基于RFSoC芯片的多路射頻信號記錄回放系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

龐 博

（國家廣播電視總局西安監(jiān)測臺，陜西 西安 710101）

0 引 言

就廣播電視監(jiān)測行業(yè)而言，射頻信號是一切監(jiān)測對象的最原始資源，其利用價值不言而喻[1]。隨著中短波廣播帶外頻率、調(diào)頻廣播非法電臺、衛(wèi)星廣播電視非法攻擊等現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，監(jiān)測過程單純依靠人工，不僅效率低、準(zhǔn)確度差，而且不能對歷史信號進(jìn)行重復(fù)校驗(yàn)，嚴(yán)重影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。RFSoC芯片基于其強(qiáng)大的模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換功能，可以將多路原始射頻信號進(jìn)行記錄和回放，從而為有效利用廣播電視原始射頻信號提供了實(shí)施方案。

RFSoC芯片將射頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）、模數(shù)轉(zhuǎn) 換 器（DAC）、ARM（Advanced RISC Machine，ARM）、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）[2]等集于一體，目前已廣泛應(yīng)用于5G、有線電視接入、衛(wèi)星通信及雷達(dá)等多種領(lǐng)域。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）具備8個A/D和D/A實(shí)時采樣通道。A/D最高采樣速率為4.096 GSPS（Gigabit Samples Per Second，GSPS）每通道，D/A最高采樣速率為6.554 GSPS每通道，極大提高了對射頻信號的處理效能。

（2）具備4個Cortex-A53和2個Cortex-R5處理器，主頻1.3 GHz，物理尋址空間大于等于4 GB，計算性能優(yōu)越。

（3）支持SD-FEC光纖接口、33GSerDes接口、十萬兆以太網(wǎng)及4代PCIe總線，為行業(yè)定制開發(fā)提供了極大的便利條件。

1 技術(shù)方案

本文提出的多路射頻信號記錄回放系統(tǒng)硬件主要包含一臺上位機(jī)和一套信號采集終端。信號采集終端核心芯片采用XCZU28DR，射頻信號采集范圍為50 MHz～4 GHz。系統(tǒng)配備一套上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時射頻信號記錄、連續(xù)儲存、頻譜分析以及流盤回放發(fā)射等功能。

1.1 系統(tǒng)硬件方案

信號采集終端硬件遵循軟件無線電體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[3]，采用Zynq Ultrascale+RFSoC開發(fā)套件，支持8個12位4.096 GSPS的ADC和8個14位6.554 GSPS的DAC。套 件 配 有Arm Cortex-A53和Arm Cortex-R5子系統(tǒng)、UltraScale+可編程邏輯以及Zynq UltraScale+器件中的最高信號處理帶寬，可提供一個快速、全面的RF模數(shù)信號鏈原型設(shè)計平臺，如圖1所示，主要硬件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集終端硬件原理框圖

表1 系統(tǒng)硬件組成及主要功能技術(shù)參數(shù)

除此之外，系統(tǒng)硬件還包括PCI Express上位機(jī)接口模塊、上位機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、射頻電纜及電源適配器等配件。

1.2 上位機(jī)軟件方案

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)如下功能：通過系統(tǒng)QSFP28接口，可同時將8個通道的數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無丟失地記錄和回放，傳輸速率均不低于8 GB·s-1，連續(xù)傳輸時間均不低于30 min。上位機(jī)軟件按照上位機(jī)功能、上位機(jī)與信號采集終端交互功能、上位機(jī)與信號采集終端信號走向三個功能模塊進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

2 系統(tǒng)應(yīng)用

本方案構(gòu)建的基于RFSoC的多路射頻信號記錄回放系統(tǒng)[4]，為多通道廣播電視原始射頻信號的記錄和回放提供了實(shí)施方案，解決了實(shí)時性要求高和低延遲信號處理[5]的問題。

2.1 多路射頻信號記錄軟件

多路射頻信號記錄軟件的主要功能是對特定頻段的信號進(jìn)行長時間、不間斷的信號采集和存儲，由通道曲線顯示區(qū)、工作模式設(shè)置區(qū)、啟動模式設(shè)置區(qū)、文件設(shè)置區(qū)、采集模式設(shè)置區(qū)、磁盤容量顯示區(qū)以及系統(tǒng)消息顯示區(qū)七部分組成。

