一种基于RFSoC的多通道调制转发系统

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其是一种基于RFSoC的多通道调制转发系统。

背景技术

在进行雷达干扰源重构、射频信号细微特征分析、射频信号模拟以及雷达中频信号处理等领域，通常需要对空间中的射频信号进行接收和转发。通常使用能实现脉内调制信号的相干存储和转发的DRFM来进行射频信号的接收和转发，而目前的DRFM具有转发干扰信号形式固定、硬件实现复杂、设计难度大等缺点。

术语解释：

DRFM：DRFM全称为Digital Radio Frequency Memory，名为数字射频存储器，是一种用于实现射频信号存储及转发功能的电子战部件，是雷达信号处理中不可或缺的技术；

RFSoC：RFSoC的全称为RF System-on-Chip，Zynq UltraScale+RFSoC是一种FPGA+ARM的异构计算架构，它的的优势在于集成度高、功耗低、性能强大。由于射频功能和数字信号处理功能集成在同一芯片上，RFSoC大大简化系统设计，减少电路板面积和连接线路，大幅提升提系统的和性能和稳定性；同时，RFSoC还具有灵活性，可以通过软件配置来适应雷达、通信等不同领域的射频通信标准和应用需求；

ARM核：ARM的全称为Advanced RISC Machines，ARM核是ARM架构的中央处理单元(CPU)核心；ARM是一种低功耗、高性能的指令集架构，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和其他低功耗应用领域。Cortex-M系列核心主要用于低功耗嵌入式系统，如传感器、物联网设备和微控制器。它具有较小的面积和低功耗特性，适合于资源受限的环境。

发明内容

针对目前的DRFM转发干扰信号形式固定、硬件实现复杂、设计难度大等技术问题，本发明的目的在于提供一种基于RFSoC的多通道调制转发系统。

所述基于RFSoC的多通道调制转发系统包括RFSoC多通道ADC模块、RFSoC多通道DAC模块、RFSoC PL端和RFSoC PS端；

所述RFSoC PL端分别与所述RFSoC多通道ADC模块和所述RFSoC多通道DAC模块连接，与所述RFSoC PS端与所述RFSoC PL端连接；

所述RFSoC多通道ADC模块用于获取已接收中频信号，对所述已接收中频信号进行数模转换，获得已接收基带信号，将所述已接收基带信号发送至所述RFSoC PL端；

所述RFSoC PS端用于接收识别装订信息和转发装订信息，将所述识别装订信息和所述转发装订信息发送至所述RFSoC PL端；

所述RFSoC PL端用于根据所述识别装订信息和所述转发装订信息，对所述已接收基带信号进行数字波束形成、信号识别调制以及多通道发射波束赋形，获得待发射基带信号，将所述待发射基带信号发送至所述RFSoC多通道DAC模块；

所述RFSoC多通道DAC模块对所述待发射基带信号进行模数转换，获得待发射中频信号。

进一步地，所述基于RFSoC的多通道调制转发系统还包括天线阵列、多通道收发组件和多通道上下变频模块；

所述天线阵列通过所述多通道收发组件与所述多通道上下变频模块连接；所述多通道上下变频模块分别与所述RFSoC多通道ADC模块和所述RFSoC多通道DAC模块连接；

所述多通道收发组件用于切换所述天线阵列的发射状态、接收状态和隔离状态，对已接收射频信号进行低噪声放大后发送至所述多通道上下变频模块，对待发射射频信号进行满功率放大后发送至所述天线阵列；

所述多通道上下变频模块用于对所述已接收射频信号进行滤波、下变频和中频数控功率衰减，获得所述已接收中频信号，对所述待发射中频信号进行中频数控功率衰减、滤波和上变频，获得所述待发射射频信号；

