CN110174672A - 基于RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，包括射频RF转换单元、时钟单元、程序加载单元、以太网接口单元、内部缓存单元、波控接口单元、RFSoC芯片单元。射频RF转换单元与RFSoC芯片单元通过差分接口相连，时钟单元与RFSoC芯片单元通过低电压差分接口相连，程序加载单元与RFSoC芯片单元通过总线接口相连，以太网接口单元与RFSoC芯片单元通过链路口相连，内部缓存单元与RFSoC芯片单元通过总线接口相连，波控接口单元与RFSoC芯片单元通过串行接口和总线接口相连。本发明具有体积小、采样率高、可靠性强、功耗低、稳定性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达数字信号处理技术领域中的一种基于射频片上系统RFSoC(Radio Frequency System on Chip)芯片的合成孔径雷达SAR(Synthetic aperture radar)成像实时信号处理的装置。本发明可以用于直接接收雷达天线组件输出的射频信号，在单片射频片上系统RFSoC芯片完成模数转换、数字下变频、脉冲压缩、实时成像的处理，同时可通过装置上的千兆以太网接口输出成像结果数据。
背景技术
射频片上系统RFSoC芯片为赛灵思公司的Zynq UltraScale+RFSoC的系列芯片，该系列芯片内部集成有射频RF(Radio Frequency)数据转换器、SD-FEC内核、高性能UltraScale+可编程逻辑和多核ARM处理系统。传统射频数字信号调理与处理通常通常分配给不同的独立子系统中，而射频片上系统RFSoC芯片将模拟射频RF、数字、可编程逻辑阵列以及嵌入式内核集成在一个单芯片上，可直接对射频RF信号进行数据转换成数字信号，使用芯片内部的可编程逻辑以及嵌入式内核进行数字信号处理操作。合成孔径雷达SAR成像实时信号处理装置,是一种合成孔径雷达SAR成像实时信号处理系统的硬件平台，这种装置的设计技术逐步趋向于小型化、一体化，高度集成化，高性能方向。传统的合成孔径雷达SAR成像实时信号处理装置多数为高速模数转换器+现场可编程逻辑门阵列FPGA(FieldProgrammable Gate Array)+数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)结构，实现大带宽、高速实时运算处理。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“弹载SAR成像实时信号处理系统”(申请日：2013.05.13，申请号：201310191985.6，公告号：CN 103336279 A)中公开了一种SAR成像实时信号处理系统。该系统包括：A/D采集模块、FPGA主控模块、DSP成像模块、DSP跟踪模块、上位机接口模块、伺服接口模块。A/D采集模块完成对雷达回波的模数转换；FPGA主控模块用来进行数据预处理，同时控制和协调其他模块工作；DSP成像模块用来接收预处理的数据并进行成像处理，将处理结果发送到FPGA主控模块；DSP跟踪模块用来接收预处理的数据并进行测角跟踪处理，将处理结果发送到FPGA主控模块；上位机模块用于实验室内部的系统调试，W5300为以太网接口芯片；伺服接口模块用来向FPGA模块发送弹体状态信息，同时接收FPGA模块的控制命令，实现对弹体的控制。该系统存在的不足之处是，该系统使用一片模数转换器芯片+一片可编程逻辑门阵列器件FPGA芯片+多片数字信号处理器DSP芯片的多芯片结构，由此导致系统结构繁杂，体积较大，无法实现小型化；其次系统使用的是百兆速率的以太网物理层PHY芯片W5300，无法实现更高的千兆以太网的速率，导致系统的实时性能较低。
成都汇蓉国科微系统技术有限公司在其申请的专利文献“基于增强型ADC的DSP+FPGA双基前视SAR成像方法及成像装置”(申请日：2017.12.23，申请号：201711410771.8，公告号：CN 108132467 A)中公开了一种SAR成像装置。该装置包括：网口芯片、模数转换器、FPGA和DSP。模数转换器与FPGA之间数据连结并均支持JESD204B通信协议；FPGA和DSP之间采用多通道SRIO相连，网口芯片和DSP之间数据连接。所述DSP为TMS320C6678，所述FPGA为Xilinx公司Virtex-7系列中的XC7VX690T，所述模数转换器为TI公司的ADS54J66，所述网口芯片为MAXIM公司的88E1111以太网物理层芯片。该系统存在的不足之处是，首先可编程逻辑门阵列器件FPGA与多片数字信号处理器DSP采用的多通道SRIO高速相连，在传输数据时易受到外界干扰，产生误码；其次模数转换器ADS54J66芯片工作在最高采样率500Msps情况下，与FPGA之间的JESD204B通信协议数据链路速率为10Gbps，导致现场可编程逻辑门阵列FPGA器件功耗较大，导致装置的稳定性能较低；最后，该系统采用的数模转换ADS54J66芯片，采样率较低，不能直接对射频采样，需要引入模拟下变频电路和模拟滤波电路才可使用，增加设计难度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置。
