利用PICOZED SDR软件无线电进行概念验证和部署

无线通信将在多种新兴技术中扮演重要角色，例如自动驾驶汽车车队，以及连接数百万工业传感器的异构网络。此类应用环境需要用到即时调整调制方案、频带和系统协议的可重配置软件无线电 （SDR）。通过在全面验证的系统级模块 （SOM） 中紧密集成关键 RF 信号路径和高速可编程逻辑，安富利的 PicoZed SDR 能够在一副扑克牌大小的设备中提供灵活的软件无线电技术，实现 70MHz-6.0GHz 频率范围内的捷变频、宽频带 2x2 接收和发送路径，以满足不同固定和移动 SDR 应用的需求。

PicoZed SDR 将 Analog Devices AD9361 集成式 RF Agile TransceiverTM 与赛灵思 Z-7035 Zynq®-7000 All Programmable SoC 相结合。［1］这种架构理想适用于复杂应用的软硬件混合实施方案，例如数字接收器，其中的数字前端（物理层）在可编程逻辑中实现，而上面的协议层则运行于双 ARM® CortexTM-A9 处理器的软件中。让我们看一看整个开发过程中 PicoZedSDR 的软件相关特性。

利用PICOZED SDR 环内无线

快速进行概念验证

要想充分发挥 PicoZed SDR 的潜力，需要采用稳健可靠的多域仿真环境来对从 RF 模拟电子到基带数字算法的整个信号链进行建模。这是 MathWorks 公司基于模型的设计方法所固有的价值，系统模型居于开发流程的中间环节，整个过程涵盖设计的需求定义、代码生成、实现和测试等。安富利携手 Analog Devices 和 MathWorks 合作，从最初的原型设计阶段开始，在设计过程从各个方面为 PicoZed SDR 开发支持架构。［2］

面对缩短开发周期的持续压力，工程师需要探寻合适的解决方案以便在可靠的硬件上进行快速、精确的概念验证，从而演示产品在“真实世界”条件下的可行性。MathWorks 使用名为 System objectsTM的 MATLAB® 软件架构为基于赛灵思 Zynq 的无线电创建程序支持包，该支持包能够将作为 RF 前端的 PicoZed SDR 用来构建开箱即用的 SDR 设计原型。System objects 软件架构专门针对用于处理大数据流的迭代计算而优化，能够在环内无线配置中自动实现 PicoZed SDR 与 MATLAB 和 Simulink® 环境之间的流数据（图 1）。类似于以对象为中心的编程概念，System objects 也是通过构造函数调用类名称的方式来创建，可采用 MATLAB 代码或者用作Simulink 模块。System object 实例化后，可调用各种方法在仿真过程中通过 System object发送流数据。MathWorks 提供的针对赛灵思Zynq 无线电的 Communications System ToolboxTM支持包，含有针对 PicoZed SDR 接收器和发送器预定义的类别，每个类别包含针对 AD9361 的可调节配置属性，例如 RF 中心频率和采样速率。图 2 中的代码实例可用来创建一个 PicoZed SDR 接收器System object，以接收单通道上的数据，AD9361 本地振荡器频率设定为 2.5GHz，基带采样速率为 100Msps。使用日志保存获取的数据。

图 1 - 利用 System object 实现的 PicoZed SDR 流数据

图 2 - PicoZed SDR 接收器 MATLAB System object

LIBIIO 库

Analog Devices 开发了 Libiio 库 ［3， 4］，可简化用于连接 Linux Industrial I/O （IIO） 器件（例如 PicoZed SDR SOM 上的 AD9361）的软件的开发工作。开源（GNU Lesser General Public License V2.1） 库抽象出硬件的低层细节，并提供一个可用于高级项目的简单但完整的编程接口。

该库由一个高级应用编程接口和一套后端组成，如图 3 所示。

图 3 - Libiio API 和后端

您可以使用 Libiio 在项目原型设计阶段与 PicoZED SDR进行接口连接，以便向或从 MATLAB、Simulink 或GNURadio 等工具的模型发送或接收样本流。

本地后端与 Linux 内核通过内核的 sysfs 虚拟文件系统进行接口连接。这个后端具有 C、C++ 和 Python 绑定，用以支持运行于 PicoZED SDR 上的远程部署应用程序。

网络后端通过网络链路与 IIO Daemon （iiod） 服务器进行接口连接。网络后端支持多种操作系统（Linux、OS X、Windows）以在运行 MATLAB 和 Simulink ［5］、GNURadio ［6］ 或 IIO Oscilloscope ［7］等应用程序的更强大主机平台上进行基于 GUI 的远程调试。

用户需要使用 Libiio 在项目的原型设计阶段与 PicoZED SDR 进行接口连接，以向/从 MATLAB、Simulink 或 GNURadio 等工具的模型发送或接收样本流，这些工具可以建模物理层（（QPSK、QAM、OFDM 等）或整个媒体访问控制器 （MAC）。Libiio 支持中等数据速率（约 8Msps）下的流传输（不丢失样本），以及最大数据速率（61.44 Msps）下的突发模式（获得样本突发传输流（高达 1M 左右的样本），会在突发流之间丢失数据）。 通常，当进行 PHY 开发时应使用速率较低的数据流，然后，利用突发模式在生成 HDL/C 代码之前快速验证设计。

