ADI/Xilinx SDR快速原型制作平臺： 功能、優(yōu)勢以及工具 作者：Di Pu, Andrei Cozma 和 Tom Hill 摘要 無線系統(tǒng)的概念與設(shè)計實(shí)現(xiàn)之間存在巨大的差異。要縮小這種差異通常都要涉及到幾組來自各領(lǐng)域的工程師團(tuán)隊(duì)（比如RF、SW、DSP、HDL和嵌入式Linux?），并且很多情況下項(xiàng)目在開發(fā)的早期階段便由于難以協(xié)調(diào)各設(shè)計團(tuán)隊(duì)而偏離了原先計劃。 本系列文章分為四個部分，將討論平臺和工具的進(jìn)步；這些技術(shù)進(jìn)步允許開發(fā)人員快速進(jìn)行無線系統(tǒng)的仿真與原型制作，同時建立與保持投入生產(chǎn)的可實(shí)現(xiàn)路徑。作為實(shí)際過程的一個示例，我們將對無線SDR平臺進(jìn)行原型制作，該平臺可接收并解碼自動相關(guān)監(jiān)視廣播 (ADS-B) 信號，以便我們檢測并匯報附近飛行中的商用飛機(jī)的位置、高度和速度。本例中需用到MATLAB?和Simulink，以及集成和內(nèi)嵌硬件/軟件的技能。硬件平臺將采用ADI/Xilinx?軟件定義無線電 (SDR) 原型制作系統(tǒng)。使用MATLAB和Simulink?后，將執(zhí)行下列任務(wù)： 設(shè)計用來解碼ADS-B消息的信號處理算法 仿真接收ADS-B信號的RF接收器 生成C語言代碼和HDL代碼 以目標(biāo)收發(fā)器和FPGA上的記錄數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)驗(yàn)證HDL代碼 最終得到一個能夠在適于生產(chǎn)的硬件上實(shí)現(xiàn)的可行RF SDR設(shè)計，我們將把它帶到當(dāng)?shù)貦C(jī)場來驗(yàn)證性能和功能。 該文章系列有四部分，第一部分將討論ADI/Xilinx SDR原型制作系統(tǒng)、該系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢，并簡要描述工具流程。第二部分將回顧自動相關(guān)監(jiān)視廣播 (ADS-B) 信號，并解釋仿真時如何在MATLAB和Simulink中解碼它們的信息。第三部分將討論和演示如何使用環(huán)路中硬件 (HIL) 并以目標(biāo)收發(fā)器捕捉信號，并同時在Simulink的主機(jī)中進(jìn)行信號處理以便驗(yàn)證。第四部分將說明如何通過第二部分開發(fā)并在第三部分驗(yàn)證的算法，并使用MathWorks的HDL編碼器以及嵌入式編碼器生成代碼，然后在生產(chǎn)硬件中進(jìn)行部署；最后，我們將在機(jī)場采用真正的ADS-B信號來操作平臺。 簡介 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1。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)計任務(wù)從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場帶到了桌面上2?，F(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。 該文章系列有四部分，第一部分將討論ADI/Xilinx SDR快速原型制作系統(tǒng)、該系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢，并簡要描述工具流程。文章解釋了ADI RF IC技術(shù)和參考設(shè)計硬件與軟件如何降低設(shè)計技巧，從而使客戶減輕風(fēng)險，并縮短產(chǎn)品上市時間。 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?？删幊踢壿嬇渖咸幚硐到y(tǒng)便具有了出色的并行處理能力、實(shí)時性能、快速計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 MHz7。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 平臺 產(chǎn)品特性 AD-FMCOMMS5-EBZ 該SDR快速原型制作板集成兩個AD9361 2 × 2捷變收發(fā)器IC，能夠?yàn)?個接收器通道和4個發(fā)送器通道提供完全同步能力，可創(chuàng)建4 × 4 MIMO系統(tǒng)的任意子系統(tǒng)。支持寬帶70 MHz至6 GHz和2.4 GHz調(diào)諧端口。AD-FMCOMMS5-EBZ資源頁面（wiki知識庫）： AD-FMCOMMS4-EBZ 該1 × 1 SDR快速原型制作板集成AD9364捷變RF收發(fā)器IC，可經(jīng)軟件配置在2400 MHz至2500 MHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高RF性能，或者可經(jīng)軟件配置工作在AD9364的70 MHz至6 GHz完整RF調(diào)諧范圍內(nèi)，以進(jìn)行系統(tǒng)原型制作和開發(fā)。AD-FMCOMMS4-EBZ資源頁面（wiki知識庫）： AD-FMCOMMS3-EBZ