实现本发明的具体思路是，通过以一片射频片上系统RFSoC芯片为核心处理器实现合成孔径雷达SAR成像处理。本发明先使用射频片上系统RFSoC芯片内部的4Gsps采样率模数转换功能组件对射频段的雷达回波信号直接采集；然后使用射频片上系统RFSoC芯片的逻辑资源对雷达回波信号进行数字下变频处理、抽取滤波处理以及脉冲压缩处理等预处理流程；接着在射频片上系统RFSoC芯片内部将预处理结果传递给芯片内部的嵌入式处理单元，进行SAR成像；最后通过射频片上系统RFSoC芯片的千兆以太网接口输出成像结果数据。
本发明包括射频RF转换单元、时钟单元、程序加载单元、以太网接口单元、内部缓存单元、波控接口单元，还包括射频片上系统RFSoC芯片单元；所述的射频RF转换单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过差分接口相连，所述的时钟单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过低电压差分接口相连，所述的程序加载单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，所述的以太网接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过链路口相连，所述的内部缓存单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，所述的波控接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过串行接口和总线接口相连。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明以射频片上系统RFSoC芯片单元为核心进行雷达回波信号模数转换、信号处理和通信控制，克服了现有技术由于使用一片模数转换器芯片+一片可编程逻辑门阵列器件FPGA芯片+多片数字信号处理器DSP芯片的多芯片结构造成SAR成像实时信号处理装置的结构繁杂，体积较大的缺点，使得本发明结构简单，体积较小，可实现SAR成像实时信号处理系统小型化的优点。
第二，本发明使用的是千兆速率的以太网物理层PHY芯片DP83867IRPAP进行SAR成像结果数据的传输，克服了现有技术由于使用百兆速率的以太网物理层PHY芯片W5300造成的传输速率低，系统延时较大的缺点，使得本发明数据传输快，实时性能高的优点。
第三，本发明使用的是射频片上系统RFSoC芯片直接对射频采样，克服了现有技术由于使用数模转换ADS54J66芯片的采样率较低，不能直接对射频采样，需要引入模拟下变频电路和模拟滤波电路才可使用，增加设计难度的缺点，使得本发明电路结构简单，降低设计难度的优点。
第四，本发明使用的是射频片上系统RFSoC芯片为核心处理器，芯片的内部可编程逻辑门阵列资源与芯片内部的嵌入式单元通过芯片内部总线相连，克服了现有技术中通过印制电路板上多组串行走线构成的传输链路，使得在传输数据时易受到外界干扰，产生误码的缺点，使得本发明数据传输误码率低，可靠性强的优点。
第五，本发明使用的是射频片上系统RFSoC芯片完成雷达信号的采集与处理，采用内部128位并行数据总线传输数据，克服了现有技术由于使用模数转换器ADS54J66芯片与可编程逻辑门阵列FPGA之间的JESD204B通信协议的高速数据链路带来的功耗较大，装置的稳定性能较低的缺点，使得本发明功耗较低，稳定性能强的优点。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的程序加载单元与射频片上系统RFSoC芯片单元之间的连接示意图；
图3为以太网接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元之间的连接示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参考附图1，对本发明的整体电路做进一步的描述，
本发明的整体电路包括射频RF转换单元、时钟单元、程序加载单元、以太网接口单元、内部缓存单元、波控接口单元，还包括射频片上系统RFSoC芯片单元。
本发明的实施例中，所述的射频RF转换单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过差分接口相连，所述的射频RF转换单元输出接口共有四路差分接口，所述射频片上系统RFSoC芯片单元的差分接口为芯片的模数转换资源采样接口，射频RF转换单元输出接口通过印制电路板上特征阻抗为100欧姆的传输线连接到系统射频片上系统RFSoC芯片单元的差分接口。
