基于Zynq-7000平臺的寬帶衛星終端設計

蔣振東，陳崇森，賀翔

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

介紹基于XILINX Zynq-7000 平臺的高速衛星終端的硬件設計方案，并根據終端的設計指標要求，結合Zynq-7000 平臺SoC 的特性，設計終端整體軟件架構。高速寬帶衛星終端的低功耗及小型化設計需求，對硬件平臺的選型及設計提出更高的要求。合理的軟件架構設計為實現寬帶衛星終端的功能及性能指標，向客戶提供使用方便、穩定可靠的高性能終端至關重要。該技術方案已應用到某衛星終端研制，滿足終端的低功耗及小型化設計需求，實際測試能夠實現組網高速通信，對同類型的衛星終端設計具有借鑒意義。

Zynq-7000；SoC；衛星終端；小型化

0 引言

Zynq-7000 是XILINX 公司推出的全可編程SoC片上系統平臺，廣泛應用到航空航天、汽車、工業自動化、醫療、通信等產品領域。Zynq-7000 系列芯片內含雙核ARM Cotex-A9 硬核以及不同容量的FPGA 資源，外設接口豐富，實現的功耗及性能等級遠超分立搭建的CPU+FPGA 平臺，Zynq-7000 內部雙核ARM 采用AXI 總線與FPGA 部分連接，可實現Gbit 級別以上的高速通信，為寬帶衛星終端的研制提供了完美的解決方案。通過移植Linux 操作系統到Zynq-7000 平臺，完成基于純IP 設計思路的衛星終端軟件架構設計。基于Zynq-7000 平臺的硬件方案及軟件架構設計成為高性能衛星終端研制的關鍵環節。

1 Zynq-7000的特性及芯片選型

Zynq-7000 的特點[1]如下：

（1）處理系統（PS）采用ARM Cortex-A9 雙核處理器，實現更佳性能功耗比，支持單精度和雙精度浮點，運行速率高達1GHz。

（2）含有512KB L2 高速緩存，256KB 片上存儲RAM，內存接口支持DDR3、DDR3L、DDR2、LPDDR-2。

（3）含有XILINX 7 系列28nm 可編程邏輯資源（PL），提供Artix-7 及Kintex-7 FPGA 兩種架構系列可編程邏輯資源選擇。

（4）外設接口豐富，包括2x USB 2.0(OTG)、2x Trimode 千兆以太網口、2x SD/SDIO、2x UART、2x CAN 2.0B、2x I2C、2x SPI、32bit GPIO。

（5）全可編程電源管理，具備處理系統（PS）和可編程邏輯（PL）中的多種電源優化技術，對應可調節的處理器、互連和存儲器速度功率范圍靈活可調。具備ARM 低功耗模式，部分重配置可降低可編程邏輯要求。

（6）PS 與PL 之間的高速互連，64 位AXI ACP 端口為附加的軟處理器實現增強的硬件加速性能和緩存一致性，帶寬高達100Gb/s。

（7）大量并行信號處理實現硬件加速，包含專用的完全定制的低功耗DSP Slice，DSP 模塊多達2020 個，可提供超過2662 GMAC 的性能。

（8）高保密性、安全性和可靠性，處理器的優先引導采用帶有安全ROM 碼的片上存儲器實現，防篡改技術在檢測到篡改活動時將器件“歸零”，采用基于RSA認證、SHA-256 數據認證和AES-256 解密實現安全系統引導，全方位支持ARM TrustZone。

根據衛星終端物理層數據處理吞吐量需求，結合與射頻芯片的接口連接以及終端對用戶的通信接口設計，采用XC7Z030 芯片作為SoC 芯片。XC7Z030 的PL 側資源[2]如表1 所示。

