基于ZEDBOARD的嵌入式軟件無線電軟件平臺設計研究

暴臻濤 西安郵電大學

近年來，我國物聯網技術的飛速發展，使無線電設備在功耗、成本等方面不斷降低，而人們對軟件無線電平臺所提出的通用性、高速性及可擴展性等方面的要求也將促使軟件無線電平臺變得越來越小型化和便捷化。文章綜合運用了936l射頻板卡與ZEDBOARD板卡，以此搭建嵌入式軟件無線電軟件平臺的ARM+FPGA混合架構，從而實現了對基于ZEDBOARD的嵌入式軟件無線電軟件平臺的開發。經軟件平臺各項性能的測試結果表明，該嵌入式軟件無線電平臺具有體積小、擴展性高、功耗低等應用優勢，具有非常廣闊的市場應用前景。

1 系統架構

1.1 硬件結構

以Xilinx Zynq-7000擴展式處理平臺為基礎，采用ZEDBOARD嵌入式開發板，該開發板采用ARM+FPGA混合式架構，在集成性上有著非常良好的表現。對于用戶來說，可結合自身需要來連接各個模塊，以此對平臺邏輯功能進行自定義。在ZYNQ中，其各種外設及內存控制器均被集成于架構內的ARM子系統中，以確保處理子系統能夠獨立運行。很多可擴展模塊都集成在FPGA部分，對于該平臺來說，其有著大量的擴展資源與處理器，這也是軟件無線電平臺的開發優勢所在。ADI公司則研發出一種AD9361高性能射頻捷變收發器，在板卡中還配置了相應的FPGA驅動，人們可將AD9361射頻版直接連接在ZEDBOARD的FMC接口中，從而實現對板卡驅動的移植，進而使硬件鏈路部分在軟件無線電平臺中得以快速搭接。

1.2 平臺架構

在嵌入式軟件無線電平臺中，主要分為硬件與軟件兩個平臺組成部分。其中，嵌入式Linux系統位于軟件平臺部分，該系統的穩定性好、可移植性好且成本很低，而且可兼容不同處理器。以現有硬件資源為基礎，需要對ZEDBOARD中的IP核資源進行自定義來實現對嵌入式Linux系統的移植，以便于對平臺數據的傳輸程序進行設計。在測試ZEDBOARD的軟件無線電平臺鏈路時，可通過對波形數據進行發送來完成。

2 基于ZEDBOARD的嵌入式軟件無線電軟件平臺設計

在對嵌入式軟件進行開發時，是離不開的嵌入式系統移植的，文章通過ZEDBOARD開發板來對嵌入式Linux系統進行移植來實現對軟件無線電系統軟件平臺的搭建。

2.1 編譯環境

在移植系統或開發應用程序過程中，離不開對嵌入式開發環境的搭建。文中主要通過Xilin ARM交叉編譯工具來搭建對應的開發環境。第一步是對Xilinx交叉編譯工具進行下載與安裝，然后對系統平臺的環境變量進行設置，以此完成對配置信息的編寫。具體配置信息如下：

2.2 U-Boot與Linux內核的移植

Bootloader是對于嵌入式操作系統來說，其在內核引導過程中，往往需要啟動U-Boot來完成引導，而U-Boot其實是Bootloader的一個演化版本。在移植過程中，需要先對U-Boot源碼進行獲取，然后以ZEDBOARD板卡需求為基礎來配置U-Boot，在配置完畢后，這些信息會在Zynq_zed_config文件內存儲，例如內核鏡像、網絡地址、設備樹，加載方式、文件系統等，都是典型的U-Boot配置信息，而這些信息均要結合硬件的具體信息來完成設置。在嵌入式系統中，其核心在于Linux內核，因嵌入式系統是較為精簡的，所以往往要裁剪Linux內核，這樣有助于縮短開發周期，并將嵌入式應用程序作為開發重點。在該平臺中，Linux內核的配置文件為Digilent_zed_defconfig，該配置文件包含了嵌入式Linux系統中的全部功能模塊信息。通過編譯內核源碼，便可使人們在目錄中找到生成的zlmage文件。

2.3 設備樹及文件系統

為了對硬件信息進行描述，需要利用設備樹來實現，其本質上是一種數據結構，設備樹能夠采用硬編碼方式在系統中寫入設備信息，因ARM不具備BIOS，所以需要利用設備樹來對所需設備的配置信息進行啟動。設備樹文件可利用Xilinx SDK來生成.內核命令行參數是整個設備樹中的重要定義參數，其能夠在內核啟動過程中實現內核傳遞。利用SDK來對與板卡相適配設備樹文件進行生成。不過，AD9361驅動本質上屬于SPI總線驅動，現階段僅能利用設備樹來加載。所以，在對設備樹文件進行生成以后，還要對AD9361設備驅動配置進行編寫，時鐘頻率、模式啟動、SPI配置等都是AD936l設備樹中的配置參數，在參數設置過程中可結合工作需要來修改。在Linux中，根文件系統有著比較復雜的構成，在此過程中需要創建多級文件目錄，以便于對Uramdisk.image.gz文件進行生成。啟動時該文件會利用U-Boot會進行內存加載，同時內存地址也會向著內核傳遞，當內核啟動后，文件系統也會隨之運行。

3 測試驗證

在對該平臺進行測試時，需要對兩個方面的內容進行驗證：其一是驗證參數配置信道功能；其二是驗證發送鏈路。

MATLAB會生成發端波形數據，該數據分為單音波數據與QPSK信號數據。在驗證配置信道時，需要對單音信號進行發送，并對采樣頻率、本振頻率等參數進行配置，并利用頻譜儀來對波形變化進行查看，該頻譜儀的運行頻率調整為2.5GHz，其帶寬為2MHZ的單音信號頻譜。由頻譜儀觀察結果可了解到，平臺的配置信道功能正常。隨后由MATLAB對QPSK信號進行生成，然后驗證I／O流信道功能。QPSK數據中心頻率2.5GHZ，帶寬10MHz。通過觀察QPSK波形頻譜儀的結果并進行對比，可以了解到發送波形的變化和原始數據大致相符，由此表明發送波形是成功的。

4 結語

綜上，文章對基于ZEDBOARD的嵌入式軟件無線電軟件平臺的設計進行了詳細闡述，該系統采用了AD936l射頻卡與ZEDBOARD嵌入式開發板來實現對嵌入式軟件無線電平臺的靈活組建，該平臺相比于PC架構的軟件無線電平臺來說有著更低的功耗，并且在擴展性也有著非常出色的表現，對該嵌入式軟件無線電軟件平臺的研發可在很大程度上降低成本，縮短開發周期，這使得整個平臺的應用前景非常廣闊。