徐丰* ,罗宇隆,吴世鸣 中国航空无线电电子研究所,上海 200241

摘 要 随着综合化、高集成化、模块化的航电应用趋势,以及多功能多通道射频综合应用需 求,前端一体化的架构、射频多通道综合设计以及多波形的应用管理成为航电发展的重要课 题。尤其面向未来机载平台上分布式前端化处理架构,为满足机载射频系统多功能射频收发 以及波形算法预处理需求,本论文中采用 XCZU47DR 芯片实现射频前端,包括 RFSOC子卡 软硬件设计以及配套底层驱动软件开发,结合一体化结构压缩设备厚度,形成高集成度射频微 系统,为各波形功能算法软件的运行提供通用硬件平台,并基于该射频微系统实现了通信、导 航、识别等功能验证。与传统机载通信导航识别设备相比,体积重量大幅降低,同时具备多功 能复用和重构能力。

关键词 RFSOC;射频微系统;多功能;前端一体化

引 言 

    针对下一代航空器功能多样化、平台通用 化的特征及复杂电磁环境下快速切换的使用 需求,要求机载射频系统能具备综合化、高集 成化、模块化等特点,能支撑航空无线电多波 形多通道射频综合应用。尤其面向未来机载 平台上分布式前端化处理架构,高度集成化的 射频前端微系统是解决机载前端一体化的有 效方案。

    本论文首次采用新兴的高集成度多通道 射频架构芯片[1]作为核心处理芯片,内部直连 通道能完成多达8通道收发数字模拟转换工 作,具备高宽带的通信处理能力,DA/AD 数 字转换后采用直采数字处理技术,支持2G 的 瞬时处理能力,从而能高效完成频域及时域的 相对转换工作,在多功能集成及超宽带波形应 用领域有巨大的优势。同时,SCA 标准框架 模式为射频抽象组件的应用提供一个独立于设备的结构框架平台,在相同架构的平台上, 可以快速复用,实现功能的快速部署,缩短项 目周期与开发成本。

1 射频前端一体化架构设计

    基于机载射频微系统扁平化发展思路,开 展射频前端一体化架构技术研究,将总体架构 分为蒙皮天线、射频前端预处理和数字信息处 理,其中射频前端预处理包含收发、数模转换、 信号预处理以及接口处理等,是前端集成化的 核心。通过采用集成化滤波、数模混合、高速 直采等关键技术,灵活构建射频处理资源,满 足不同功能的使用要求,同时通过金属堆叠工 艺、多高密陶瓷技术和多层金属微流道散热技 术解决高集成度带来的结构复杂、电磁兼容和 热流密度大等问题,完成系统的多功能重构以 及多任务一体化处理。

    在集成化前端的基础上,开展各项功能的 开发工作,设计数据传输协议,实现波形在系统中的传输和功能验证;对于雷达算法等资源 需求量大的功能波形,通过射频前端 RFSOC 完成多通道宽带采样后,将信号处理算法由传 统的 FPGA+DSP 架构移植到新的 CPU+ GPU+FPGA 的通用化平台中,并设计高速 交换网络实现处理资源间的高速信号传输;对 于塔康、航管应答等资源需求量小的功能波 形,在射频前端 RFSOC上即可完成完整功能 波形的接收和发射、调制解调和信号处理,并 将解析后的业务数据通过通用化接口及协议 对外交互。

2 基于 RFSOC的射频微系统设 计研究 

2.1 基于 RFSOC的高集成射频前端 设计 

2.1.1 RFSOC子卡软硬件开发

    RFSOC射频 预 处 理 模 块 主 要 以 Xilinx ZYNQUltraScale+ RFSoCZU47DR [2-3]为核 心处理芯片,为前端提供多路数模/模数转换 以及信号预处理功能,并将处理后的信号通过 统一总 线 向 后 端 传 输。SOC 可 编 程 逻 辑 与 ARM 类处理子系统完美结合在一起,采用14 位5GSPSRF 采 样 模 数 转 换 器 (ADC)和 14 位10GSPS直接 RF数模转换器(DAC),同时 具备最佳的数字下变频和上变频信号处理能 力。ZynqUltraScale+ RFSoC优势主要体现 在能效、外形尺寸缩减、设计周期缩短和设计灵活性等方面。RFSOC 射频预处 理 模 块 由 一块 FMC 子 卡 组 成,子 卡 尺 寸 140mm × 95mm,如图2所示。该子卡的在射频系统中 的使用大大降低射频信号链的复杂性,最大化 输入输出通道密度,也提升了异构处理能力, 将 FPGA 和 DSP 处理资源集成到一个模块 中,消除了JESD204B 高速串行接口复杂性, 使诸如设备间通信之类的基本功能消耗的可 编程逻辑资源更少,并把这些计算资源释放转 投到应用功能中。