所述天线阵列用于接收得到所述已接收射频信号，或者发射所述待发射射频信号。

进一步地，所述基于RFSoC的多通道调制转发系统还包括上位机；

所述上位机与所述RFSoC PS端连接；

所述上位机用于向所述RFSoC PS端发送所述识别装订信息和所述转发装订信息，触发所述RFSoC PS端从所述RFSoC PL端获取对所述已接收基带信号的信号识别结果，对所述信号识别结果进行可视化显示，对所述RFSoC多通道ADC模块、所述RFSoC多通道DAC模块、所述RFSoC PL端、所述RFSoC PS端、所述多通道收发组件和所述多通道上下变频模块进行工作状态配置和工作状态监控。

进一步地，所述基于RFSoC的多通道调制转发系统还包括RFSoC时钟模块和频综模块；

所述RFSoC时钟模块用于为所述RFSoC多通道ADC模块、所述RFSoC多通道DAC模块和所述RFSoC PL端提供时钟信号；

所述频综模块用于向所述多通道上下变频模块提供时钟信号、发射激励和本振信号。

进一步地，所述基于RFSoC的多通道调制转发系统还包括控制协议接口；

所述控制协议接口用于供所述上位机、所述RFSoC多通道ADC模块、所述RFSoC多通道DAC模块、所述RFSoC PL端、所述RFSoC PS端和所述多通道上下变频模块之间传输数据。

进一步地，所述信号识别调制，包括：

获取幅度检测门限以及通过数字波束形成得到的多路波束信号；

根据所述幅度检测门限对各路所述波束信号进行检测，获得波束有效信号幅度信息；

根据所述波束有效信号幅度信息进行判决，获得主波束信号；

对所述主波束信号进行检测，获得中心频率估计值；

根据所述中心频率估计值，对所述主波束信号进行数字下变频和抽取滤波，获得有效脉冲信号；

对所述有效脉冲信号进行信号截取，获得信号片段；

当满足预设条件时，对所述信号片段进行信号调制，获得基带调制信号。

进一步地，所述信号识别调制，还包括：

通过多波束比幅的方式对各路所述波束信号进行测向，确定所述主波束信号与若干相邻波束信号；

检测所述主波束信号分别与各所述相邻波束信号的幅度差值；

将各所述幅度差值分别与各理论差值进行对比，确定各所述幅度差值分别对应的目标俯仰角度和目标方位角度；其中，所述理论差值对应一组俯仰角度和方位角度，任一个所述幅度差值对应的所述目标俯仰角度和所述目标方位角度，是与这个所述幅度差值最接近的所述理论差值对应的俯仰角度和方位角度。

进一步地，所述信号识别调制，还包括：

根据所述识别装订信息与所述有效脉冲信号进行匹配，根据匹配结果确定有效标志信号；

所述预设条件为所述有效标志信号表示有效。

进一步地，所述信号识别调制为单频调制、多频调制、幅度调制、时延调制或者组合调制。

进一步地，所述多通道发射波束赋形，包括：

根据所述目标俯仰角度和所述目标方位角度，对相应的所述相邻波束信号进行赋形。

本发明的有益效果是：实施例中的基于RFSoC的多通道调制转发系统，由于使用基于RFSoC的DRFM作为多通道调制转发系统，具有功耗低、占用空间小等优势，适用于资源受限的环境，有利于提升系统装备集成度，提高系统功能灵活性和综合性；而基于RFSoC的结构具有硬件结构简单、设计难度小的优点，容易通过对RFSoC PL端进行编程控制，从而实现不同形式的转发干扰信号。

附图说明

图1为实施例中基于RFSoC的多通道调制转发系统的结构示意图；

图2为实施例中基于RFSoC的多通道调制转发系统的工作原理示意图；

图3为实施例中RFSoC PL端工作时执行的步骤示意图；

图4为实施例中RFSoC PL端的工作原理示意图。

具体实施方式

本实施例中，基于RFSoC的多通道调制转发系统的结构如图1所示。参照图1，基于RFSoC的多通道调制转发系统包括RFSoC多通道ADC模块、RFSoC多通道DAC模块、RFSoC PL端和RFSoC PS端等结构，这些模块可以使用RFSoC去实现。在这些模块的基础上，可以进一步设置天线阵列、多通道收发组件、多通道上下变频模块、上位机、RFSoC时钟模块、频综模块和控制协议接口等模块。