2.2 多路射頻信號回放軟件

多路射頻信號回放軟件的主要功能是對實(shí)時采集記錄的特定頻段的信號進(jìn)行時域、頻域?qū)崟r回放，由回放文件數(shù)據(jù)顯示區(qū)、數(shù)據(jù)全景圖顯示區(qū)、運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)、時域波形顯示區(qū)以及頻域分析顯示區(qū)五部分組成。

3 系統(tǒng)功能測試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的記錄與回放功能，保證在特定頻段下能夠無丟失地實(shí)現(xiàn)射頻信號的記錄與回放，以下對該系統(tǒng)在50～2 150 MHz波段的連續(xù)頻點(diǎn)進(jìn)行功能測試，驗(yàn)證該系統(tǒng)對連續(xù)頻點(diǎn)的記錄與回放性能。

3.1 記錄功能測試與驗(yàn)證

本節(jié)通過連接信號源和信號采集設(shè)備的時鐘參考信號接口和射頻信號接口，控制信號源在50～2 150 MHz波段范圍內(nèi)輸出不同的離散頻點(diǎn)，同時在信號采集設(shè)備上觀察數(shù)據(jù)量和峰值功率，進(jìn)而確定系統(tǒng)在記錄環(huán)節(jié)是否存在丟點(diǎn)現(xiàn)象，對系統(tǒng)記錄的完整性進(jìn)行測試。

3.1.1 測試目的

驗(yàn)證本系統(tǒng)可以采集超短波信號、標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星通信寬帶高中頻信號[6]，并且可以作為寬帶信號便攜式采集設(shè)備。

3.1.2 設(shè)備連接方式

連接射頻信號源RefOut接口與信號采集設(shè)備RefIn接口，同時連接射頻信號源RFOut接口與信號采集設(shè)備RFIn接口。

3.1.3 測試結(jié)果及分析

單頻信號采集測試結(jié)果如表2所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，在50～2 150 MHz頻段范圍內(nèi)，11個頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)量和峰值功率均得到有效采集，未發(fā)現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。由此可以驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地對50～2 150 MHz頻段內(nèi)不同頻點(diǎn)的射頻信號進(jìn)行無丟失采集。

表2 單頻信號采集測試結(jié)果（內(nèi)參考時鐘）

3.2 回放功能測試

本節(jié)通過連接信號源和信號采集設(shè)備的時鐘參考信號接口和射頻信號接口，控制信號回放設(shè)備輸出前期已記錄并離線生成的不同離散頻點(diǎn)，同時在示波器和頻譜儀上觀察峰值頻率和峰值功率，進(jìn)而確定系統(tǒng)在回放環(huán)節(jié)是否存在丟點(diǎn)現(xiàn)象，對系統(tǒng)回放的完整性進(jìn)行測試。

3.2.1 測試目的

驗(yàn)證本系統(tǒng)可以回放超短波信號、標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星通信寬帶高中頻信號。

3.2.2 設(shè)備連接方式

連接信號回放設(shè)備RefOut接口與頻譜儀設(shè)備RefIn接口，同時連接信號回放設(shè)備RFOut接口與頻譜儀設(shè)備RFIn接口。

3.2.3 測試結(jié)果及分析

單頻信號回放測試結(jié)果如表3所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，信號回放設(shè)備前期記錄的50～2 150 MHz頻段范圍內(nèi)11個頻點(diǎn)的峰值頻率和峰值功率均得到有效回放，未發(fā)現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。由此可以驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地對50～2 150 MHz頻段內(nèi)不同頻點(diǎn)的射頻信號進(jìn)行無丟失回放。

表3 單頻信號回放測試結(jié)果（內(nèi)參考時鐘）

4 結(jié) 語

本文提出基于RFSoC芯片的多路射頻信號記錄回放系統(tǒng)，探索廣播電視監(jiān)測領(lǐng)域充分利用原始射頻信號的實(shí)施方案，通過引入XCZU28DR芯片和Zynq Ultrascale+ RFSoC開發(fā)套件，實(shí)現(xiàn)了多路射頻信號的實(shí)時記錄和回放功能。系統(tǒng)設(shè)計符合軟件無線電體系架構(gòu)，實(shí)測信號采集與回放功能符合參數(shù)要求。另外，系統(tǒng)具備高速數(shù)據(jù)接口、觸發(fā)輸入和輸出接口以及參考時鐘輸入和輸出接口，同時引入不同射頻頻段處理功能的芯片，有助于多設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)和更廣頻率范圍的同步應(yīng)用，在廣播電視監(jiān)測領(lǐng)域具備一定的推廣價值。