CN113961476A - 一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统 - Google Patents

一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信信号传输与处理技术领域，公开了一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统，该方法中，在进行接收数据处理时，先利用PL获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，然后将经数字信号处理后的数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对信号进行协议处理；在进行发送数据处理时，先利用PL接收待发送的原始数据，然后将原始数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对待发送数据进行协议处理，随后将经协议处理后的待发送数据传输给PL，最后利用PL将待发送数据发出。本发明解决了现有技术存在的设备复杂、系统体积大、功耗大、灵活性差、系统稳定差等问题。

Description

一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统
技术领域
本发明涉及通信信号传输与处理技术领域，具体是一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统。
背景技术
SoC（System on Chip）称为系统级芯片，又称为片上系统，Xilinx公司的Zynq7000系列产品是一种常用的全可编程片上系统，主要包含PS（processingsystem）和PL（ProgrammableLogic）两部分。Zynq 7000系列可扩展处理平台将双核ARMCortex－A9MPCore处理器的处理系统(ProcessingSystem，PS)与可编程逻辑资源的可编程逻辑(ProgrammableLogic，PL)系统紧密集成在一起，实现了灵活性更高、可配置性更高、功耗更低、运行效率更高的嵌入式系统硬件设计。Zynq 7000系列可扩展处理平台具有软件、硬件和I/O的可编程性，可通过AXI总线实现ARM与FPGA之间逻辑功能互联与功能扩展。Zynq7000系列基于“ARM+FPGA”的体系结构，主要包括处理器系统、可编程逻辑资源；其中，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；可编程逻辑资源，也就是FPGA部分。
Verilog，又称VerilogHDL，是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。
近年由于信号处理和电子环境的应用要求的迅速变化，对于无线信号处理与传输系统的系统处理规模也直线增大。系统规模增大导致直接影响就是复杂度高，各种功能堆砌。然而单独设备其处理功能和运算功能都受到硬件资源的限制，一个设备也只能实现单一功能。因此延用旧的信号处理架构，增加功能直接方法就是添加相应设备，不仅使得系统体积、功耗等变大，灵活性差，而且设备越多隐患也相应增大，系统稳定也降低。传统的通信软件设计都是根据需求进行单一的设计和实现。虽然方案相似，然而平台却各不相同，通用性、灵活性都较差。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法及系统，解决现有技术存在的设备复杂、系统体积大、功耗大、灵活性差、系统稳定差等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，采用包括PL和PS的全可编程片上系统，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，先利用PL获取外界无线信道的无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，然后将经数字信号处理后的数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对信号进行协议处理；全可编程片上系统在进行发送数据处理时，先利用PL接收非无线信道外设的待发送原始数据，然后将原始数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对待发送数据进行协议处理，随后将经协议处理后的待发送数据传输给PL，最后利用PL将待发送数据发出。优选的，所述协议处理采用解协议处理（解协议处理为协议处理的一种）。
作为一种优选的技术方案，PL与PS采用分布式信号处理方式。
作为一种优选的技术方案，PS与PL通过AXI总线通信。
作为一种优选的技术方案，所述数字信号处理包括调制处理和/或解调处理。
作为一种优选的技术方案，PS应用C语言进行程序代码功能的实现，PL应用Verilog进行程序代码功能的实现。
作为一种优选的技术方案，采用具有两个ARM的PS，分别记为ARM0、ARM1，ARM0、ARM1能相互进行通信。
作为一种优选的技术方案，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，包括以下步骤：
J1，采用PL获取外界无线信号；
J2，在PL对获取的外界无线信号进行调制，然后将调制后的无线信号传输给PS；
J3，PS的ARM0接收并存储PL传输的无线信号，并发送中断信号给ARM1；
J4，ARM1接收中断信号，将ARM0中的无线信号数据取出，然后对无线信号数据进行协议处理。
作为一种优选的技术方案，全可编程片上系统在进行发送数据处理时，包括以下步骤：
