年來，ADI公司將革命性的SDR產(chǎn)品推向了市場，以支持不斷變化的SDR要求和系統(tǒng)架構(gòu)。在這方面，ADI最重要的產(chǎn)品包括AD9361/AD9364集成式RF捷變收發(fā)器。AD9361 (2 × 2)5和AD9364 (1 × 1)6是用于SDR架構(gòu)的高性能、高度集成的RF收發(fā)器IC，適合無線通信基礎(chǔ)設(shè)施、防務(wù)電子系統(tǒng)、RF測試設(shè)備和儀器，以及通用軟件定義無線電平臺等應(yīng)用。這些器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器或FPGA提供可配置數(shù)字接口，從而簡化設(shè)計(jì)導(dǎo)入。這些芯片工作頻率范圍為70 MHz至6 GHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，通過對AD9361和AD9364器件編程可改變采樣速率、數(shù)字濾波器和抽取參數(shù)，使該芯片支持的通道帶寬范圍為低于200 kHz至56 MHz。圖2顯示了AD9361器件的功能框圖。 圖2. AD9361功能框圖 為了幫助客戶縮短產(chǎn)品上市時間并減輕整體開發(fā)負(fù)擔(dān)，ADI公司更進(jìn)一步，提供的SDR解決方案可用于具有無縫FPGA連接能力的完整生態(tài)系統(tǒng)中，為完整的無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供快速原型制作和開發(fā)環(huán)境。AD-FMCOMMSx-EBZ快速開發(fā)和原型制作板屬于高速模擬FMC模塊，集成AD9361或AD9364捷變RF收發(fā)器IC或分立式信號鏈，可無縫連接Xilinx FPGA開發(fā)平臺生態(tài)系統(tǒng)。這些板可完全通過軟件定制，無需更改任何硬件，提供可供下載的Linux驅(qū)動程序和裸機(jī)軟件驅(qū)動程序、原理圖、電路板布局文件和有助于設(shè)計(jì)的參考材料，可前往ADI的Wiki知識庫獲取。表1總結(jié)了不同F(xiàn)MCOMMSx平臺的產(chǎn)品特性。 表1. FMCOMMSx平臺 Zynq SDR快速原型制作平臺 參考設(shè)計(jì) ADI公司與FMCOMMSx平臺一同提供完整的Vivado框架，采用Linux和裸機(jī)軟件基礎(chǔ)架構(gòu)，可同時用于原型制作以及最終生產(chǎn)系統(tǒng)中。圖3顯示了ADI支持FMCOMMSx板的Zynq基礎(chǔ)架構(gòu)。 圖3. ADI HDL和軟件基礎(chǔ)架構(gòu) 該高級框圖說明了ADI參考設(shè)計(jì)在Xilinx Zynq SoC上是如何劃分的。一路HDMI輸出用于在監(jiān)視器上顯示Linux界面，鼠標(biāo)和鍵盤可通過USB 2.0端口連接到系統(tǒng)。ARM Cortex A9處理系統(tǒng)運(yùn)行ADI公司提供的Ubuntu Linux，其中包括：與ADI公司FMCOMMS硬件接口所需的Linux IIO驅(qū)動程序，用于監(jiān)測和控制的IIO Oscilloscope（示波器）用戶空間應(yīng)用程序，支持實(shí)時數(shù)據(jù)采集和通過TCP控制系統(tǒng)的libiio服務(wù)器，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的客戶端，以及整合嵌入式編碼器所生成C語言代碼的可選用戶應(yīng)用程序，可用于控制器的Simulink模型。 軟件基礎(chǔ)架構(gòu) 所有ADI Linux驅(qū)動程序均基于Linux工業(yè)I/O (IIO) 子系統(tǒng)，現(xiàn)已包含在所有主流Linux內(nèi)核中。IIO Scope是ADI公司開發(fā)的一款開源Linux應(yīng)用程序，運(yùn)行在Xilinx Zynq中的雙核ARM Cortex-A9的內(nèi)核上，能夠顯示連接到Xilinx Zynq平臺的ADI FMC卡所獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以在時域中、頻域中或以星座圖的形式顯示。支持以不同的常用文件格式（如逗號分隔值或.mat MATLAB數(shù)據(jù)文件等）保存所捕獲的數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步分析。IIO Scope提供一個圖形用戶界面，用于更改或讀取ADI FMC卡的配置。libiio服務(wù)器支持實(shí)時數(shù)據(jù)采集、通過傳輸控制協(xié)議 (TCP) 控制系統(tǒng)以及運(yùn)行于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的客戶端。服務(wù)器運(yùn)行于Linux下的嵌入式目標(biāo)上，通過TCP管理目標(biāo)與遠(yuǎn)程客戶端之間的實(shí)時數(shù)據(jù)交換。此庫抽取了硬件的低級詳情，提供簡單但完整的編程接口，可用于高級項(xiàng)目。