表1 XC7Z030 芯片的PL 資源列表

2 衛星通信終端的平臺硬件設計

XC7Z030 主要分為處理系統（PS）及可編程邏輯資源（PL）兩大分系統。PS 側的雙核ARM 與千兆以太網口、QSPI FLASH、I2C、EMMC、串口等常用外設接口相連，PS 側主要完成通信協議棧處理、IP 路由、應用QoS等功能；PL 側與射頻收發芯片相連，主要完成通信調制解調等功能，硬件設計原理框圖如圖1 所示。

圖1 衛星終端平臺硬件設計框圖

平臺硬件采用了XC7Z030+收發射頻一體芯片為核心的設計方案，比傳統的分立器件設計方案，無論在電路板面積還是整板功耗上都具備很大優勢，為終端的低功耗小型化設計奠定了平臺基礎。

XC7Z030 通過DDR 接口外接1GB DDR3 內存芯片，雙核ARM 及PL 都可共享此內存；通過RGMII 接口外接88E1512 千兆以太網物理層芯片，實現千兆以太網通信功能。通過SD/SDIO 接口連接大容量EMMC存儲芯片，可實現文件系統及用戶數據存儲功能。USB接口可實現外接存儲設備、設備升級等功能。控制口主要為串口，用于調試及終端參數設置等。

整體硬件采用一體化設計的理念，整板包含了高速數字電路及射頻模擬電路，在電路板的PCB 設計時采用分區布局、加屏蔽罩等方式進行有效隔離，對關鍵時鐘信號進行包地處理，DDR3 芯片嚴格按照DDR3 布線規范進行布線，從而保證了此類復雜模數混合電路設計的可靠性。

3 衛星通信終端的軟件架構設計

移植Linux 4.2.0 嵌入式操作系統到XC7Z030，并開發PL 與PS 高速通信、雙核通信、PL 動態加載、I/O控制等關鍵驅動程序，用戶通過網口即可實現IP 業務傳輸，包括網絡電話、數據通信等。

一條通信路徑由信源、信宿、一個通道和一些限制條件（如服務質量等）組成[3]。衛星通信終端的軟件開發主要集中在，基于Linux 4.2.0 嵌入式操作系統開發協議棧處理、IP 路由、應用QoS、系統控制等軟件功能。其中協議棧的分層設計及路由算法的實現為關鍵技術。系統控制軟件負責處理所有通信協議、業務流程及狀態控制，包括入/退網流程、業務傳輸流程、資源調度算法、系統控制信令等。

通過移植輕量化的Web Server，開發終端人機交互頁面，用戶可以通過網頁形式快捷查看衛星終端的運行狀態及進行參數設置。

對PS 的雙核ARM 運行任務進行分工，一個核心用于運行Linux 4.2.0 操作系統，另一個核心用于運行實時性要求較高的協議處理。雙核之間通過共享內存的方式進行數據傳輸。

PL 側用于終端的物理層實現，主要實現各種調制解調、編解碼等功能及對射頻芯片的控制。物理層軟件主要劃分為前向鏈路、返向鏈路兩大模塊，并與中心站的返向鏈路、前向鏈路軟件設計相對應。

衛星終端的整體軟件架構如圖2 所示。

圖2 衛星終端的整體軟件架構圖

為了便于與地面網的IP 數據通信兼容，其中協議棧軟件設計分為衛星通信相關與無關兩部分。通過開發遠程升級及本地升級軟件模塊，可實現中心站對終端的軟件遠程升級以及本地USB 存儲器升級。

由于衛星通信終端基于純IP 設計，用戶可通過以太網口方便地連接路由器、IP 電話機、PC 電腦等各種形式的網絡設備，實現快速組網通信，而不用進行繁瑣的網絡配置，能夠很好地提升用戶使用體驗。

4 結語

本文詳細介紹了低功耗、小型化的衛星寬帶通信終端的平臺硬件設計及軟件架構設計方案，該方案已應用到設備的具體研制，實現效果良好，工作可靠穩定。對于同類型的衛星通信終端設計具有很好的參考價值。