無線通信將在多種新興技術中扮演重要角色，例如自動駕駛汽車車隊，以及連接數百萬工業傳感器的異構網絡。此類應用環境需要用到即時調整調制方案、頻帶和系統協議的可重配置軟件無線電 （SDR）。通過在全面驗證的系統級模塊 （SOM） 中緊密集成關鍵 RF 信號路徑和高速可編程邏輯，安富利的 PicoZed SDR 能夠在一副撲克牌大小的設備中提供靈活的軟件無線電技術，實現 70MHz-6.0GHz 頻率范圍內的捷變頻、寬頻帶 2x2 接收和發送路徑，以滿足不同固定和移動 SDR 應用的需求。

PicoZed SDR 將 Analog Devices AD9361 集成式 RF Agile TransceiverTM 與賽靈思 Z-7035 Zynq?-7000 All Programmable SoC 相結合。［1］這種架構理想適用于復雜應用的軟硬件混合實施方案，例如數字接收器，其中的數字前端（物理層）在可編程邏輯中實現，而上面的協議層則運行于雙 ARM? CortexTM-A9 處理器的軟件中。讓我們看一看整個開發過程中 PicoZedSDR 的軟件相關特性。

利用PICOZED SDR 環內無線

快速進行概念驗證

要想充分發揮 PicoZed SDR 的潛力，需要采用穩健可靠的多域仿真環境來對從 RF 模擬電子到基帶數字算法的整個信號鏈進行建模。這是 MathWorks 公司基于模型的設計方法所固有的價值，系統模型居于開發流程的中間環節，整個過程涵蓋設計的需求定義、代碼生成、實現和測試等。安富利攜手 Analog Devices 和 MathWorks 合作，從最初的原型設計階段開始，在設計過程從各個方面為 PicoZed SDR 開發支持架構。［2］

面對縮短開發周期的持續壓力，工程師需要探尋合適的解決方案以便在可靠的硬件上進行快速、精確的概念驗證，從而演示產品在“真實世界”條件下的可行性。MathWorks 使用名為 System objectsTM的 MATLAB? 軟件架構為基于賽靈思 Zynq 的無線電創建程序支持包，該支持包能夠將作為 RF 前端的 PicoZed SDR 用來構建開箱即用的 SDR 設計原型。System objects 軟件架構專門針對用于處理大數據流的迭代計算而優化，能夠在環內無線配置中自動實現 PicoZed SDR 與 MATLAB 和 Simulink? 環境之間的流數據（圖 1）。類似于以對象為中心的編程概念，System objects 也是通過構造函數調用類名稱的方式來創建，可采用 MATLAB 代碼或者用作Simulink 模塊。System object 實例化后，可調用各種方法在仿真過程中通過 System object發送流數據。MathWorks 提供的針對賽靈思Zynq 無線電的 Communications System ToolboxTM支持包，含有針對 PicoZed SDR 接收器和發送器預定義的類別，每個類別包含針對 AD9361 的可調節配置屬性，例如 RF 中心頻率和采樣速率。圖 2 中的代碼實例可用來創建一個 PicoZed SDR 接收器System object，以接收單通道上的數據，AD9361 本地振蕩器頻率設定為 2.5GHz，基帶采樣速率為 100Msps。使用日志保存獲取的數據。

圖 1 - 利用 System object 實現的 PicoZed SDR 流數據

圖 2 - PicoZed SDR 接收器 MATLAB System object

LIBIIO 庫

Analog Devices 開發了 Libiio 庫 ［3， 4］，可簡化用于連接 Linux Industrial I/O （IIO） 器件（例如 PicoZed SDR SOM 上的 AD9361）的軟件的開發工作。開源（GNU Lesser General Public License V2.1） 庫抽象出硬件的低層細節，并提供一個可用于高級項目的簡單但完整的編程接口。

該庫由一個高級應用編程接口和一套后端組成，如圖 3 所示。

圖 3 - Libiio API 和后端

您可以使用 Libiio 在項目原型設計階段與 PicoZED SDR進行接口連接，以便向或從 MATLAB、Simulink 或GNURadio 等工具的模型發送或接收樣本流。

本地后端與 Linux 內核通過內核的 sysfs 虛擬文件系統進行接口連接。這個后端具有 C、C++ 和 Python 綁定，用以支持運行于 PicoZED SDR 上的遠程部署應用程序。

網絡后端通過網絡鏈路與 IIO Daemon （iiod） 服務器進行接口連接。網絡后端支持多種操作系統（Linux、OS X、Windows）以在運行 MATLAB 和 Simulink ［5］、GNURadio ［6］ 或 IIO Oscilloscope ［7］等應用程序的更強大主機平臺上進行基于 GUI 的遠程調試。

用戶需要使用 Libiio 在項目的原型設計階段與 PicoZED SDR 進行接口連接，以向/從 MATLAB、Simulink 或 GNURadio 等工具的模型發送或接收樣本流，這些工具可以建模物理層（（QPSK、QAM、OFDM 等）或整個媒體訪問控制器 （MAC）。Libiio 支持中等數據速率（約 8Msps）下的流傳輸（不丟失樣本），以及最大數據速率（61.44 Msps）下的突發模式（獲得樣本突發傳輸流（高達 1M 左右的樣本），會在突發流之間丟失數據）。 通常，當進行 PHY 開發時應使用速率較低的數據流，然后，利用突發模式在生成 HDL/C 代碼之前快速驗證設計。