利用针对 PICOZED SDR 的软硬件协同设计进行系统集成

在使用 PicoZed SDR 环内无线完全验证了算法模型之后，接下来是生成 HDL/C 代码并将 IP 核打包，以集成到更大的系统。例如，在 MATLAB 和Simulink 中建模的无线接收器子系统可能被指定用于点对点无线电链路，以从安装在 PicoZed SDR 载卡上的安富利摄像机模块传输实时视频。

MathWorks HDL CoderTM 中的软硬件协同设计流程使用户可以探索针对 Zynq SoC 的软件与硬件之间的最佳设计分区（图 4）。针对可编程逻辑的部分可自动封装为 IP 核，包括硬件接口组件，例如 ARM AMBA® AXI4 或 AXI4-Lite 接口访问寄存器，AXI4 或 AXI4-Lite 接口，AXI4-Stream 视频接口，以及外部端口。MathWorks HDL Workflow AdvisorIP 核生成流程使用户可以将生成的 IP 核插入赛灵思 Vivado® 集成设计环境中的预定义嵌入式系统项目。［8］ HDL Workflow Advisor 包含 Vivado IDE 将用户设计部署到 SoC 平台所需的所有元素，除了用户生成的自定义 IP 核和嵌入式软件。

图 4– MathWorks 软硬件协同设计流程

如果用户有 MathWorks Embedded Coder® 许可证，就可以自动生成软件接口模型，从中生成嵌入式 C/C++ 代码，并在 Zynq SoC 中 ARM 处理器上的 Linux 内核上构建和运行可执行文件。所生成的嵌入式软件包含 AXI 驱动程序代码。该代码由AXI 驱动程序模块生成的，用以控制 HDL IP 核。或者，用户也可以编写嵌入式软件，手动为 ARM 内核构建。

IIO 示波器

ADI IIO 示波器 （osc） 是一个示例应用，用以演示如何对 Linux 系统中的不同 Linux IIO 设备进行接口连接。该应用允许用户以四种模式（时域、频域、星座图和互关联）绘制捕获的数据，并查看和修改多个 IIO 设备设置。

osc 应用支持 Linux、Windows 和 OS X。由于支持 HDMI 视频显示，以及图形环境，因此它可运行于远程连接的主机 PC 或 PicoZed SDR FMC 载卡上。提供有关如何在Linux 上构建 osc 应用的使用说明，以及预先创建的 Windows 二进制文件。图 5给出了 PicoZED SDR 的两个通道 （I/Q） 的快速傅里叶变换 （FFT），建立了标记以查看单音信号

图 5 - ADI IIO 示波器

和测量谐波

直接在 PicoZED SDR 上构建 osc 应用只需要（1）下载源代码：

》 git clone https://github.com/analogdevic- esinc/iio-oscilloscope.git

》 cd iio-oscilloscope

》 git checkout origin/master

（2）构建并安装：

rgetz@pinky：~/iio-oscilloscope$ make

rgetz@pinky：~/iio-oscilloscope$ sudo make install

凭借强大的处理系统（双 ARM Cortex-A9 处理器，运行频率为 1GHz，外加 1GB DDR3 SDRAM），在 Zynq SDR SOM 上进行本机编译过程非常快速。

采用 PICOZED SDR 的实时视频捕获系统

高性能视频已成为自动汽车、军用视觉系统、监控系统和无人机等无线应用领域中智能系统的重要组成部分。这些应用产品将高像素率视频捕获与实时分析相结合，可打破纯软件方案的性能限制。凭借 Zynq SoC 和赛灵思的 SDSoCTM 开发环境，嵌入式视觉系统设计人员能兼具两者的优势，利用原有软件图像处理算法的丰富功能以及硬件加速，以高帧率实时处理高清晰视频。安富利 ON PYTHON-1300 摄像机模块采用安森美 （ON Semiconductor） 的 PYTHON-1300 彩色图像传感器，能够达到 210 fps 下的 SXGA 分辨率（1，280 x 1，024 像素）。［9］。安富利的多个基于 Zynq SoC 的开发平台——包括 PicoZed SDR——都支持该模块（以实现视频分析的无线传输）。系统设计人员可以使用符合 Video4Linux2 API 规范（V4L2；图 6）的安富利软件驱动程序将摄像机模块集成到完整的 Linux 系统中。V4L2 框架可以实现被称为流水线的完整视频数据路径。典型的视频捕获流水线从摄像机接收器获取视频，选择性地处理视频，然后使用视频 DMA 引擎将内容发送至外部帧缓冲器。安富利提供与 Vivado IP Integrator 兼容的“摄像机接收器”IP 核 HDL 源代码（不收取费用和版权费），以及以 Linux 补丁形式提供的 V4L2 子设备 Linux 驱动程序。

图 6 - 采用安富利 ON PYTHON-1300 摄像机模块的 V4L2 视频捕获流水线

本文中我们已经介绍过，通过安富利的 PicoZed SDR 中提供的自动工作流程，用户可大大缩短从概念带部署的开发时间，同时专注于实现 SDR 产品的差异化特性。