它的模塊化架構(gòu)、設(shè)計(jì)良好的API以及內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)功能允許用戶創(chuàng)建應(yīng)用，而這些應(yīng)用不僅能運(yùn)行在IIO設(shè)備已連接的系統(tǒng)中，還能運(yùn)行在通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接的系統(tǒng)中。它首先針對Linux，不過現(xiàn)在也能通過庫的遠(yuǎn)程后端支持Windows。它以C語言寫成，并授權(quán)給LGPL，結(jié)合了C#、Python和MATLAB的特點(diǎn)。MathWorks IIO客戶端可以作為系統(tǒng)對象集成到MATLAB和Simulink原生應(yīng)用程序中。它設(shè)計(jì)用來配合連接FPGA/SoC平臺（運(yùn)行ADI Linux發(fā)布版）的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可讓MATLAB或Simulink模型執(zhí)行下列功能： ·發(fā)送數(shù)據(jù)流至目標(biāo)，并從目標(biāo)接收數(shù)據(jù)流 ·控制目標(biāo)的設(shè)置 ·監(jiān)控不同的目標(biāo)參數(shù) MATLAB和Simulink均提供IIO系統(tǒng)對象，具體取決于用戶從MATLAB腳本中對其進(jìn)行調(diào)用，還是將其整合至MATLAB系統(tǒng)模塊中。ADI提供針對FMCOMMS平臺的Linux軟件和HDL基礎(chǔ)架構(gòu)，配合MathWorks和Xilinx提供的工具后，便是進(jìn)行SDR應(yīng)用原型制作的絕佳環(huán)境，并且它還包含可隨時投入生產(chǎn)的組件，這些組件可以集成至SDR系統(tǒng) — 有助于縮短從概念到生產(chǎn)所需的時間并降低成本。 為了幫助客戶快速而輕松地掌握IIO系統(tǒng)對象，我們提供了幾個基于該界面的MATLAB和Simulink示例，比如信標(biāo)幀接收器、QPSK發(fā)射器和接收器，以及LTE發(fā)送器和接收器。在這些示例中，F(xiàn)MCOMMSx平臺由IIO系統(tǒng)對象配置，并用作RF前端并無線發(fā)送或接收模擬信號。這些信號通過IIO系統(tǒng)對象以數(shù)據(jù)流的形式發(fā)送至目標(biāo)，或從目標(biāo)接收。所有其它信號處理均在MATLAB或Simulink中執(zhí)行。圖4是信標(biāo)幀接收器示例的屏幕截圖，該圖顯示了IIO系統(tǒng)對象和其它Simulink模塊之間的典型連接。 圖4. 信標(biāo)幀接收器示例的屏幕截圖 MathWorks對Zynq的支持 MathWorks支持基于Zynq的SDR，具體表現(xiàn)在以下四個方面： 1. AD9361 Simulink模型 由于AD9361是一款集成式RF收發(fā)器芯片，信號探測和內(nèi)部工作監(jiān)控是不太現(xiàn)實(shí)的。因此，MathWorks和ADI合作開發(fā)了AD9361的SimRF?模型，可對芯片的工作進(jìn)行仿真，以便客戶能夠真正了解到這其中發(fā)生了什么，并知曉在現(xiàn)實(shí)中難以重現(xiàn)的不同測試條件下芯片性能如何。SimRF使用相同的基帶或電路包絡(luò)模塊 — 比如放大器、混頻器和S-參數(shù)模塊 — 提供RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的組件庫和仿真引擎。它是適合AD9361 RF收發(fā)器建模的有效工具。系統(tǒng)級AD9361捷變RF收發(fā)器模型（如圖5所示）精確重現(xiàn)了AD9361的功能，并以MathWorks硬件支持包的形式向用戶提供。 SimRF模型已在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過了功率頻譜測量驗(yàn)證。不同頻率和功率水平下的收發(fā)器噪聲和非線性特性也已識別。然后，這些模型設(shè)計(jì)為生成相同的特性，并在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)得到驗(yàn)證。 采用AD9361收發(fā)器SimRF模型后，用戶可以： ·預(yù)測RF缺陷對測試信號的影響 ·使用參考音和LTE信號 ·生成或?qū)霚y試向量，并評估非線性、噪聲、增益和相位不平衡、頻譜泄露以及其它RF發(fā)送器和接收器缺陷導(dǎo)致的影響 ·加入干擾信號并評估時域或頻域結(jié)果 圖5. AD9361捷變RF接收器的MathWorks SimRF模型 2. 通信和DSP系統(tǒng)工具箱功能 MathWorks產(chǎn)品 — 比如Communications System Tool-box、Signal Processing Toolbox、DSP System Toolbox和SimRF — 具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)算法和應(yīng)用程序，可進(jìn)行SDR系統(tǒng)的系統(tǒng)性分析、設(shè)計(jì)與調(diào)諧。