Zynq7000 SoC平臺(tái)在分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用

于旭洋

【摘 要】論文主要介紹了Xilinx推出的Zynq7000嵌入式SoC平臺(tái)在分布式系統(tǒng)中作為信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，詳細(xì)分析了FPGA+ARM的硬件處理架構(gòu)特點(diǎn)。針對(duì)SWaP（小尺寸、重量輕、低功耗）分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)的有關(guān)需求，提出了一種Zynq7000 SoC平臺(tái)快速系統(tǒng)搭建的解決方案。

【Abstract】This paper mainly introduces the application of Zynq7000， an embedded SoC platform produced by Xilinx， as signal processing node in the distributed system. The paper analyzes the characteristics of hardware processing architecture of FPGA + ARM in detail. Aiming at the requirement of SWaP （small size， lightweight， low power） distributed signal processing node， this paper proposes a solution for fast system construction of Zynq7000 SoC platform.

【關(guān)鍵詞】SoC;分布式系統(tǒng);信號(hào)處理

【Keywords】SoC; distributed system; signal process

【中圖分類號(hào)】TN911.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）08-0189-02

1 引言

隨著電磁環(huán)境和雷達(dá)信號(hào)體制的變化，電子對(duì)抗系統(tǒng)的規(guī)模日益增大。然而單裝設(shè)備的計(jì)算能力和資源處理能力都十分有限，簡(jiǎn)單地通過(guò)“資源堆砌”來(lái)增加處理能力勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的體積、功耗，使得系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大降低。通過(guò)分布式多節(jié)點(diǎn)分擔(dān)信號(hào)處理工作量，利用分布式網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)作完成信號(hào)處理，可以非常方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理能力的擴(kuò)展，完成SWaP（Size， Weight and Power）尺寸小、重量輕、功耗低的指標(biāo)。因此，近年來(lái)分布式信號(hào)處理一直都是學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。目前，已有諸多正在致力于解決圍繞分布式系統(tǒng)新興問(wèn)題的研究。如美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局DARPA的傳感器信息技術(shù)項(xiàng)目，其正在發(fā)展固定及移動(dòng)分布式自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，并研究相關(guān)方法論以收集、存儲(chǔ)和處理傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)。其中，最關(guān)鍵的領(lǐng)域就是各種分布式信號(hào)處理算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[1]。

本文以Zynq7000 SoC平臺(tái)為例，結(jié)合分布式信號(hào)處理的特點(diǎn)，研究了SoC嵌入式處理器架構(gòu)在分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。

2 Zynq7000 SoC平臺(tái)簡(jiǎn)介

Zynq7000 SoC平臺(tái)基于“ARM+FPGA”的體系結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，上半部分主要是處理器系統(tǒng)，包括應(yīng)用處理單元、存儲(chǔ)器接口和內(nèi)部互聯(lián)中心;下半部分是可編程邏輯資源，也就是FPGA部分，其資源特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)與Xilinx 7系列的FPGA一致[2]。

Zynq7000系列的SoC包含了完整的ARM處理子系統(tǒng)，每一顆Zynq7000系列的處理器都包含了雙核的Cortex-A9處理器，整個(gè)處理器的搭建都以Cortex-A9處理器為中心，而且處理器子系統(tǒng)中集成了內(nèi)存控制器和大量的外設(shè)，使Cortex-A9的核在Zynq7000中完全獨(dú)立于可編程邏輯單元。另外，可編程邏輯部分緊密地與ARM的處理單元結(jié)合。FPGA的部分用于擴(kuò)展子系統(tǒng)，其有豐富的擴(kuò)展能力，有超過(guò)3000個(gè)內(nèi)部互連資源，可提供100Gb/s以上的內(nèi)部傳輸帶寬。此外在I/O接口方面，Zynq7000上有非常靈活、可充分自定義的MIO、SelectIO資源，以及FPGA上的高速串行收發(fā)器接口MGT。這種架構(gòu)很適合小型分布式信號(hào)處理設(shè)備的應(yīng)用。

