CN113971022B - 一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及全可编程片上系统无线通信信号传输与处理技术领域，公开了一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法，该方法中，全可编程片上系统在进行接收数据处理时，先利用PL获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，再利用PS获取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接收待发送的原始数据，再利用PS获取待发送数据并对待发送数据进行协议处理，随后采用PL将待发送数据取出并进行数字信号处理，最后对待发送数据进行DA转换后发出。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

一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法
技术领域
本发明涉及无线通信信号传输与处理技术领域，尤其涉及全可编程片上系统无线通信信号传输与处理技术领域，具体是一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法。
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。BRAM就是BlockMemory，是Zynq 7000系列的PL端的存储RAM单元，可以配置为双口RAM，用于实现Zynq 7000系列中PS端到PL端的数据交互和共享，类似为Linux中的内存共享，也就是将数据写入共同可访问的数据空间，PS和PL端各自访问来达到信息交流的目的。
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。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法，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：
一种应用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获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，再利用PS获取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接收待发送的原始数据，再利用PS获取待发送数据并对待发送数据进行协议处理，随后采用PL将待发送数据取出并进行数字信号处理，最后对待发送数据进行DA转换后发出。
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解调处理和/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，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，利用PL获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行解调处理；
J2，将信号存入BRAM1；
J3，利用PS获取BRAM1中的信号并对信号进行协议处理。
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，利用PL接收待发送的原始数据；
F2，将原始数据存入BRAM2；
F3，利用PS获取BRAM2中的信号并对待发送数据进行协议处理；
F4，将待发送数据存入BRAM1；
F5，采用PL将BRAM1中的待发送数据取出并进行数字信号处理；
F6，对待发送数据进行DA转换后发出。
作为一种优选的技术方案，若进行发送数据处理时的待发送数据包括控制指令，则将控制指令存入BRAM2。
一种应用全可编程片上系统的无线信号处理系统，基于所述的一种应用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号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，PS用以获取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用以先接收待发送的原始数据，PS用以获取待发送数据并对待发送数据进行协议处理，PL还用以随后将待发送数据取出并进行数字信号处理，最后对待发送数据进行DA转换后发出。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明基于全可编程片上系统进行无线信号处理架构搭建，本发明实现了各个功能都分布式实现，大大提高了发明架构的灵活性，如果要在架构中添加或者删除其他功能，只需要在分布式相应修改，避免了在软件架构中经常会遇到修改个别功能整个网络架构都需要作出调整的情况，实用性更强；
（2）本发明架构结合硬件特性进行软件架构的创新，不仅继续继承旧软甲架构的稳定性，而且考虑到整个软件开发周期过程应用PS处理获取无线信号的使用和控制，缩短开发周期和调高了开发效率。整个架构实用性更高；
（3）本发明有效保护了无线信号和外设交互信号，让整个架构稳定性高；
（4）本发明不同信号交互进行隔离，也将各个交互分割成不同模块，提高了架构的灵活性。
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为本发明与外设数据交互处理流程图；
图5为实施例2中本发明进行接收数据处理的框架示意图；
图6为实施例2中本发明进行发送数据处理的框架示意图。
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6所示，对于无线信号的处理FPGA相对传统的CPLD，具有开发周期缩短、逻辑简化、成本更低等优势。其中Xilinx Zynq 7000系列（优选Zynq 7000）产品，将双核ARM-Cortex－A9 MPCore 处理 器 的 处理 系统 ( Processing System，PS) 与可编程逻辑资源的可编程逻辑( Pro-grammable Logic，PL) 系统整合为一体嵌入式系统硬件设计。本发明基于Xilinx Zynq 7000系列平台结合信号处理特征和Zynq 7000系列平台特点进行信号处理架构的设计，发挥PL和PS各自特点进行无线信号处理架构方法设计如图1。
