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軟件界說無線電(SDR)快速原型制造

宣布時間:2015年12月04日 15:12    宣布者:designapp
要害詞: SDR , 原型制造
隨著人們對通訊要領和手段的需求呈指數式增添,便利而經濟高效地修改無線電裝備也隨之成為一項主要的營業。在這樣的配景下,軟件界說無線電手艺比來取得了普遍的部署,由于這項手艺推動通訊向著無邪、高性價比、功效更強年夜的偏向生長。SDR系統的目的是在軟件和可重復編程邏輯中部署盡能夠多的調制/解協調數據處置賞罰算法,以便通訊系統能夠僅經由歷程更新軟件和可重復編程邏輯而輕松阻拦再裝備,而且無需更改硬件平臺。

隨著片上系統 (SoC) 的泛起(好比集CPU的無邪性與FPGA的處置賞罰才氣于一體的Xilinx Zynq All Programmable SoC),設計職員終究能夠將SDR系統的數據處置賞罰功效和其它處置賞罰義務歸入單個器件中。數據調制/解調算法等處置賞罰辘集型義務分流至器件的可編程邏輯,而數據解碼和襯著、系統監控和診斷和用戶界面等義務延緩至處置賞罰單元阻拦。

同時,無線系統的原型制造數十年來一直是個爭辯不休的話題,而比來幾年才剛泛起針對FPGA的完全設計流程 — 從模子建設到完全實驗 — 這要歸功于像MathWorks的MATLAB和Simulink等建模和仿真工具的革命。無線系統的原型制造正在改變工程師和迷信家使命的要領,它將設計義務從實驗室和現場帶到了桌面上。現在,工程師可以對所有無線系統(好比SDR系統)阻拦建模,從而可不雅不雅察系統的體現,并在現場現實實驗之前進行調治。這樣做有許多利益,好比加速系統集成、增添對裝備的依附。此外,完成SDR系統的Simulink模子以后,C語言代碼和HDL代碼可自動天生,然后部署到Zynq SoC上,從而節儉時間并防止手動編碼弱點。將系統模子鏈接到快速原型制造情形可進一步降低風險,由于后者允許SDR系統在現實條件下運作。

用于SDR的Zynq

當須要推行數據處置賞罰、通訊和用戶界面等具有不合處置賞罰帶寬要求和實時限制的義務組應時,須要用到高等SDR系統。為了完成這樣的系統,所選的硬件平臺必須魯棒且可擴年夜,同時還需為未來的系統刷新和擴年夜締造條件。Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC知足這些請求,供應高性能處置賞罰系統和可編程邏輯,如圖1所示3。可編程邏輯配上處置賞罰系統便具有了精彩的并行處置賞罰才氣、實時性能、快速盤算才氣和毗連的多樣性。


圖1. Xilinx Zynq SoC功效框圖

Zynq SoC的處置賞罰系統包羅一個雙核ARM Cortex-A9處置賞罰器和一個NEON協處置賞罰器,和多個用于加速軟件推行的浮點擴年夜單元。為了完全施展系統的才氣,可以在雙核ARM處置賞罰器上接納嵌入式Linux或實時操作系統。該處置賞罰器是自足的,可在不裝備可編程邏輯的情形下應用,這點關于軟件開發職員來講很主要,他們可以與設計FPGA結構的硬件開發職員同時阻拦代碼的開發使命。

在可編程邏輯方面,該器件具有多達444,000個邏輯單元和2,200個DSP Slice,可供應巨年夜的處置賞罰帶寬,允許Zynq裝備應對種種充斥尋釁的旌旗燈號處置賞罰應用。5個高吞吐速率的AMBA-4 AXI高速互連將可編程邏輯慎密地耦合隨處置賞罰系統,供應相當于3,000以上引腳的有用帶寬4。