3 分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要特征之一是由集中式到分布式的轉(zhuǎn)變。理想的全分布式網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)地位等同，其任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間都有多條路徑直接或間接相連，并能實(shí)時(shí)接受新的節(jié)點(diǎn)，而其基本協(xié)議則應(yīng)保證在大量節(jié)點(diǎn)被封堵仍能夠有效持續(xù)傳送數(shù)據(jù)。因此，分布式網(wǎng)絡(luò)具有抗攻擊性強(qiáng)、規(guī)模越大越穩(wěn)定、快速部署等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。

分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)需具備無(wú)線高速通信能力、信號(hào)偵收能力、位置信息獲取能力及授時(shí)能力等。因此，采用一體式AD9361+Zynq7000 SoC平臺(tái)快速搭建分布式節(jié)點(diǎn)，其基本架構(gòu)如圖1（b）所示。AD9361集成了前端、通道、ADC、DAC等，將其引入電子戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用中，將在很大程度上簡(jiǎn)化電子戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分布式節(jié)點(diǎn)由SoC平臺(tái)部分、射頻前端及通道、通信前端、導(dǎo)航模塊等部分構(gòu)成。

3.1 SoC平臺(tái)部分

SoC平臺(tái)主要分CPU和FPGA兩部分，CPU完成通信信號(hào)的編碼及解碼，完成運(yùn)行分布式節(jié)點(diǎn)的資源管理，提供分布式服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)位置時(shí)間管理以及電源管理等功能。FPGA主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理、信號(hào)檢測(cè)、通道控制管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.2 數(shù)模混合射頻前端

射頻前端和通道提供信號(hào)偵收所需的低噪聲放大器、濾波、下變頻等功能。A/D完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。AD9361的主要指標(biāo)如下：

①集成12位ADC的射頻2×2接收器;

②帶寬范圍軟件可調(diào)：70MHz～6GHz;

③可調(diào)信道帶寬：200kHz～56MHz;

④支持MIMO無(wú)線電;

⑤可通過(guò)SPI接口訪問(wèn)所有的器件寄存器。

3.3 通信、導(dǎo)航以及電源管理

通信前端及信道完成無(wú)線通信信道的收發(fā)切換，提供分布式節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信所需的接收低噪聲放大、發(fā)射功放，調(diào)制及解調(diào)等功能。

導(dǎo)航模塊提供分布式節(jié)點(diǎn)的定位和授時(shí)能力，采用通用UART接口的GPS/北斗導(dǎo)航模塊。

由于分布式節(jié)點(diǎn)采用電池供電，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，完成電源管理、BIT檢測(cè)和健康狀態(tài)管理，收集數(shù)據(jù)并完成上報(bào)。

3.4 偵收天線、通信天線、導(dǎo)航天線

偵收天線提供分布式節(jié)點(diǎn)的偵察接收能力，根據(jù)任務(wù)要求需覆蓋相應(yīng)的頻段。通信天線提供通信的接收和發(fā)射能力，覆蓋頻段根據(jù)所接入的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)確定。導(dǎo)航天線接入北斗、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。

由于節(jié)點(diǎn)設(shè)備受限于電池續(xù)航能力以及散熱等因素，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案上考慮采用帶有低功耗能力的處理系統(tǒng)，以及帶有待機(jī)、喚醒功能的電源管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在待機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)了多級(jí)待機(jī)模式，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，使得部分耗電較大的硬件處于低功耗狀態(tài)，最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間。同時(shí)，為了使節(jié)點(diǎn)功能更加靈活，預(yù)留了系統(tǒng)功能重配置能力，處理系統(tǒng)可以根據(jù)控制下發(fā)的指令重新加載不同功能的固件，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Zynq7000 SoC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)在單芯片中進(jìn)行FPGA與ARM處理器協(xié)同開(kāi)發(fā)，增加了分布式節(jié)點(diǎn)的靈活性。最后提出了一種分布式信號(hào)處理節(jié)點(diǎn)完整的解決方案，并闡述了各個(gè)組成部分的具體內(nèi)容。

【參考文獻(xiàn)】

【1】Technical Report.DARPA sensor information technology program[DB/OL].http：//www.darpa.mil/ito/research/sensit/index.html.

【2】Xilinx.All programmable SoC Zynq-7000[J].今日電子，2013（42）：103-105.

【3】張華滋.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的分布式信號(hào)處理與信息傳播[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.