基于RFSoC芯片的多路射頻信號記錄回放系統設計與應用

龐 博

（國家廣播電視總局西安監測臺，陜西 西安 710101）

0 引 言

就廣播電視監測行業而言，射頻信號是一切監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、調頻廣播非法電臺、衛星廣播電視非法攻擊等現象不斷出現，監測過程單純依靠人工，不僅效率低、準確度差，而且不能對歷史信號進行重復校驗，嚴重影響監測數據的準確度。RFSoC芯片基于其強大的模/數（A/D）和數/模（D/A）轉換功能，可以將多路原始射頻信號進行記錄和回放，從而為有效利用廣播電視原始射頻信號提供了實施方案。

RFSoC芯片將射頻數模轉換器（ADC）、模數轉 換 器（DAC）、ARM（Advanced RISC Machine，ARM）、現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）[2]等集于一體，目前已廣泛應用于5G、有線電視接入、衛星通信及雷達等多種領域。其優勢主要表現在以下方面。

（1）具備8個A/D和D/A實時采樣通道。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，計算性能優越。

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

1 技術方案

本文提出的多路射頻信號記錄回放系統硬件主要包含一臺上位機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。系統配備一套上位機軟件，實現實時射頻信號記錄、連續儲存、頻譜分析以及流盤回放發射等功能。

1.1 系統硬件方案

信號采集終端硬件遵循軟件無線電體系架構標準[3]，采用Zynq Ultrascale+RFSoC開發套件，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、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模數信號鏈原型設計平臺，如圖1所示，主要硬件技術參數如表1所示。

圖1 數據采集終端硬件原理框圖

表1 系統硬件組成及主要功能技術參數

除此之外，系統硬件還包括PCI Express上位機接口模塊、上位機、發射天線、接收天線、射頻電纜及電源適配器等配件。

1.2 上位機軟件方案

上位機軟件實現如下功能：通過系統QSFP28接口，可同時將8個通道的數字信號原始數據進行無丟失地記錄和回放，傳輸速率均不低于8 GB·s-1，連續傳輸時間均不低于30 min。上位機軟件按照上位機功能、上位機與信號采集終端交互功能、上位機與信號采集終端信號走向三個功能模塊進行設計，如圖2所示。

圖2 系統軟件設計方案

2 系統應用

本方案構建的基于RFSoC的多路射頻信號記錄回放系統[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施方案，解決了實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行長時間、不間斷的信號采集和存儲，由通道曲線顯示區、工作模式設置區、啟動模式設置區、文件設置區、采集模式設置區、磁盤容量顯示區以及系統消息顯示區七部分組成。

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時采集記錄的特定頻段的信號進行時域、頻域實時回放，由回放文件數據顯示區、數據全景圖顯示區、運行狀態顯示區、時域波形顯示區以及頻域分析顯示區五部分組成。

3 系統功能測試與驗證

為驗證系統的記錄與回放功能，保證在特定頻段下能夠無丟失地實現射頻信號的記錄與回放，以下對該系統在50～2 150 MHz波段的連續頻點進行功能測試，驗證該系統對連續頻點的記錄與回放性能。

3.1 記錄功能測試與驗證

本節通過連接信號源和信號采集設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波段范圍內輸出不同的離散頻點，同時在信號采集設備上觀察數據量和峰值功率，進而確定系統在記錄環節是否存在丟點現象，對系統記錄的完整性進行測試。

3.1.1 測試目的

驗證本系統可以采集超短波信號、標準衛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備。

3.1.2 設備連接方式

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

3.1.3 測試結果及分析

單頻信號采集測試結果如表2所示。從測試數據可以看出，在50～2 150 MHz頻段范圍內，11個頻點的數據量和峰值功率均得到有效采集，未發現丟點現象。由此可以驗證，本系統可以實現地對50～2 150 MHz頻段內不同頻點的射頻信號進行無丟失采集。

表2 單頻信號采集測試結果（內參考時鐘）

3.2 回放功能測試

本節通過連接信號源和信號采集設備的時鐘參考信號接口和射頻信號接口，控制信號回放設備輸出前期已記錄并離線生成的不同離散頻點，同時在示波器和頻譜儀上觀察峰值頻率和峰值功率，進而確定系統在回放環節是否存在丟點現象，對系統回放的完整性進行測試。

3.2.1 測試目的

驗證本系統可以回放超短波信號、標準衛星通信寬帶高中頻信號。

3.2.2 設備連接方式

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

3.2.3 測試結果及分析

單頻信號回放測試結果如表3所示。從測試數據可以看出，信號回放設備前期記錄的50～2 150 MHz頻段范圍內11個頻點的峰值頻率和峰值功率均得到有效回放，未發現丟點現象。由此可以驗證，本系統可以實現地對50～2 150 MHz頻段內不同頻點的射頻信號進行無丟失回放。

表3 單頻信號回放測試結果（內參考時鐘）

4 結 語

本文提出基于RFSoC芯片的多路射頻信號記錄回放系統，探索廣播電視監測領域充分利用原始射頻信號的實施方案，通過引入XCZU28DR芯片和Zynq Ultrascale+ RFSoC開發套件，實現了多路射頻信號的實時記錄和回放功能。系統設計符合軟件無線電體系架構，實測信號采集與回放功能符合參數要求。另外，系統具備高速數據接口、觸發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，有助于多設備之間實現更多通道數和更廣頻率范圍的同步應用，在廣播電視監測領域具備一定的推廣價值。