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基于Zedboard的软件无线电软件平台的设计与实现

范文

华抒军

摘要：基于未来软件无线电系统的发展，本文利用Zedboard嵌入式开发板和AD9361射频卡搭建高度集成的嵌入式软件无线电平台硬件链路，并实现了嵌入式软件平台的构建和数据传输方案，最后对方案做了相关测试验证。该系统具有扩展性高、集成度高、功耗低的特点，开发过程成本低、周期短，对软件无线电系统的发展具有重要意义。

关键词：通信终端；软件无线电；实现；Zedboard；嵌入式；AD9361

中图分类号：TN924 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.10.016

引言

1992年5月，J.Mitole首次提出了“软件无线电”的概念，此后软件无线电收到越来越广泛的重视。软件无线电的核心思想是构建一个通用、标准、模块化的统一硬件平台，通过软件可编程实现多种协议标准，因而软件无线电平台具有广泛的应用前景。

目前，大多数软件无线电平台都基于PC处理器架构，整套系统体积大、成本高，工作场景、工作制式受到限制，在PC架构下，平台的实时性和高速性很难得到保证，因而现有的软件无线电平台局限于科研领域，很难向更广泛的领域推广。

随着物联网、智能终端等小型设备越来越普及，无线电设备正在趋向于低功耗、低成本、无线化发展。软件无线电平台以其通用性、可扩展性、高速性的特性需求，也将趋向于小型化、便捷化发展。为此，本文基于Zedboard板卡ARM+FPGA混合架构的特点，配合AD公司的9361射频板卡，搭建了小型嵌入式软件无线电平台，并实现了基于Zed-board的嵌入式软件平台的开发。通过对相关性能进行测试，验证表明，小型化嵌入式软件无线电平台具有良好的应用前景。

1 系统架构

1.1 硬件结构

Zedboard是基于Xilinx 2ynq-7000扩展式处理平台的嵌入式开发板。Zynq采用ARM+FPGA架构，具有高度集成性。用户可以根据需求将不同的模块连接起来，实现自定义逻辑功能。Zynq的ARM子系统中集成了大量的外设和内存控制器，使得处理子系统可以单独工作。而FPGA部分含有大量的可扩展模块。整个系统具有丰富的处理器和扩展资源，因而对软件无线电平台的开发具有得天独厚的优势。如图1所示是Zedboard开发板示意图。

AD9361是ADI公司开发的一款高性能射频捷变收发器。ADI公司提供了板卡对应的FPGA驱动，通过Zedboard提供的FMC接口和AD9361射频版直接相连，移植板卡驱动，可以很快搭建软件无线电平台的硬件链路部分。

1.2软件无线电平台架构

软件无线电平台通常由基本的硬件平台和软件平台构成，本文系统的整体架构如图2所示。硬件链路如上文所述。软件平台采用嵌入式Linux系统，嵌入式Linux具有系统稳定、成本低、可移植性高、支持多种处理器支持的特点。在已有的硬件资源基础上，本文通过白定义Zedboard的IP核资源，移植嵌入式Linux系统，开发并实现了软件平台的数据传输程序。最后，通过发送指定波形数据，完成基于Zedboard的软件无线电平台的链路测试。

2 基于Zedboard的嵌入式Linux平台开发

嵌入式系统移植是嵌入式软件开发的必备环节，本文基于Zedboard开发板，移植嵌入式Linux系统，搭建软件无线电系统的软件平台。

2.1 交叉编译环境

不管是系统移植还是应用程序开发，都需要搭建相应的嵌入式开发环境。本文开发环境使用Xilinx ARM交叉编译工具。

首先从官网下载Xilinx交叉编译工具，执行以下命令安装：

root# apt-get install ia32-libs

root# dpkg-reconfigure dash

root# chmod+x xilinx-2011.09-50-arm-xilinx-linux-gnueabi.bin

root#./xilinx-2011.09-50-arm-xilinx-linux-gnueabi.bin

其次，修改系统环境变量，加入如下配置信息：

export ARCH=arm

exportCROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi

exportPATH=/root/C odeS ourcery/S ourcery_CodeBench_Lite_or_ Xilinx_GNU_Linux/bin/： $PATH

2.2 移植u-boot

Bootloader是嵌入式操作系统在引导内核或用户程序前的一段程序，本文使用Bootloader的演化版本u-boot作为启动引导。首先，从网上获取u-boot的源码。其次，根据对应Zedboard板卡的需求，本文对u-boot进行相关配置，配置信息存储于zynq_zed_config文件中，主要包含内核镜像，设备树，文件系统，网络地址，加载方式等信息，这些信息需要根据实际硬件信息进行设置。部分配置信息如下表l所示。