F1，PL接收待发送的原始数据，然后将原始数据传输给PS；
F2，PS的ARM1接收并存储PL传输的待发送数据，并发送中断信号给ARM0；
F3，ARM0接收中断信号，将ARM1中的待发送数据取出并进行处理，然后将待发送数据发送给PL；
F4，PL接收ARM0发送的经协议处理后的待发送数据并对待发送数据进行解调，然后将待发送数据发出。
一种基于全可编程片上系统的无线信号处理系统，基于所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，包括相互通信的PS、PL，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，PL用以先获取外界无线信道的无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，然后将经数字信号处理后的数据传输给PS，PS用以获取经PL传输的信号并对信号进行协议处理；全可编程片上系统在进行发送数据处理时，PL用以先接收非无线信道外设的待发送原始数据，然后将原始数据传输给PS，PS用以获取经PL传输的信号并对待发送数据进行协议处理，随后将经协议处理后的待发送数据传输给PL，PL还用以将经PS传输的待发送数据发出。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明PL延用传统稳定的数字信号处理算法，既方便代码的移植又保护了软件架构的稳定，基于新的硬件具有PL+PS部分，继承了传统PL处理数字信号的优势部分，而关于数据相关协议以及控制处理，通过PS与PL交互，移植于PS部分，PS应用C语言进行代码的汇编，修改代码后马上可以调试；克服了传统数字信号处理全部置于一个PL架构，修改代码，整个工程就要重新综合几个小时甚至更长，开发周期长，不利于调试的缺点
（2）本发明PL端继续沿用近年来对于无线信号进行数字处理可靠FPGA的算法，保证了软件框架的稳定性、可靠性，大大降低了开发周期和调试难度；
（3）本发明PS平台应用C语言进行程序代码功能的实现，调试更方便，调试灵活性更高；
（4）本发明将不同信道（无线信道和非无线信道）信号流处理通过双核分开，有效的保护了数据，提高系统稳定性，而且双核可以并行工作，也提升了系统处理效率；
（5）本发明对于PL和PS的双核都进行的是单独的功能设置，分布式信号处理，更方便进行模块化调试以及移植，灵活性高。
附图说明
图1为本发明进行信号处理的整体架构图；
图2为本发明进行接收数据处理的流程图；
图3为本发明进行发送数据处理的流程图；
图4为本发明实施例2中进行接收数据处理的框架图；
图5为本发明实施例2中进行发送数据处理的框架图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图5所示，本发明采用Xilinx的 Zynq 7000系列产品，硬件架构由ARM（PS）+FPGA（PL）的组成，其中ARM架构采用双核硬化Cortex－A9微处理器。本发明基于Zynq 7000系列的双核硬件平台，结合无线信号处理方法，设计了一套无线信号PS双核处理软件架构。
本发明基于Zynq 7000硬件，PL端继续沿用近年来对于无线信号进行数字处理可靠FPGA的算法，保证了软件框架的稳定性、可靠性。虽然FPGA是现场可编程逻辑门阵列，对比ASIC开发缩短了研发周期，降低了硬件成本。但是对于比较庞大的软件工程，对于FPGA代码的修改，都必须重新等待整个工程综合，一般是几个小时甚至更久，大大降低了开发周期和调试难度。
在Zynq 7000硬件平台可通过AXI 可以实现 PS与 PL 之间可以实现逻辑的交互以及外设的拓展。PS平台可以应用C语言进行程序代码功能的实现，调试更方便。因此发明设计将PL获取的数据通过PS和PL交互传递到PS，在PS实现数据的处理，在实际项目中对于数据的处理协议和对于外设交互的都是经常在变化的，相关代码也是要进行调整，将以上功能设计在PS，用C代码进行调试必然灵活性更高。依据硬件ARM双核架构，保持了原有PL算法的稳定和PS控制的灵活性。
本发明设计出的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理系统进行信号处理的整体架构如图1。
对于无线信号的处理一般分为接收和发送两个流程。
接收处理如图2。无线数字信号经过AD转换等信号处理流程将数字信号传入Zynq7000的PL端，数字信号在PL端进行解调等数字信号处理。PS端的ARM0通过PS与 PL 交互的AXI总线，获取PL端数字信号处理后的数据，ARM0将获取数据存入DDR的分配给ARM0存储数据区域A0，生成软件中断0，通知ARM1。ARM1将ARM0相应存储数据区域A0的数据取出进行处理或者进行外设交互。
发送处理如图3。需要发送的原始数据在Zynq 7000中通常都是通过外部接口（串口、SPI等）送入PL端，PS的ARM1通过PS与PL交互的AXI总线获取PL数据。ARM1将获取的发送数据存入DDR的分配给ARM1存储数据区域A1，生成软件中断1，通知ARM0。ARM0将ARM1在DDR相应存储数据区域A1的相关数据取出，ARM0根据协议对相关数据进行处理，通过PS和PL交互将处理后的数据传入PL端，在PL完成数字信号调制等相关信号处理功能。
本发明基于Zynq 7000系列平台进行无线PS双核处理软件架构的设计，PL延用传统稳定的数字信号处理算法，既方便代码的移植又保护了软件架构的稳定，基于新的硬件具有PL+PS部分，继承了传统PL处理数字信号的优势部分，而关于数据相关协议以及控制处理，通过PS与PL交互，移植于PS部分，PS应用C语言进行代码的汇编，修改代码后马上可以调试。克服了传统数字信号处理全部置于一个PL架构，修改代码，整个工程就要重新综合几个小时甚至更长，开发周期长，不利于调试的缺点。