本发明的实施例中，所述的时钟单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过低电压差分接口相连，所述的时钟单元低电压差分接口为LMK04028芯片的时钟输出接口，所述的射频片上系统RFSoC芯片单元低电压差分接口为芯片的模数转换资源时钟接口，时钟单元低电压差分接口通过低电压差分信号LVDS电平标准的印制板传输线连接。
参考附图2，对程序加载单元与射频片上系统RFSoC芯片单元之间的连接做详细描述。
所述的程序加载单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，程序加载单元中主要器件是加载芯片，通过总线接口连接到射频片上系统RFSoC芯片上，总线接口采用以下的信号线：CCLK为时钟，nCE为片选信号，RSTN为复位信号，DQ[3:0]为四位宽的数据信号。
参考附图3，对以太网接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元之间的连接做详细描述。
所述的以太网接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过链路口相连，主要涉及的是以太网PHY芯片与射频片上系统RFSoC芯片之间的连接链路，该链路采用以下的信号线：SGMII-OUT_P和SGMII-OUT_N为一对差分的发送数据信号，SGMII-IN_P和SGMII-IN_N为一对差分的接收数据信号，SGMII-CLK_P和SGMII-CLK_N为一对差分的时钟信号，MDIO为双线数据信号，MDC为时钟信号，PDWN为掉电控制信号，RSTN为复位信号。
所述的内部缓存单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，该总线接口采用以下的信号线：14位宽的A[13:0]地址信号，Control信号线，四组DQ[15:0]组成的64位宽数据信号，四组DQS[1:0]组成的8位宽同步信号，四组DM[1:0]组成的8位宽数据控制信号。
所述的波控接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过串行接口和总线接口相连。串行接口采用以下信号线：TX信号线为数据发送，RX信号为数据接收。总线接口为16位宽的LVTTL总线。串行接口连接到波控接口单元中的RS422芯片上，总线接口连接到波控接口单元中电平转换芯片上
所述的射频RF转换单元包括四个SMP-JWHD型号的连接器、四个BD1631J50100AHF型号的BALLUN变压器，其中每个连接器与一个变压器在印制电路板上通过一根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线两两相连。
所述的时钟单元包括一个SSMA型号的连接器、一个LMK04028型号的时钟芯片，连接器与时钟芯片在印制电路板上通过一根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线相连。
所述的程序加载单元采用MT25QU02CBB8E-0SIT型号的FLASH加载芯片，加载芯片端口的传输总线特征阻抗为50欧姆。
所述的以太网接口单元包括一个DP83867IRPAP型号的以太网物理层PHY芯片、一个HR911130A型号的连接器，所述以太网物理层PHY芯片在印制电路板上通过4对传输特征阻抗为100欧姆的差分传输线与连接器相连。
所述的内部缓存单元采用四片MT40A512M16JY-075E型号的双倍速率同步动态随机存储器DDR4芯片。
所述的波控接口单元包括一个SN74LVCH16T245型号的电平转换芯片、一个IL3522型号的平衡电压数字接口芯片、一个J63A-2E2-031-331-TH型号的连接器，所述电平转换芯片与连接器在印制电路板上通过16根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线相连，平衡电压数字接口芯片与连接器在印制电路板上通过4对传输特征阻抗为100欧姆的差分传输线相连。
所述的射频片上系统RFSoC芯片单元采用一个XCZU28DR-2FFVG1517E型号的射频片上系统RFSoC芯片，用来对雷达输出的中频回波进行采样，数字下变频、脉冲压缩、实时成像的处理。射频片上系统RFSoC芯片内部集成了四通道十二位模数转换核，每通道采样率高达4Gsps，直接对雷达中频信号进行采集。使用芯片的内部逻辑单元和嵌入式处理单元，进行SAR成像流程。
本发明的工作原理如下：
连接系统。用射频馈线通过SMP-JWHD接口将雷达前端回波信号接口与射频RF转换单元连接，用射频馈线通过SMA接口将雷达前端时钟接口与时钟单元连接，用网线通过以太网接口单元与PC主机连接，用总线将波控接口与雷达前端波控系统连接。