用于SDR的AD9361捷變寬帶RF收發器

近年來,ADI公司將革命性的SDR產物推向了市場,以支持賡續變換的SDR要求和系統架構。在這方面,ADI最主要的產物包羅AD9361/AD9364集成式RF捷變收發器。AD9361 (2 × 2)5和AD9364 (1 × 1)6是用于SDR架構的高性能、高度集成的RF收發器IC,合適無線通訊基础行動措施、防務電子系統、RF測試裝備和儀器,和通用軟件界說無線電平臺等應用。這些器件集RF前端與無邪的混淆旌旗燈號基帶部門為一體,集成頻率剖析器,為處置賞罰器或FPGA供應可裝備數字接口,從而簡化設計導入。這些芯片使命頻率規模為70 MHz至6 GHz,涵蓋年夜部門特許執照和免執照頻段,經由歷程對AD9361和AD9364器件編程可改變采樣速率、數字濾波器和抽取參數,使該芯片支持的通道帶寬規模為低于200 kHz至56 MHz。圖2顯示了AD9361器件的功效框圖。


圖2. AD9361功效框圖

為了贊助客戶延伸產物上市時間并減輕全體開發肩負,ADI公司更進一步,供應的SDR處置賞罰妄图可用于具有沒有縫FPGA毗連才氣的完全生態系統中,為完全的無線電系統設計供應快速原型制造和開發情形。AD-FMCOMMSx-EBZ快速開發和原型制造板屬于高速模擬FMC模塊,集成AD9361或AD9364捷變RF收發器IC或分立式旌旗燈號鏈,可無縫毗連Xilinx FPGA開發平臺生態系統。這些板可完全經由歷程軟件定制,無需更改任何硬件,供應可供下載的Linux驅動法式模范模范和裸機軟件驅動法式模范模范、原理圖、電路板結構文件和有助于設計的參考質料,可前往ADI的Wiki知識庫獲得。表1總結了不合FMCOMMSx平臺的產物特點。


表1. FMCOMMSx平臺

Zynq SDR快速原型制造平臺

參考設計

ADI公司與FMCOMMSx平臺一同供應完全的Vivado框架,接納Linux和裸機軟件基础架構,可同時用于原型制造和終究臨盆系統中。圖3顯示了ADI支持FMCOMMSx板的Zynq基础架構。


圖3. ADI HDL和軟件基础架構

該高等框圖說清晰了了ADI參考設計在Xilinx Zynq SoC上是若何劃分的。一起HDMI輸入用于在監視器上顯示Linux界面,鼠標和鍵盤可經由歷程USB 2.0端口毗連到系統。ARM Cortex A9處置賞罰系統運轉ADI公司供應的Ubuntu Linux,其中包羅:與ADI公司FMCOMMS硬件接口所需的Linux IIO驅動法式模范模范,用于監測和控制的IIO Oscilloscope(示波器)用戶空間應用法式模范模范,支持實時數據網絡和經由歷程TCP控制系統的libiio服務器,在遠程盤算機上運轉的客戶端,和整合嵌入式編碼器所天生C語言代碼的可選用戶應用法式模范模范,可用于控制器的Simulink模子。

軟件基础架構

所有ADI Linux驅動法式模范模范均基于Linux工業I/O (IIO) 子系統,現已包羅在所有主流Linux內核中。IIO Scope是ADI公司開發的一款開源Linux應用法式模范模范,運轉在Xilinx Zynq中的雙核ARM Cortex-A9的內核上,能夠顯示毗連到Xilinx Zynq平臺的ADI FMC卡所獲得的實時數據。這些數據可以在時域中、頻域中或以星座圖的形式顯示。支持以不合的經常应用文件名堂(如逗號脫離值或.mat MATLAB數據文件等)生涯所捕捉的數據以供進一步剖析。IIO Scope供應一個圖形用戶界面,用于更改或讀取ADI FMC卡的裝備。libiio服務器支持實時數據網絡、經由歷程傳輸控制協定 (TCP) 控制系統和運轉于遠程盤算機上的客戶端。服務器運轉于Linux下的嵌入式目的上,經由歷程TCP治理目的與遠程客戶端之間的實時數據交流。此庫抽取了硬件的低級概略,供應簡樸但完全的編程接口,可用于高等項目。它的模塊化架構、設計優勝的API和內置的群集功效允許用戶建設應用,而這些應用不只能運轉在IIO裝備已毗連的系統中,還能運轉在經由歷程群集遠程毗連的系統中。它首先針對Linux,不外現在也能經由歷程庫的遠程后端支持Windows。它以C語言寫成,并授權給LGPL,團結了C#、Python和MATLAB的特點。MathWorks IIO客戶端可以作為系統工具集成到MATLAB和Simulink原生應用法式模范模范中。它設計用來合營毗連FPGA/SoC平臺(運轉ADI Linux宣布版)的以太網阻拦數據交流,可讓MATLAB或Simulink模子推行以下功效:

