基于RFSoC芯片的多路射频信号记录回放系统设计与应用

庞 博

（国家广播电视总局西安监测台，陕西 西安 710101）

0 引 言

就广播电视监测行业而言，射频信号是一切监测对象的最原始资源，其利用价值不言而喻[1]。随着中短波广播带外频率、调频广播非法电台、卫星广播电视非法攻击等现象不断出现，监测过程单纯依靠人工，不仅效率低、准确度差，而且不能对历史信号进行重复校验，严重影响监测数据的准确度。RFSoC芯片基于其强大的模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，可以将多路原始射频信号进行记录和回放，从而为有效利用广播电视原始射频信号提供了实施方案。

RFSoC芯片将射频数模转换器（ADC）、模数转 换 器（DAC）、ARM（Advanced RISC Machine，ARM）、现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）[2]等集于一体，目前已广泛应用于5G、有线电视接入、卫星通信及雷达等多种领域。其优势主要表现在以下方面。

（1）具备8个A/D和D/A实时采样通道。A/D最高采样速率为4.096 GSPS（Gigabit Samples Per Second，GSPS）每通道，D/A最高采样速率为6.554 GSPS每通道，极大提高了对射频信号的处理效能。

（2）具备4个Cortex-A53和2个Cortex-R5处理器，主频1.3 GHz，物理寻址空间大于等于4 GB，计算性能优越。

（3）支持SD-FEC光纤接口、33GSerDes接口、十万兆以太网及4代PCIe总线，为行业定制开发提供了极大的便利条件。

1 技术方案

本文提出的多路射频信号记录回放系统硬件主要包含一台上位机和一套信号采集终端。信号采集终端核心芯片采用XCZU28DR，射频信号采集范围为50 MHz～4 GHz。系统配备一套上位机软件，实现实时射频信号记录、连续储存、频谱分析以及流盘回放发射等功能。

1.1 系统硬件方案

信号采集终端硬件遵循软件无线电体系架构标准[3]，采用Zynq Ultrascale+RFSoC开发套件，支持8个12位4.096 GSPS的ADC和8个14位6.554 GSPS的DAC。套 件 配 有Arm Cortex-A53和Arm Cortex-R5子系统、UltraScale+可编程逻辑以及Zynq UltraScale+器件中的最高信号处理带宽，可提供一个快速、全面的RF模数信号链原型设计平台，如图1所示，主要硬件技术参数如表1所示。

图1 数据采集终端硬件原理框图

表1 系统硬件组成及主要功能技术参数

除此之外，系统硬件还包括PCI Express上位机接口模块、上位机、发射天线、接收天线、射频电缆及电源适配器等配件。

1.2 上位机软件方案

上位机软件实现如下功能：通过系统QSFP28接口，可同时将8个通道的数字信号原始数据进行无丢失地记录和回放，传输速率均不低于8 GB·s-1，连续传输时间均不低于30 min。上位机软件按照上位机功能、上位机与信号采集终端交互功能、上位机与信号采集终端信号走向三个功能模块进行设计，如图2所示。

图2 系统软件设计方案

2 系统应用

本方案构建的基于RFSoC的多路射频信号记录回放系统[4]，为多通道广播电视原始射频信号的记录和回放提供了实施方案，解决了实时性要求高和低延迟信号处理[5]的问题。

2.1 多路射频信号记录软件

多路射频信号记录软件的主要功能是对特定频段的信号进行长时间、不间断的信号采集和存储，由通道曲线显示区、工作模式设置区、启动模式设置区、文件设置区、采集模式设置区、磁盘容量显示区以及系统消息显示区七部分组成。

2.2 多路射频信号回放软件

多路射频信号回放软件的主要功能是对实时采集记录的特定频段的信号进行时域、频域实时回放，由回放文件数据显示区、数据全景图显示区、运行状态显示区、时域波形显示区以及频域分析显示区五部分组成。

3 系统功能测试与验证

为验证系统的记录与回放功能，保证在特定频段下能够无丢失地实现射频信号的记录与回放，以下对该系统在50～2 150 MHz波段的连续频点进行功能测试，验证该系统对连续频点的记录与回放性能。

3.1 记录功能测试与验证

本节通过连接信号源和信号采集设备的时钟参考信号接口和射频信号接口，控制信号源在50～2 150 MHz波段范围内输出不同的离散频点，同时在信号采集设备上观察数据量和峰值功率，进而确定系统在记录环节是否存在丢点现象，对系统记录的完整性进行测试。

3.1.1 测试目的

验证本系统可以采集超短波信号、标准卫星通信宽带高中频信号[6]，并且可以作为宽带信号便携式采集设备。

3.1.2 设备连接方式

连接射频信号源RefOut接口与信号采集设备RefIn接口，同时连接射频信号源RFOut接口与信号采集设备RFIn接口。

3.1.3 测试结果及分析

单频信号采集测试结果如表2所示。从测试数据可以看出，在50～2 150 MHz频段范围内，11个频点的数据量和峰值功率均得到有效采集，未发现丢点现象。由此可以验证，本系统可以实现地对50～2 150 MHz频段内不同频点的射频信号进行无丢失采集。

表2 单频信号采集测试结果（内参考时钟）

3.2 回放功能测试

本节通过连接信号源和信号采集设备的时钟参考信号接口和射频信号接口，控制信号回放设备输出前期已记录并离线生成的不同离散频点，同时在示波器和频谱仪上观察峰值频率和峰值功率，进而确定系统在回放环节是否存在丢点现象，对系统回放的完整性进行测试。

3.2.1 测试目的

验证本系统可以回放超短波信号、标准卫星通信宽带高中频信号。

3.2.2 设备连接方式

连接信号回放设备RefOut接口与频谱仪设备RefIn接口，同时连接信号回放设备RFOut接口与频谱仪设备RFIn接口。

3.2.3 测试结果及分析

单频信号回放测试结果如表3所示。从测试数据可以看出，信号回放设备前期记录的50～2 150 MHz频段范围内11个频点的峰值频率和峰值功率均得到有效回放，未发现丢点现象。由此可以验证，本系统可以实现地对50～2 150 MHz频段内不同频点的射频信号进行无丢失回放。

表3 单频信号回放测试结果（内参考时钟）

4 结 语

本文提出基于RFSoC芯片的多路射频信号记录回放系统，探索广播电视监测领域充分利用原始射频信号的实施方案，通过引入XCZU28DR芯片和Zynq Ultrascale+ RFSoC开发套件，实现了多路射频信号的实时记录和回放功能。系统设计符合软件无线电体系架构，实测信号采集与回放功能符合参数要求。另外，系统具备高速数据接口、触发输入和输出接口以及参考时钟输入和输出接口，同时引入不同射频频段处理功能的芯片，有助于多设备之间实现更多通道数和更广频率范围的同步应用，在广播电视监测领域具备一定的推广价值。