参照图1，RFSoC PL端分别与RFSoC多通道ADC模块和RFSoC多通道DAC模块连接，与RFSoC PS端与RFSoC PL端连接，天线阵列通过多通道收发组件与多通道上下变频模块连接；多通道上下变频模块分别与RFSoC多通道ADC模块和RFSoC多通道DAC模块连接，上位机与RFSoC PS端连接。

RFSoC时钟模块为RFSoC多通道ADC模块、RFSoC多通道DAC模块和RFSoC PL端提供时钟信号，频综模块用于向多通道上下变频模块提供时钟信号、发射激励和本振信号，控制协议接口用于供上位机、RFSoC多通道ADC模块、RFSoC多通道DAC模块、RFSoC PL端、RFSoCPS端和多通道上下变频模块之间传输数据。即通过设置RFSoC时钟模块和频综模块，能够为各模块的运行提供支持；通过设置控制协议接口，使得上位机能够与各模块进行数据传输，从而使得上位机能够对各模块进行配置、控制以及监控。

本实施例中，基于RFSoC的多通道调制转发系统的工作原理如图2所示。参照图2，在接收期间，多通道收发组件将天线阵列设定为接收状态，天线阵列从空间中接收到信号，即已接收射频信号，将已接收射频信号发送至多通道收发组件；多通道收发组件对已接收射频信号进行低噪声放大，具体地，多通道收发组件接收的相位和增益可由上位机进行编程控制；多通道收发组件将经过放大的已接收射频信号发送至多通道上下变频模块，多通道上下变频模块对已接收射频信号进行滤波和下变频，同时可以根据需求在中频进行数控功率衰减，得到已接收中频信号，将已接收中频信号发送至RFSoC多通道ADC模块；RFSoC多通道ADC模块对已接收中频信号进行数模转换，并进一步完成数字正交解调和下变频，获得基带附近的数值I、Q信号，即已接收基带信号，将已接收基带信号发送至RFSoC PL端；RFSoCPL端根据RFSoC PS端发送过来的从上位机获得的识别装订信息和转发装订信息，对已接收基带信号进行幅相校正以及数字波束形成等处理，获得若干波束信号，再对波束信号进行信号识别调制，获得基带调制信号，对基带调制信号进行多通道发射波束赋形，获得待发射基带信号，将待发射基带信号发送至RFSoC多通道DAC模块；RFSoC多通道DAC模块对待发射基带信号进行模数转换，获得待发射中频信号，将待发射中频信号发送至多通道上下变频模块。

参照图2，在发射期间，多通道上下变频模块对待发射中频信号进行上变频和滤波，同时可以根据需求在中频进行数控功率衰减，得到待发射射频信号，将待发射射频信号发送至多通道收发组件；多通道收发组件对待发射射频信号进行满功率放大，具体地，多通道收发组件接收的相位和增益可由上位机进行编程控制；多通道收发组件将经过放大的待发射射频信号发送至天线阵列，多通道收发组件将天线阵列设定为发射状态，由天线阵列向空间发射信号。

经过图2所示的接收期间和发射期间，基于RFSoC的多通道调制转发系统可以实现对空间中的射频信号的接收和转发。本实施例中，由于使用基于RFSoC的DRFM作为多通道调制转发系统，具有功耗低、占用空间小等优势，适用于资源受限的环境，有利于提升系统装备集成度，提高系统功能灵活性和综合性。

本实施例中，多通道收发组件还可以将天线阵列设定为隔离状态。在隔离状态下，天线阵列既不发射信号也不接收信号。

具体地，多通道收发组件中设有收发单元和电源调制器，收发单元中设有移相器、衰减器和开关。多通道收发组件可以将上位机下发的串行控制码转换为并行控制码并存入两级锁存器，经驱动电路驱动后输出，以控制移相器、衰减器和开关，从而实现天线阵列发射状态、接收状态以及隔离状态的切换，以及控制多通道收发组件对已接收射频信号或者待发射射频信号进行放大时的相位和增益。电源调制器在上位机的时序脉冲信号控制下，可以对通道电源进行脉冲调制。

