Zynq7000 SoC平台在分布式信号处理节点中的应用

于旭洋

【摘 要】论文主要介绍了Xilinx推出的Zynq7000嵌入式SoC平台在分布式系统中作为信号处理节点的应用，详细分析了FPGA+ARM的硬件处理架构特点。针对SWaP（小尺寸、重量轻、低功耗）分布式信号处理节点的有关需求，提出了一种Zynq7000 SoC平台快速系统搭建的解决方案。

【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.

【关键词】SoC;分布式系统;信号处理

【Keywords】SoC; distributed system; signal process

【中图分类号】TN911.7                                         【文献标志码】A                               【文章编号】1673-1069（2019）08-0189-02

1 引言

随着电磁环境和雷达信号体制的变化，电子对抗系统的规模日益增大。然而单装设备的计算能力和资源处理能力都十分有限，简单地通过“资源堆砌”来增加处理能力势必会增加系统的体积、功耗，使得系统的灵活性和可靠性大大降低。通过分布式多节点分担信号处理工作量，利用分布式网络资源协作完成信号处理，可以非常方便的实现系统处理能力的扩展，完成SWaP（Size， Weight and Power）尺寸小、重量轻、功耗低的指标。因此，近年来分布式信号处理一直都是学术热点。目前，已有诸多正在致力于解决围绕分布式系统新兴问题的研究。如美国国防部先进研究项目局DARPA的传感器信息技术项目，其正在发展固定及移动分布式自组织网络相关的分布式数据库，并研究相关方法论以收集、存储和处理传感网中的数据。其中，最关键的领域就是各种分布式信号处理算法的设计与实现[1]。

本文以Zynq7000 SoC平台为例，结合分布式信号处理的特点，研究了SoC嵌入式处理器架构在分布式信号处理节点中的应用。

2 Zynq7000 SoC平台简介

Zynq7000 SoC平台基于“ARM+FPGA”的体系结构，如图1（a）所示，上半部分主要是处理器系统，包括应用处理单元、存储器接口和内部互联中心;下半部分是可编程逻辑资源，也就是FPGA部分，其资源特点和结构与Xilinx 7系列的FPGA一致[2]。

Zynq7000系列的SoC包含了完整的ARM處理子系统，每一颗Zynq7000系列的处理器都包含了双核的Cortex-A9处理器，整个处理器的搭建都以Cortex-A9处理器为中心，而且处理器子系统中集成了内存控制器和大量的外设，使Cortex-A9的核在Zynq7000中完全独立于可编程逻辑单元。另外，可编程逻辑部分紧密地与ARM的处理单元结合。FPGA的部分用于扩展子系统，其有丰富的扩展能力，有超过3000个内部互连资源，可提供100Gb/s以上的内部传输带宽。此外在I/O接口方面，Zynq7000上有非常灵活、可充分自定义的MIO、SelectIO资源，以及FPGA上的高速串行收发器接口MGT。这种架构很适合小型分布式信号处理设备的应用。

3 分布式信号处理节点设计的实现

未来无线网络的重要特征之一是由集中式到分布式的转变。理想的全分布式网络中所有节点地位等同，其任意两个网络节点之间都有多条路径直接或间接相连，并能实时接受新的节点，而其基本协议则应保证在大量节点被封堵仍能够有效持续传送数据。因此，分布式网络具有抗攻击性强、规模越大越稳定、快速部署等诸多优点[3]。

分布式信号处理节点需具备无线高速通信能力、信号侦收能力、位置信息获取能力及授时能力等。因此，采用一体式AD9361+Zynq7000 SoC平台快速搭建分布式节点，其基本架构如图1（b）所示。AD9361集成了前端、通道、ADC、DAC等，将其引入电子战系统应用中，将在很大程度上简化电子战系统的设计。分布式节点由SoC平台部分、射频前端及通道、通信前端、导航模块等部分构成。

3.1 SoC平台部分

SoC平台主要分CPU和FPGA两部分，CPU完成通信信号的编码及解码，完成运行分布式节点的资源管理，提供分布式服务接口，实现位置时间管理以及电源管理等功能。FPGA主要实现数字处理、信号检测、通道控制管理和数据传输等功能。

3.2 数模混合射频前端

射频前端和通道提供信号侦收所需的低噪声放大器、滤波、下变频等功能。A/D完成模拟信号到数字信号的转变。AD9361的主要指标如下：

①集成12位ADC的射频2×2接收器;

②带宽范围软件可调：70MHz～6GHz;

③可调信道带宽：200kHz～56MHz;

④支持MIMO无线电;

⑤可通过SPI接口访问所有的器件寄存器。

3.3 通信、导航以及电源管理

通信前端及信道完成无线通信信道的收发切换，提供分布式节点无线通信所需的接收低噪声放大、发射功放，调制及解调等功能。

导航模块提供分布式节点的定位和授時能力，采用通用UART接口的GPS/北斗导航模块。

由于分布式节点采用电池供电，因此，系统设计时应重点关注设备的续航时间，完成电源管理、BIT检测和健康状态管理，收集数据并完成上报。

3.4 侦收天线、通信天线、导航天线

侦收天线提供分布式节点的侦察接收能力，根据任务要求需覆盖相应的频段。通信天线提供通信的接收和发射能力，覆盖频段根据所接入的无线网络确定。导航天线接入北斗、GPS导航系统。

由于节点设备受限于电池续航能力以及散热等因素，节点设计方案上考虑采用带有低功耗能力的处理系统，以及带有待机、唤醒功能的电源管理系统。系统在待机时，设计了多级待机模式，根据不同的应用需求，使得部分耗电较大的硬件处于低功耗状态，最大限度地延长系统待机时间。同时，为了使节点功能更加灵活，预留了系统功能重配置能力，处理系统可以根据控制下发的指令重新加载不同功能的固件，实现不同的功能。

4 结语

本文采用Zynq7000 SoC平台实现分布式信号处理节点在单芯片中进行FPGA与ARM处理器协同开发，增加了分布式节点的灵活性。最后提出了一种分布式信号处理节点完整的解决方案，并阐述了各个组成部分的具体内容。

【参考文献】

【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].今日电子，2013（42）：103-105.

【3】张华滋.无线网络中的分布式信号处理与信息传播[D].杭州：浙江大学，2013.