图2 RFSOC射频前端处理子卡实物图

2.1.2 RFSOC子卡算法软件开发

    开展基于 RFSOC 的高频超宽带信号高 速采样及预处理的顶层框架设计,提出了可扩 展可兼容的射频通道抽象组件[4],可满足目前 前沿的 RFSOC硬件系列,也可以支持主流的 ZYNQ+DA/AD系列,提供统一的射频通道 初始化,动态的调整射频通道及波形分布。同 时,开展波形发射链路模块和接收链路模块设 计[5],实现了多波形对通道的要求,综合了波 形的数字端的收发预处理功能,将信号的抽 样、内插、滤波、AGC等工作整合到数字端口, 滤波器系数及抽样、内插系数、AGC量化度由 PS控制端动态配置,减少了动态重构时间、提 高的系统稳定性。

    在发射端,开发调度模块、数据接口模块、 运算模块和波形生成功能函数模块等模块,完 成波形数据生成、数据打包,并将数据发送至 物理链路;在接收端,开发调度模块、数据接口模块、运算模块、参数控制模块等模块,完成波 形数据的接收以及解析处理,并将解析后的数 据通过 数 据 接 口 传 递 至 后 端 处 理 模 块 进 行 处理。

图3 射频抽象组件示意

2.2 通用化接口软件设计

    驱动接口软件为用户提供设置波形参数 上层控制接口函数,并将参数转化传递给底层 算法和接口的驱动软件[6]。驱动接口软件被 封装成库,具体实现是先通过外部调用动态库 或静态库的形式,赋值给接口函数,然后将参 数转化为底层算法输入的格式,通过 AXI地 址映射将参数传递到与底层的算法接口,实现 参数控制,具体如图4所示。

    驱动接口软件支持两种加载方式,一种是 通过高速以太网接口动态加载,另一种是将软 件包存储到SD卡中实现本地开机启动

    基于驱动接口软件,设计 GTY 总线接口 协议规范和以太网总线接口协议规范,建立各 级间链路连接,实现数据在系统中的生成、传 输以及处理。设计数据传输的消息帧格式和 数据包长度,分配波形算法组件的逻辑地址,定义数据传输端口的物理地址和消息标识。 

2.3 适配前端化的结构设计

    基于机载平台一体化需求,通过将蒙皮天 线、射频微系统(包含收发、模/数转换、信号预 处理以及馈电等)和接口板集成,在一个模块 内实现多个功能运行和复用,并通过一个热控 层实现对射频和数字板的共同散热,使结构更 为紧凑,缩减射频微系统厚度,更适应于机载 环境的应用。该种架构的实现需采用“专用多 功能芯片+高密度三维堆叠”的方式进行设 计,并进行整体结构封装,功能层和每个功能 层内部物理层之间通过垂直互连通道进行信 号传输。

    如图5所示,面向多功能一体化的射频微 系统设计,实现飞机结构与传感器天线、传感 器射频微系统的宽频段综合,压缩射频传感器 结构厚 度,可 实 现 更 灵 活 的 蒙 皮 孔 径 布 局 方式。 

3 波形算法实现及功能验证

    本论文中的基于 RFSOC 的射频微系统作为塔康、航管应答等典型 CNI波形的硬件 载体,具备射频信号的收发,上下变频以及信 号的处理功能。由于 RFSOC 芯片的优越性 能,实现了6GHz以下,8个通道信号的独立 收发,因此在该系统中可同时加载多个波形功能,实现同时运行或根据使用需求进行功能重 构、实时切换。