本实施例中，RFSoC PL端在对已接收基带信号进行幅相校正以及数字波束形成等处理时，需要使用到识别装订信息和转发装订信息，识别装订信息和转发装订信息，可以由上位机提供。具体地，上位机向RFSoC PS端发送识别装订信息和转发装订信息，使得RFSoCPS端可以向RFSoC PL端发送所需要的识别装订信息和转发装订信息。另一方面，RFSoC PS端受到上位机触发，指令RFSoC PL端对已接收基带信号进行识别，获得信号识别结果，RFSoC PL端将信号识别结果经过RFSoC PS端发送至上位机，使得上位机可以将信号识别结果可视化显示出来，从而使得使用者容易观察已接收基带信号的信号识别结果。

本实施例中，上位机还可以对RFSoC多通道ADC模块、RFSoC多通道DAC模块、RFSoCPL端、RFSoC PS端、多通道收发组件和多通道上下变频模块进行工作状态配置，使得这些模块能够进入基于RFSoC的多通道调制转发系统运行所需的工作状态。在这些模块的工作过程中，上位机还可以对这些模块的工作状态进行监控，从而能够及时发现这些模块的工作异常，方便进行维护。

本实施例中，参照图3，RFSoC PL端在进行信号识别调制时，具体可以执行以下步骤：

S1.获取幅度检测门限以及通过数字波束形成得到的多路波束信号；

S2.根据幅度检测门限对各路波束信号进行检测，获得波束有效信号幅度信息；

S3.根据波束有效信号幅度信息进行判决，获得主波束信号；

S4.对主波束信号进行检测，获得中心频率估计值；

S5.根据中心频率估计值，对主波束信号进行数字下变频和抽取滤波，获得有效脉冲信号；

S6.对有效脉冲信号进行信号截取，获得信号片段；

S7.当满足预设条件时，对信号片段进行信号调制，获得基带调制信号。

步骤S1-S7的原理如图4所示。参照图4，RFSoC PL端中可以运行幅度估计单元、检测判决单元、频率估计单元、DDC抽取单元、信号截取单元、PDW估计单元、信号调制单元和比幅测向单元等软件单元，分别用于执行各步骤。

参照图4，执行步骤S1时，可以由上位机将幅度检测门限发送至RFSoC PL端中的幅度估计单元。RFSoC PL端通过对已接收基带信号进行幅相校正和数字波束形成(DigitalBeam Forming，DBF)，从而获得多路波束信号。

步骤S2由幅度估计单元执行。步骤S2中，幅度估计单元根据幅度检测门限对各路波束信号进行检测，获得波束有效信号幅度信息，将波束有效信号幅度信息发送至检测判决单元。

步骤S3由检测判决单元执行。步骤S3中，检测判决单元根据波束有效信号幅度信息进行判决，获得主波束信号。其中，主波束信号是各路波束信号中幅度最大的那个波束信号。检测判决单元将主波束信号发送至频率估计单元。

步骤S4由频率估计单元执行。步骤S4中，频率估计单元对主波束信号进行检测，获得中心频率估计值，将中心频率估计值发送至DDC抽取单元

步骤S5由DDC抽取单元执行。步骤S5中，DDC抽取单元根据中心频率估计值，对主波束信号进行数字下变频和抽取滤波，获得有效脉冲信号，分别将有效脉冲信号发送至信号截取单元和PDW估计单元。

步骤S6中，PDW估计单元对有效脉冲信号估计出全部脉宽信息，并从上位机接收识别装订信息，判断有效脉冲信号与识别装订信息进行匹配或者不匹配的判断，并将匹配的结果表示为有效标志信号。具体地，有效标志信号为1表示有效，即有效脉冲信号与识别装订信息匹配；有效标志信号为0表示无效，即有效脉冲信号与识别装订信息不匹配。PDW估计单元将全部脉宽信息以及有效标志信号等脉宽识别结果发送至上位机。