系统供电。射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口读取程序加载单元内的数据，完成程序的加载任务。通过波控接口单元配置雷达前端波控系统，完成雷达前端的状态初始化以及控制。时钟单元使用雷达前端时钟接口传递进来的时钟信号作为参考，完成频率的锁定，并输出一路125M时钟信号供给射频片上系统RFSoC芯片单元。射频片上系统RFSoC芯片单元将达前端回波信号转换成差分雷达回波信号，传递给射频片上系统RFSoC芯片单元。射频片上系统RFSoC芯片单元启动芯片内部的模数转换功能，对差分雷达回波信号进行采集，使用芯片内部逻辑资源进行预处理，实现数字下变频和脉冲压缩功能，将处理后的数据通过芯片内部总线连接到嵌入式处理单元，进行SAR成像处理，处理后的结果通过以太网接口单元输出到PC主机显示图像。
Claims (8)
1.一种基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，包括射频RF转换单元、时钟单元、程序加载单元、以太网接口单元、内部缓存单元、波控接口单元，其特征在于，还包括射频片上系统RFSoC芯片单元；所述的射频RF转换单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过差分接口相连，所述的时钟单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过低电压差分接口相连，所述的程序加载单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，所述的以太网接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过链路口相连，所述的内部缓存单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过总线接口相连，所述的波控接口单元与射频片上系统RFSoC芯片单元通过串行接口和总线接口相连。
2.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的射频RF转换单元包括四个SMP-JWHD型号的连接器、四个BD1631J50100AHF型号的变压器，其中每个连接器与一个变压器在印制电路板上通过一根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线两两相连。
3.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的时钟单元包括一个SSMA型号的连接器、一个LMK04028型号的时钟芯片，连接器与时钟芯片在印制电路板上通过一根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线相连。
4.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的程序加载单元采用MT25QU02CBB8E-0SIT型号的加载芯片，加载芯片端口的传输总线特征阻抗为50欧姆。
5.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的以太网接口单元包括一个DP83867IRPAP型号的以太网物理层PHY芯片、一个HR911130A型号的连接器，所述以太网物理层PHY芯片在印制电路板上通过4对传输特征阻抗为100欧姆的差分传输线与连接器相连。
6.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的内部缓存单元采用四片MT40A512M16JY-075E型号的双倍速率同步动态随机存储器DDR4芯片。
7.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的波控接口单元包括一个SN74LVCH16T245型号的电平转换芯片、一个IL3522型号的平衡电压数字接口芯片、一个J63A-2E2-031-331-TH型号的连接器，所述电平转换芯片与连接器在印制电路板上通过16根传输特征阻抗为50欧姆的单端传输线相连，平衡电压数字接口芯片与连接器在印制电路板上通过4对传输特征阻抗为100欧姆的差分传输线相连。
8.根据权利要求1所述的基于射频片上系统RFSoC芯片的SAR成像实时信号处理装置，其特征在于，所述的射频片上系统RFSoC芯片单元采用一个XCZU28DR-2FFVG1517E型号的射频片上系统RFSoC芯片。
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2019
- 2019-05-30 CN CN201910465065.6A patent/CN110174672A/zh active Pending
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