·發送數據流至目的,并從目的吸收數據流
·控制目的的設置
·監控不合的目的參數

MATLAB和Simulink均供應IIO系統工具,詳細取決于用戶從MATLAB劇本中對其阻拦挪用,照樣將其整合至MATLAB系統模塊中。ADI供應針對FMCOMMS平臺的Linux軟件和HDL基础架構,合營MathWorks和Xilinx供應的工具后,就是阻拦SDR應用原型制造的絕佳情形,而且它還包羅可隨時投入臨盆的組件,這些組件可以集成至SDR系統 — 有助于延伸從看法惠臨盆所需的時間并降低資源。

為了贊助客戶快速而輕松地控制IIO系統工具,我們供應了幾個基于該界面的MATLAB和Simulink示例,好比信標幀吸收器、QPSK發射器和吸收器,和LTE發送器和吸收器。在這些示例中,FMCOMMSx平臺由IIO系統工具裝備,并用作RF前端并沒有線發送或吸收模擬旌旗燈號。這些旌旗燈號經由歷程IIO系統工具以數據流的形式發送至目的,或從目的吸收。所有其它旌旗燈號處置賞罰均在MATLAB或Simulink中推行。圖4是信標幀吸收器示例的屏幕截圖,該圖顯示了IIO系統工具和其它Simulink模塊之間的規范毗連。


圖4. 信標幀吸收器示例的屏幕截圖

MathWorks對Zynq的支持

MathWorks支持基于Zynq的SDR,詳細體現在以下四個方面:

1. AD9361 Simulink模子

由于AD9361是一款集成式RF收發器芯片,旌旗燈號探測和外部使命監控是不太現實的。是以,MathWorks和ADI協作開發了AD9361的SimRF?模子,可對芯片的使命阻拦仿真,以便客戶能夠真正明確到這其中發生了甚么,并知曉在現實中難以重現的不合測試條件下芯片性能若何。SimRF應用類似的基帶或電路包絡模塊 — 好比縮小年夜器、混頻器和S-參數模塊 — 供應RF系統設計中的組件庫和仿真引擎。它是合適AD9361 RF收發器建模的有用工具。系統級AD9361捷變RF收發器模子(如圖5所示)準確重現了AD9361的功效,并以MathWorks硬件支持包的形式向用戶供應。

SimRF模子已在實驗室中經由了功率頻譜丈量驗證。不合頻率和功率水平下的收發器噪聲和非線性特點也已識別。然后,這些模子設計為天生類似的特點,并在設計規模內取得驗證。

接納AD9361收發器SimRF模子后,用戶可以:

·意料RF弱點對測試旌旗燈號的影響
·應用參考音和LTE旌旗燈號
·天生或導入測試向量,并評價非線性、噪聲、增益和相位不平衡、頻譜走漏和其它RF發送器和吸收器弱點招致的影響
·加入攪擾旌旗燈號并評價時域或頻域效果