步骤S6中，信号截取单元从有效脉冲信号中，截取位于正中间的对应特定的脉冲宽度的一个信号片段，先将截取出的信号片段写入BRAM，等待满足预设条件。具体地，当PDW估计单元获得的有效标志信号表示有效，则判断满足预设条件，信号截取单元可以从BRAM读出信号片段，将信号片段发送至信号调制单元。

步骤S7中，信号调制单元从上位机获取转发装订信息，具体地，转发装订信息中包括调制方式和实际参数等信息。信号调制单元根据转发装订信息对信号片段进行信号调制，获得基带调制信号。

本实施例中，信号调制单元对信号片段进行的信号调制，具体可以为单频调制、多频调制、幅度调制、时延调制或者组合调制。这些调制方式的具体过程如下所示：

A、单频调制：将接收到的信号直接转发，可以保持原始信号的频率和调制特性；

B、多频调制：利用DDS生成一组不同频率的子载波，将截取信号与之进行混频，可以产生更复杂的干扰信号，增强干扰效果，子载波的频率由上位机决定；

C、幅度调制：将截取信号乘以不同的幅度权值，影响对方系统接收性能，权值由上位机决定；

D、时延调制：将截取信号转换为脉冲信号，并做时延处理，时延参数由上位机决定；

E、组合调制：在进行单/多频调制或幅度调制的基础上，进行相应的时延处理。

本实施例中，参照图4，RFSoC PL端在进行信号识别调制时，具体还可以执行以下步骤：

S8.通过多波束比幅的方式对各路波束信号进行测向，确定主波束信号与若干相邻波束信号；

S9.检测主波束信号分别与各相邻波束信号的幅度差值；

S10.将各幅度差值分别与各理论差值进行对比，确定各幅度差值分别对应的目标俯仰角度和目标方位角度。

参照图4，步骤S8-S10由比幅测向单元执行。

步骤S8中，比幅测向单元通过多波束比幅的方式对各路波束信号进行测向，将各路波束信号分类成主波束信号以及若干个相邻波束信号。

步骤S9中，比幅测向单元遍历全部相邻波束信号，对于任一个相邻波束信号，都计算其与主波束信号之间的幅度差值，从而获得多个幅度差值。

步骤S10中，比幅测向单元预先存储了一组理论差值与俯仰角度和方位角度之间的对应关系，即每个理论差值都有一个对应的俯仰角度和方位角度。比幅测向单元遍历步骤S9获得的每个幅度差值，对于任一个幅度差值，都寻找与这个幅度差值最接近的那个理论差值，再查询这个理论差值对应的俯仰角度和方位角度，作为这个幅度差值对应的目标俯仰角度和目标方位角度。由于每个相邻波束信号都对应一个幅度差值，每个幅度差值都对应一组目标俯仰角度和目标方位角度，因此每个相邻波束信号都对应一组目标俯仰角度和目标方位角度。比幅测向单元将获得的目标俯仰角度和目标方位角度及其与相邻波束信号之间的对应关系发送至上位机。

本实施例中，参照图2，上位机将目标俯仰角度和目标方位角度及其与相邻波束信号之间的对应关系发送至RFSoC PL端，使得RFSoC PL端在进行发射波束赋形时，对于基带调制信号中的每个相邻波束信号，都分别根据其对应的目标俯仰角度和目标方位角度进行赋形。

本实施例中的基于RFSoC的多通道调制转发方法与系统，相比传统的DRFM系统，增加信号识别模块并改进信号调制模块。接收时，对雷达信号进行识别，获取信号的特征参数信息，再与上位机下发的识别装订信息进行匹配，实现信号识别功能；发射时，根据信号识别结果下发相应的转发装订信息，并生成不同调制形式的信号波形，实现系统的灵活转发功能。本发明一方面有助于降低传统DRFM系统硬件复杂度、提升系统集成度和稳定性；另一方面有助于传统DRFM系统信号识别和灵活调制转发功能的完善，提高系统的适应性和综合性。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本实施例的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。