2.3 移植Linux内核

Linux内核是嵌入式系统的关键部分。由于嵌入式系统比较精简，通常需要对Linux内核进行裁剪。为了加快开发速度，着重于嵌入式应用程序的开发，本文使用Zedboard官网提供的Linux内核。digilent_zed_defconfig是本文使用的Linux内核配置文件，嵌入式Linux系统中所需要使用的功能模块信息都在此文件中进行配置。通过如下命令，完成内核源码的编译。完成后即可在当前目录下看到生成的zlmage文件。

root# make ARCH=arm digilent_zed_defconfig

root# make ARCH=arm

2.4 生成设备树和文件系统

设备树是描述硬件信息的一种数据结构。相较于设备的每一条信息采用硬编码的方式写入操作系统，由于ARM中没有BIOS，只能通过设备树这种数据结构定义启动中需要的设备配置参数。本文通过Xilinx SDK生成设备树文件，具体配置参数如图3所示。

在设备树中，需要定义内核命令行参数，参数值如图中bootargs所示。上图中配置的参数会在内核启动阶段传递给内核。通过SDK可以生成适配本板卡的设备树文件。然而AD9361驱动是一种SPI总线驱动，目前只能通过设备树的形式加载。因而需要在生成的设备树文件基础上加入AD9361的设备驱动配置，部分配置信息如图4所示。AD9361的设备树配置中包含了时钟频率、SPI配置、模式启动等各种参数，具体参数设置需要根据后续需求再进行修改。

Fig.4 Parts of Configuration of9361 Device Tree

根文件系统是Linux的重要组成部分，文件系统的构成较为复杂，涉及到多级文件目录的创建和配置，在此本文不详细展开，最终生成uramdisk.image.gz文件。在启动过程中，u-boot会将此文件加载到内存中，并将内存地址传递给内核。待内核启动时，即可同时运行文件系统。

3 数据传输的设计与实现

Zedboard板卡ARM+FPGA的架构为硬件链路搭建和嵌入式系统移植提供了快速高效的途径，在此基础上，本文实现了软件无线电软件平台的数据链路开发。嵌入式开发环境已在上文配置完成，通过移植AD9361的嵌入式驱动，可以在Zedboard上直接开发应用程序，程序最终需要经过交叉编译使之在Zedboard上运行。

3.1 参数配置流程

在进行数据收发前，需要对射频板进行相关参数配置，而参数配置信道独立于I/O数据信道。具体的参数配置流程如图5所示。

首先，根据实际需求设置参数信息。在AD9361上主要有两个信道用来配置参数信息，分别是：物理配置信道和本振配置信道。物理配置信道可以配置端口、基带带宽、采样频率等信息，通过iio_device_find_channel（）函数查找指定信道是否存在，如果存在，则通过信道句柄写入必要的物理信道配置信息，若不存在，则返回错误。配置完物理信道信息后需要对本振参数进行配置，本振配置信道主要用来设定本振频率。在对软件无线电平台进行验证时，可以将频谱仪的频率校准在本振频率的位置，以此来观察发送的波形。

3.2 数据传输流程

完整的数据传输流程如下图6所示。

1、首先需要在Zedboard中打开射频板卡的环境接口句柄，即context信息。通过iio create default_context（）函数返回context句柄，如果调用成功，则依赖该句柄查找相关I/O流设备，并返回相应的发送和接收流设备句柄。如不存在，则结束程序。

2、配置相关信道参数信息，具体的配置流程如上文所示。主要根据发送和接收信道的区别配置本振频率、采样频率、信道带宽等关键射频参数。

3、在基本的准备工作完成后，根据已获得的流式设备句柄，需要进行I/O信道初始化。AD9361有2个发端和2个收端，本文主要使用其中的发端进行数据传输。通过发送流设备句柄查找发送信道，返回相应的信道句柄。之后使用iio channel_enable（）函数使能信道，使信道处于待命状态。

4、创建发送缓存buffer，返回buffer首地址。随后向buffer中填人需要发送的I/Q两路数据，之后使用iio_buffer_push（）函数将buffer中的数据传人硬件链路，由硬件链路负责完成数据的发送。

4 测试验证

本平台的测试验证主要包含两方面的内容：参数配置信道功能验证以及发送链路验证。发端波形数据由matlab产生，主要包含单音波和QPSK信号数据。

配置信道验证通过发送单音信号，调整本振频率、采样频率等参数，使用频谱仪观察发送波形的变化，如图7所示为本振频率2.5GHZ，带宽为2MHZ的单音信号频谱。从频谱仪结果可以看出，配置信道功能正常。

之后，通过发送matlab生成的QPSK信号对I/O流信道功能进一步验证。QPSK数据中心频率2.5GHZ，带宽10MHZ。下图8所示为QPSK波形频谱仪结果。经过对比，发送波形基本符合原始数据，说明发送波形成功。

5 结语

本文详细介绍了基于Zedboard的嵌入式软件无线电软件平台的构建和实现过程。本系统通过Zedboard和AD9361组建高度集成的嵌入式软件无线电平台，相较于传统PC架构的软件无线电平台，具有功耗低、扩展性高、便捷化的特点。同时嵌入式平台降低了系统成本和开发周期，因而具有良好的应用前景。在之后的开发中，本系统还有待进一步的集成和完善。

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