将Zynq 7000系列具备的两个BRAM分别命名为BRAM1、BRM2。无线信号的处理一般分为接收和发送两个流程（其中PS和PL无线信号调制解调等信号（应用于无线信道）处理数据交互用的BRAM1，PS和PL外设非无线信道，比如串口、SPI口等控制数据以及发送数据交互用的BRAM2）。
本发明对于无线信号在Zynq 7000系列平台的接收流程如图2：通过外界无线信号AD处理将采样数据传输给处理系统Zynq 7000（PL），在PL端进行解调等信号数据处理，进行数据处理后的数据存入BRAM1，Zynq 7000中的PS端将BRAM1数据取出完成信号数据的读取，再根据无线信号功能对PS读取数据进行处理，完成控制或者通信功能。
Zynq 7000系列平台的发送流程如图3：PL外设交互通过外设（如串口）将需要发射的信息数字信息传入Zynq 7000（PL），在PL需要处理数据存入BRAM2，PS端将BRAM2的数据取出，根据需求数据进行处理（例如协议处理），再将数据存入BRAM1，PL将BRAM1数据取出完成数字信号调制等数据处理，然后进行信号的DA转换。
对于无线信号的处理，还经常涉及到射频等外设器件的控制，本发明框架对于该功能的处理如图4：Zynq 7000（PS）将控制指令存入BRAM2,PL将控制指令从BRAM2取出与PL外设交互，实现功能。
本发明基于Zynq 7000系列平台进行无线信号处理架构搭建，本发明实现了各个功能都分布式实现，大大提高了发明架构的灵活性，如果要在架构中添加或者删除其他功能，只需要在分布式相应修改，避免了在软件架构中经常会遇到修改个别功能整个网络架构都需要调整的情况，实用性更强。
本发明对于无线信号的处理，PL相对传统硬件设计处理弥补了ASIC的设计周期过长、设计成本较高而且加上其可编程，极大提高了开发效率，近几年被大量应用于无线信号的处理中。由于PL架构的应用十分广泛，当前很多无线信号处理的架构完全基于PL，但是在实际应用中最终搭建成无线信号软件信号都是非常庞大的，由于PL架构特性，在开发工具进行软件修改都是要经历整个架构工程进行重新综合，对于庞大工程的综合经常是几个小时甚至更久，调试性差。本发明基于集成电路的迅猛发展，基于Zynq 7000系列的PS，PL架构，将信号处理相关的调制解调算法等信号处理环节设计在PL，目前相关算法BPSK、QPSK等都比较成熟而且稳定，可以延用以前单独PL架构都很成熟的代码，稳定性高。PS由于本身架构只是C语言等程序语言的修改，不用像PL要进行综合，就可以直接进行调试。对于获取无线信号的使用和控制，设计于PS部分，该方面需要因为项目每个阶段都会进行相应修改，极大的提高了项目调试效率和缩短开发周期。本发明架构结合硬件特性进行软件架构的创新，不仅继续继承旧软甲架构的稳定性，而且考虑到整个软件开发周期过程应用PS处理获取无线信号的使用和控制，缩短开发周期和调高了开发效率。整个架构实用性更高。
本发明基于Zynq 7000系列的PS和PL架构，必然涉及PS和PL的交互，本发明BRAM1用于无线信道的无线信号数据的交互，BRAM2用于非无线信道的外设（串口、SPI口等）数据和控制信号数据交互，BRAM1、BRAM2将无线信道和非无线信道数据交互进行隔离：1、有效保护了无线信道的无线信号数据和非无线信道外设交互信号数据，让整个架构稳定性高。2、不同信号交互进行隔离，也将各个交互分割成不同模块，提高了架构的灵活性。改单独模块部分不会影响其他架构部分。
本发明基于Zynq 7000系列平台进行无线信号处理架构搭建如图1。
本发明在软架构中PL完成无线信号调制解调等信号处理以及硬件上与外设相连，PS完成外设交互以及相关设备控制。
本发明将应用于无线信道无线信号处理数据的交互应用于BRAM1，外设非无线信道，比如串口、SPI口等发送数据以及控制数据交互应用于BRAM2，BRAM1、BRAM2将无线信道和非无线信道数据交互进行隔离。
实施例2
如图1至图6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，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串口1传入PL，PL将该数据存入BRAM2，PS从BRAM2将数据取出进行相应处理，将处理后的数据存入BRAM1，PL将BRAM1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。在进行发送处理同时，PS将控制射频命令通过串口2传出。PS命令存入BRAM2，PL从BRAM2将控制数据取出传入串口2，进行射频板控制。
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 (4)

1.一种应用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获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行数字信号处理，再利用PS获取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接收待发送的原始数据，再利用PS获取待发送数据并对待发送数据进行协议处理，随后采用PL将待发送数据取出并进行数字信号处理，最后对待发送数据进行DA转换后发出；
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，利用PL获取外界无线信号并对获取的外界无线信号进行解调处理；
J2，将信号存入BRAM1；
J3，利用PS获取BRAM1中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，包括以下步骤：
F1，利用PL接收待发送的原始数据；
F2，将原始数据存入BRAM2；
F3，利用PS获取BRAM2中的信号并对待发送数据进行协议处理；
F4，将待发送数据存入BRAM1；
F5，采用PL将BRAM1中的待发送数据取出并进行数字信号处理；
F6，对待发送数据进行DA转换后发出。
2.根据权利要求1所述的一种应用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。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用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。
4.根据权利要求3所述的一种应用全可编程片上系统的无线信号处理方法，其特征在于，若进行发送数据处理时的待发送数据包括控制指令，则将控制指令存入BRAM2。
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