    以 L 频段航管应答波形为例,整个航管 应答[7-8]波形软件框架分为 PS(处理系统)端 运行在 Vxworks系统下的驱动接 口 软 件 部 分,PL(FPGA)端运行的波形算法部分,以及 PS与 PL的数据交互,RF部分与底层算法的 交互及控制。通过调用内核,配置 RF ADC 和 RF DAC的接口,通过 AXI-Lite接口传 输控制参数,通过 AXI-Stream 传输基带数 据。然后将 AXI4-Stream 与 PS端相连,信 号端与波形算法相连,通过 PS端应用层程序 写入控制参数,即可实现射频信号的控制输 出,从而完成航管应答波形的所有设计开发 工作。

    通过 搭 建 一 套 验 证 环 境,验 证 基 于 RFSOC预处理模块的通信、导航、识别等功 能可正常工作。如图7所示,搭建航管应答波 形验证环境,通过将天线、功放、收发通道、频 率源等处理子卡与 RFSOC处理板连接,基于 SPI总线对功放、频率源、收发通道进行配置, 使用外部射频激励器以及示波器、频谱仪对波 形的功能进行了测试,在输入信号为-77~ -21dBm 的动态范围内,能够正常应答 A/C/ S模式的询问,应答信息中包括 A 模式代码/ C模式高度/S模式数据等信息,波形应答概 率均不小于95%,功能运行正常。

    基于 L频段 CNI射频微系统可发展机载 通信、导航、识别综合系统,采用 RFSOC作为 射频信号及数字信号处理平台,实现射频处理一体化与蒙皮化结构,实现塔康、精密测距、航 管应答、识 别、数 据 链 等 L 频 段 典 型 波 形 功 能,完成前端射频处理、信号处理及波形管理。 整体优势主要包括以下几个方面:

    其一,系统整体尺寸大幅降低,与传统通 信导航识别设备相比,射频微系统体积上减小 约70%,重量减少约75%,同时通过资源配置 的方式实现多功能复用和功能重构。 

    其二,基于高度集成化的 RFSOC核心处 理芯片,缩短了射频通道、数模/模数转换以及 处理资源间数据传输的时延,例如在本文中 A/C模式应答时间这一指标相比传统二次变 频模式的电路有较大改善。

     其三,RFSOC 包 含 GTH/GTY 等 高 速 数据 接 口,在 多 个 设 备 间 可 以 采 用 UDP/ TCP、SRIO 以及 RDMA 等高速协议传输,通 过光纤网络进行交互,既节省射频线缆重量, 又提高数据传输效率,贴合未来分布式前端化 布局方式。 

4 结 论

    基于目前的验证情况,该成果已应用于 L 频段 CNI射频微系统中,完成塔康、航管应答 波形的功能,形成了多通道综合射频快速验证 平台、快速迭代、快速升级的产品雏形。未来 随着分布式蒙皮的推广应用,对射频模块提出 了更严苛的前端化、小型化、多通道、大瞬时带宽的需求,综上,基于 RFSOC 的射频微系统 具备高集成化、大带宽直接采样、多任务并行 处理等优势,更符合下一代航空器的特征及使 用场景,可得到更广泛应用。

参考文献

 [1]王莹.集成多种功能 RFSoC支持6GHz 以下 频 段 的 定 义 考 量 [J]//电 子 产 品 世 界,2019.4:21-23. 

[2]JoshGoldsmith.ControlandVisualisationofaSoftwareDefinedRadioSystem ontheXilinxRFSoCPlatform Usingthe PYNQ Framework[J].IEEE Access, UniversityofStrathclyde,Glasgow,U. K,VOLUME8,2020:129012-129031.

 [3]S.S.Pereira.Multi-band,Multi-technologyRemote Unit (RU)Basedon RFSoC [J].202050thEuropean MicrowaveConference(EuMC),InstitutodeTelecomunicaes, Universidade de Aveiro, Campus UniversitáriodeSantiago,Aveiro,Portugal,January2021:148-151.

 [4]黄子鸿.基于 SCA 的波形组件化技术研 究 与 实 现 [D]. 湖 南: 湖 南 师 范 大 学,2016. 

[5]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北 京:清华大学出版社,1992,42(3). 

[6]王 田 苗.嵌 入 式 系 统 设 计 与 实 例 开 发 [M].北京:清华大学出版社,2002.

 [7]张尉.二次雷达原理[M].北京:国防工 业出版社,2007.

[8]黎廷璋.空中交通管制机载应答机[M]. 北京:国防工业出版社,1992:105-124