所有這些工具均提供了創(chuàng)建高保真SDR模型的途徑，可在進(jìn)行真實(shí)物理部署前用來驗(yàn)證通信系統(tǒng)的表現(xiàn)和性能。 3. 用于Zynq的Simulink工作流程 MathWorks的MATLAB和Simulink是用于多領(lǐng)域仿真和基于模型設(shè)計(jì)的環(huán)境，非常適合仿真具有通信算法的SDR系統(tǒng)。通信算法調(diào)節(jié)增益、頻率偏移、時序偏移和其它性能變量，并經(jīng)常能更好地同步發(fā)送器和接收器系統(tǒng)。利用仿真評估通信算法可以有效地確定SDR設(shè)計(jì)是否合適，判斷其合適后再進(jìn)行昂貴的硬件測試，從而減少算法開發(fā)的時間和成本。圖6給出了設(shè)計(jì)通信算法的有效工作流程，步驟如下： ·使用基于模型的設(shè)計(jì)環(huán)境提供的庫構(gòu)建精確的SDR模型 ·仿真系統(tǒng)行為以驗(yàn)證系統(tǒng)表現(xiàn)是否符合預(yù)期 ·產(chǎn)生C代碼和HDL進(jìn)行實(shí)時測試和實(shí)施 ·利用原型制作硬件測試通信算法 在原型制作硬件上進(jìn)行仿真和測試后，如果SDR系統(tǒng)的性能證明是令人滿意的，那么在最終生產(chǎn)系統(tǒng)上實(shí)施與部署系統(tǒng)也將是安全的。 圖6. 通信算法設(shè)計(jì)的工作流程 4. Simulink平臺集成至Zynq SDR套件 一旦SDR系統(tǒng)使用MathWorks的Embedded Coder和HDL Coder等工具完成了全面的驗(yàn)證，用戶就可以利用嵌入式編碼器和VHDL或使用HDL編碼器的Verilog來生成C語言代碼，然后將代碼部署到原型制作硬件上進(jìn)行測試，之后便可進(jìn)入最終生產(chǎn)系統(tǒng)。此時應(yīng)指定軟件和硬件實(shí)施要求，如定點(diǎn)和時序行為。自動生成代碼有助于縮短從概念到實(shí)際系統(tǒng)實(shí)施所需的時間，消除手動編程錯誤，確保實(shí)際SDR實(shí)施與模型相符。圖7給出了在Simulink中進(jìn)行SDR系統(tǒng)建模并將其轉(zhuǎn)移到基于Xilinx Zynq SoC的最終生產(chǎn)系統(tǒng)所需的實(shí)際步驟。 圖7. 從仿真到生產(chǎn)的過程 第一步是在Simulink中對SDR系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。在這一階段，通信算法被劃分為在軟件中實(shí)現(xiàn)的模塊和在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)的模塊。劃分和仿真完成后，利用嵌入式編碼器和HDL編碼器將SDR模型轉(zhuǎn)換為C語言代碼和HDL代碼。基于Zynq的原型制作系統(tǒng)用來驗(yàn)證通信算法的性能，并且?guī)椭M(jìn)一步調(diào)諧SDR模型，然后轉(zhuǎn)移到實(shí)際生產(chǎn)階段。在生產(chǎn)階段，將自動生成的C代碼和HDL集成到復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)框架中。此工作流程確保通信算法在到達(dá)生產(chǎn)階段之前經(jīng)過全面驗(yàn)證和測試，使得系統(tǒng)魯棒性具有高可信度。Zynq針對嵌入式編碼器和HDL編碼器推出的硬件支持包提供集成式硬件/軟件設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證框架，將基于模型的設(shè)計(jì)集成至工作流程中，簡化了Zynq平臺的編程，并實(shí)現(xiàn)了快速設(shè)計(jì)迭代周期，同時有助于盡早檢測和糾正設(shè)計(jì)以及規(guī)格錯誤。 結(jié)論 本文說明了現(xiàn)代SDR系統(tǒng)的要求和趨勢，以及為滿足這些要求和幫助實(shí)現(xiàn)更高性能SDR解決方案而由MathWorks、Xilinx和ADI公司帶給市場的工具和系統(tǒng)。通過將MathWorks基于模型的設(shè)計(jì)和自動生成代碼工具與強(qiáng)大的Xilinx Zynq SoC和ADI集成式RF收發(fā)器結(jié)合，SDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測試和實(shí)現(xiàn)可以比以前更有效率，進(jìn)而提高無線電系統(tǒng)性能并縮短產(chǎn)品上市時間。ADI的FMCOMMS平臺搭配Avnet Zynq-7000 AP SoC便可提供強(qiáng)大的原型制作環(huán)境，供采用MathWorks MATLAB和Simulink的SDR算法設(shè)計(jì)使用。FMCOMMS平臺帶有一組開源參考設(shè)計(jì)，旨在為所有希望評估該系統(tǒng)的人士提供一個起點(diǎn)，并且?guī)椭鷨尤魏涡耂DR項(xiàng)目。。 |