圖5. AD9361捷變RF吸收器的MathWorks SimRF模子

2. 通訊和DSP系統工具箱功效

MathWorks產物 — 好比Communications System Tool-box、Signal Processing Toolbox、DSP System Toolbox和SimRF — 具有業界尺度算法和應用法式模范模范,可阻拦SDR系統的系統性剖析、設計與調諧。所有這些工具均供應了建設高保真SDR模子的蹊徑,可在阻拦真實物理部署前用來驗證通訊系統的體現和性能。

3. 用于Zynq的Simulink使命流程

MathWorks的MATLAB和Simulink是用于多領域仿真和基于模子設計的情形,異常合適仿真具有通訊算法的SDR系統。通訊算法調治增益、頻率偏移、時序偏移和其它性能變量,并經常能更好地同步發送器和吸收器系統。應用仿真評價通訊算法可以有用地一定SDR設計能否合適,斷定其合適后再阻拦昂貴的硬件測試,從而增添算法開發的時間和資源。圖6給出了設計通訊算法的有用使命流程,法式模范以下:

·應用基于模子的設計情形供應的庫構建準確的SDR模子
·仿真系統行動以驗證系統體現能否切合預期
·發生C代碼和HDL阻拦實時測試和實驗
·應用原型制造硬件測試通訊算法

在原型制造硬件長阻拦仿真和測試后,假設SDR系統的性能證實是令人知足的,那么在終究臨盆系統上實驗與部署系統也將是安然的。  


圖6. 通訊算法設計的使命流程

4. Simulink平臺集成至Zynq SDR套件

一旦SDR系統應用MathWorks的Embedded Coder和HDL Coder等工具完成了周全的驗證,用戶便可以應用嵌入式編碼器和VHDL或應用HDL編碼器的Verilog來天生C語言代碼,然后將代碼部署到原型制造硬件長阻拦測試,以后便可進入終究臨盆系統。此時應指定軟件和硬件實驗請求,如定點和時序行動。自動天生代碼有助于延伸從看法到現實系統實驗所需的時間,掃除手動編程弱點,確保現實SDR實驗與模子切合。圖7給出了在Simulink中阻拦SDR系統建模并將其轉移到基于Xilinx Zynq SoC的終究臨盆系統所需的現實法式模范。


圖7. 從仿真惠臨盆的歷程

第一步是在Simulink中對SDR系統阻拦建模和仿真。在這一階段,通訊算法被劃分為在軟件中完成的模塊和在可編程邏輯中完成的模塊。劃分和仿真完成后,應用嵌入式編碼器和HDL編碼器將SDR模子轉換為C語言代碼和HDL代碼。基于Zynq的原型制造系統用來驗證通訊算法的性能,而且贊助進一法式模范諧SDR模子,然后轉移到現實臨盆階段。在臨盆階段,將自動天生的C代碼和HDL集成到严重年夜的臨盆系統框架中。此使命流程確保通訊算法在到達臨盆階段之前經由周全驗證和測試,使得系統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供應集成式硬件/軟件設計、仿真和驗證框架,將基于模子的設計集成至使命流程中,簡化了Zynq平臺的編程,并完成了快速設計迭代周期,同時有助于盡早檢測和糾正設計和規格弱點。

結論

本文說清晰了了現代SDR系統的要求和趨勢,和為知足這些要求和贊助完成更高性能SDR處置賞罰妄图而由MathWorks、Xilinx和ADI公司帶給市場的工具和系統。經由歷程將MathWorks基于模子的設計和自動天生代碼工具與強年夜的Xilinx Zynq SoC和ADI集成式RF收發器團結,SDR系統設計、驗證、測試和完成可以比之前更有用力,進而前進無線電系統性能并延伸產物上市時間。ADI的FMCOMMS平臺搭配Avnet Zynq-7000 AP SoC便可供應強年夜的原型制造情形,供接納MathWorks MATLAB和Simulink的SDR算法設計應用。FMCOMMS平臺帶有一組開源參考設計,旨在為所有欲望評價該系統的人士供應一個終點,而且贊助啟動任何新SDR項目。。
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