利用針對 PICOZED SDR 的軟硬件協同設計進行系統集成

在使用 PicoZed SDR 環內無線完全驗證了算法模型之后，接下來是生成 HDL/C 代碼并將 IP 核打包，以集成到更大的系統。例如，在 MATLAB 和Simulink 中建模的無線接收器子系統可能被指定用于點對點無線電鏈路，以從安裝在 PicoZed SDR 載卡上的安富利攝像機模塊傳輸實時視頻。

MathWorks HDL CoderTM 中的軟硬件協同設計流程使用戶可以探索針對 Zynq SoC 的軟件與硬件之間的最佳設計分區（圖 4）。針對可編程邏輯的部分可自動封裝為 IP 核，包括硬件接口組件，例如 ARM AMBA? AXI4 或 AXI4-Lite 接口訪問寄存器，AXI4 或 AXI4-Lite 接口，AXI4-Stream 視頻接口，以及外部端口。MathWorks HDL Workflow AdvisorIP 核生成流程使用戶可以將生成的 IP 核插入賽靈思 Vivado? 集成設計環境中的預定義嵌入式系統項目。［8］ HDL Workflow Advisor 包含 Vivado IDE 將用戶設計部署到 SoC 平臺所需的所有元素，除了用戶生成的自定義 IP 核和嵌入式軟件。

圖 4– MathWorks 軟硬件協同設計流程

如果用戶有 MathWorks Embedded Coder? 許可證，就可以自動生成軟件接口模型，從中生成嵌入式 C/C++ 代碼，并在 Zynq SoC 中 ARM 處理器上的 Linux 內核上構建和運行可執行文件。所生成的嵌入式軟件包含 AXI 驅動程序代碼。該代碼由AXI 驅動程序模塊生成的，用以控制 HDL IP 核。或者，用戶也可以編寫嵌入式軟件，手動為 ARM 內核構建。

IIO 示波器

ADI IIO 示波器 （osc） 是一個示例應用，用以演示如何對 Linux 系統中的不同 Linux IIO 設備進行接口連接。該應用允許用戶以四種模式（時域、頻域、星座圖和互關聯）繪制捕獲的數據，并查看和修改多個 IIO 設備設置。

osc 應用支持 Linux、Windows 和 OS X。由于支持 HDMI 視頻顯示，以及圖形環境，因此它可運行于遠程連接的主機 PC 或 PicoZed SDR FMC 載卡上。提供有關如何在Linux 上構建 osc 應用的使用說明，以及預先創建的 Windows 二進制文件。圖 5給出了 PicoZED SDR 的兩個通道 （I/Q） 的快速傅里葉變換 （FFT），建立了標記以查看單音信號

圖 5 - ADI IIO 示波器

和測量諧波

直接在 PicoZED SDR 上構建 osc 應用只需要（1）下載源代碼：

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

》 cd iio-oscilloscope

》 git checkout origin/master

（2）構建并安裝：

rgetz@pinky：~/iio-oscilloscope$ make

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

憑借強大的處理系統（雙 ARM Cortex-A9 處理器，運行頻率為 1GHz，外加 1GB DDR3 SDRAM），在 Zynq SDR SOM 上進行本機編譯過程非常快速。

采用 PICOZED SDR 的實時視頻捕獲系統

高性能視頻已成為自動汽車、軍用視覺系統、監控系統和無人機等無線應用領域中智能系統的重要組成部分。這些應用產品將高像素率視頻捕獲與實時分析相結合，可打破純軟件方案的性能限制。憑借 Zynq SoC 和賽靈思的 SDSoCTM 開發環境，嵌入式視覺系統設計人員能兼具兩者的優勢，利用原有軟件圖像處理算法的豐富功能以及硬件加速，以高幀率實時處理高清晰視頻。安富利 ON PYTHON-1300 攝像機模塊采用安森美 （ON Semiconductor） 的 PYTHON-1300 彩色圖像傳感器，能夠達到 210 fps 下的 SXGA 分辨率（1，280 x 1，024 像素）。［9］。安富利的多個基于 Zynq SoC 的開發平臺——包括 PicoZed SDR——都支持該模塊（以實現視頻分析的無線傳輸）。系統設計人員可以使用符合 Video4Linux2 API 規范（V4L2；圖 6）的安富利軟件驅動程序將攝像機模塊集成到完整的 Linux 系統中。V4L2 框架可以實現被稱為流水線的完整視頻數據路徑。典型的視頻捕獲流水線從攝像機接收器獲取視頻，選擇性地處理視頻，然后使用視頻 DMA 引擎將內容發送至外部幀緩沖器。安富利提供與 Vivado IP Integrator 兼容的“攝像機接收器”IP 核 HDL 源代碼（不收取費用和版權費），以及以 Linux 補丁形式提供的 V4L2 子設備 Linux 驅動程序。

圖 6 - 采用安富利 ON PYTHON-1300 攝像機模塊的 V4L2 視頻捕獲流水線

本文中我們已經介紹過，通過安富利的 PicoZed SDR 中提供的自動工作流程，用戶可大大縮短從概念帶部署的開發時間，同時專注于實現 SDR 產品的差異化特性。