本发明对于PS部分依据其硬件Zynq 7000系列包含双核特点，将ARM0用于无线信号的数据处理相关功能，ARM1用于与外设相关交互功能。通过DDR不同存储区域A0、A1，用来存放ARM0与ARM1数据，实现双核交互。此架构将不同信道（无线信道和非无线信道）信号流处理通过双核分开，有效的保护了数据，提高系统稳定性，而且双核可以并行工作，也提升了系统处理效率。
本发明对于PL和PS的双核都进行的是单独的功能设置，分布式信号处理，更方便进行模块化调试以及移植，灵活性高。
本发明基于Zynq 7000系列硬件平台结合硬件特性和无线信号处理特性设计了一种基于全可编程片上系统的无线信号处理系统进行信号处理的整体架构如图1。
本发明对于PS交互的双核，设计了ARM0与ARM1进行发送接收的处理流程方案，将ARM0用于无线信号的数据处理相关功能，ARM1用于与外设相关交互功能。通过DDR不同存储区域A0、A1以及中断实现交互。
实施例2
如图1至图5所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
接收：无线信道天线接收的无线信号经过AD转换，将数据传入PL，在PL完成解调等信号处理过程， PS的ARM0将处理数据进行协议处理，产生中断0，ARM1将处理完数据取出传入PL非无线信道外设的串口。进一步地，无线信道天线接收的无线信号经过AD转换，将数据传入PL，在PL完成解调等信号处理过程，把数据存入BRAM1，PS将BRAM1数据取出进行相应处理。
发送：带发送的原始数据通过外设串口传入PL，PS从ARM1将数据取出进行处理，产生中断1，ARM0将相应数据进行协议处理，PL将ARM0处理数据取出进行调制等信号处理，然后将数据进行DA处理传出。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，采用包括PL和PS的全可编程片上系统，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，先利用PL获取外界无线信道的无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，然后将经数字信号处理后的数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对信号进行协议处理；全可编程片上系统在进行发送数据处理时，先利用PL接收非无线信道外设的待发送原始数据，然后将原始数据传输给PS，再利用PS获取经PL传输的信号并对待发送数据进行协议处理，随后将经协议处理后的待发送数据传输给PL，最后利用PL将待发送数据发出。
2.根据权利要求1所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，PL与PS采用分布式信号处理方式。
3.根据权利要求2所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，PS与PL通过AXI总线通信。
4.根据权利要求3所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，所述数字信号处理包括调制处理和/或解调处理。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，PS应用C语言进行程序代码功能的实现，PL应用Verilog进行程序代码功能的实现。
6.根据权利要求5所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，采用具有两个ARM的PS，分别记为ARM0、ARM1，ARM0、ARM1能相互进行通信。
7.根据权利要求6所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，包括以下步骤：
J1，采用PL获取外界无线信号；
J2，在PL对获取的外界无线信号进行调制，然后将调制后的无线信号传输给PS；
J3，PS的ARM0接收并存储PL传输的无线信号，并发送中断信号给ARM1；
J4，ARM1接收中断信号，将ARM0中的无线信号数据取出，然后对无线信号数据进行协议处理。
8.根据权利要求6所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，全可编程片上系统在进行发送数据处理时，包括以下步骤：
F1，PL接收待发送的原始数据，然后将原始数据传输给PS；
F2，PS的ARM1接收并存储PL传输的待发送数据，并发送中断信号给ARM0；
F3，ARM0接收中断信号，将ARM1中的待发送数据取出并进行处理，然后将待发送数据发送给PL；
F4，PL接收ARM0发送的经协议处理后的待发送数据并对待发送数据进行解调，然后将待发送数据发出。
9.一种基于全可编程片上系统的无线信号处理系统，其特征在于，基于权利要求1至8任一项所述的一种基于全可编程片上系统的无线信号处理方法，包括相互通信的PS、PL，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，PL用以先获取外界无线信道的无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，然后将经数字信号处理后的数据传输给PS，PS用以获取经PL传输的信号并对信号进行协议处理；全可编程片上系统在进行发送数据处理时，PL用以先接收非无线信道外设的待发送原始数据，然后将原始数据传输给PS，PS用以获取经PL传输的信号并对待发送数据进行协议处理，随后将待发送数据传输给PL，PL还用以将经PS传输的待发送数据发出。
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