文献推荐——用于阵列天线系统的RFSoC的数字收发处理器

发布时间:

2026-03

前言

射频片上系统（RFSoC）在单板上实现雷达信号生成和阵列信号处理用于相控阵天线（包括子阵列或是全数字阵列）方面有不少挑战。开发者设计了并使用了一种基于RFSoC的发射/接收数字处理器（TRDP）。该处理器利用RFSoC技术实现信号生成、脉冲压缩及数字波束成形和高速数据传输。开发者在由81个子阵列组成的测试平台上评估和验证了雷达信号生成和信号脉冲压缩质量。此外，采用了多瓦片同步（MTS）实现阵列天线的相干性，并验证了RFSoC之间的相位同步。

（注：本文数据来源-大韩民国国防发展局）

一介绍

现代战争要求高科技雷达系统具备高距离分辨率、抗干扰能力以及出色的目标探测能力。雷达系统中的数字技术允许数字波束形成、高质量信号生成和灵活的信号处理。同时，它使雷达波形能够根据系统的运行场景进行灵活调整。相控阵雷达结合相控阵天线和数字技术，非常适合紧急应用和广泛的场景。现有的阵列雷达信号处理系统由离散的ADC/DAC和多级微波频率转换组成，对于资源受限的应用往往需要更大的体积、重量和功耗，同时信号还要求高采样率和宽带宽。

AMD RFSoC 拥有多个以高速采样频率运行的 DAC 和 ADC，具备保持相控阵天线同步的 MTS 功能，并能够在无需额外外部专用芯片的情况下传输大量高速采样数据。上述特性足以满足现代相控阵雷达所需的雷达性能。

本文介绍了一种可应用于包含混合子阵的相控阵天线系统的收发数字处理器的设计与实现。文中解释了基于系统硬件配置的TRDP结构设计，以及包括数字信号处理和波束形成在内的系统软件结构设计，同时讨论了子阵之间的MTS设计。此外，还利用由81个子阵组成的测试台进行了波形生成、通过回环测试的脉冲压缩结果以及接收多波束形成测试。

·阵列天线系统架构

雷达的阵列天线系统架构由三个主要部分组成：发射/接收数字处理器(TRDP)、射频前端和天线阵列。系统架构如所下图示。

发射/接收数字处理器生成和接收中频信号，并与外部控制器交互，控制整个阵列天线系统。同时，它还进行数字信号处理，例如用于目标探测的脉冲压缩和子阵列基础上的数字波束形成。

TRDP 由UltraScale+ RFSoC、一个低抖动时钟转换器、中频接口模拟电路和电压调节器组成。在阵列天线系统中，多个 TRDP 通过光通道互连至天线控制单元。射频链路负责接收和发送射频信号，并根据工作频段具有上/下变频功能。如果频率低于 C 波段，TX/RX 通道可以通过滤波器、放大器和接口电路直接连接到天线阵列。发射/接收模块（TRM）对 TX 信号进行放大，并通过低噪声放大器接收返回信号。阵列天线发射射频信号并接收来自目标的返回信号。天线的功率增益和波束宽度与方向性和有效天线孔径相关。为了避免系统覆盖中出现栅瓣，需要合适的辐射单元间距和单元数量组合。

·TRDP的硬件设计

如图所示，集成了ZU49DR RFSoC芯片的发射/接收数字处理器的硬件架构。该RFSoC在片上系统(SoC)中集成了高性能ADC和DAC，用集成的直接RF采样技术取代了分立的数据转换器，并在芯片上集成了高速数据链路，从而实现功耗和封装尺寸降低50–75%。其16 GSPS采样率的DAC和8 GSPS采样率的ADC可以实现信号的采集和传输，而且其0~6 GHz的宽模拟带宽、片上数字上变换器(DUC)以及片上数字下变换器(DDC)可以实现直接RF输入/输出或中频输入/输出，通过上下变换实现信号频率的转换。RFSoC连接到DDR存储器，可实现大容量阵列数据的快速缓存。

·多瓦片及多芯片同步

为了实现TRDP中芯片之间的同步，每个TRDP使用低抖动和低时延偏差的LMK04828时钟清理器，同时为多个RFSoC提供时钟，为整个系统各通道之间的同步工作提供硬件基础。RFSoC电路采用精密的PCB布局和布线，并且IF信号的外部接口使用50欧微带线，这可以更好地保证多通道的一致性和隔离性。分别测试了ADC通道之间、DAC通道之间、ADC通道与时钟之间以及DAC通道与时钟之间的隔离情况。测试结果表明，在工作频率范围0~3 GHz内，通道之间的隔离大于−60 dBc。

· TRDP RFSoC固件架构设计

固件架构包括I/O控制、波束数据交换、波形处理、接收链(RX_chain)、发射链(TX_chain)、多单元同步、信号处理以及相控阵数字多波束形成。I/O控制的功能是通过调度器时序控制内部FIFO以及外部设备，这些外部设包括射频链(RF chain)和TRM。波束数据通过10G Aurora通道进行交换。

二、系统架构设计

波形处理是实现基带信号的代码生成和存储，基于雷达参数，如脉冲宽度和信号带宽。RX链和TX链涉及由射频数据处理中频信号。在数据转换前后，通过射频数模转换器（RFDC），其由多个ADC和DAC组成，包括DUC、DDC、抽取、插值等操作，以实现RFSoC的中频架构。

三、测试

TRDP根据控制器的指令生成波形，并与PRT同步，将雷达信号传输到射频链。图(a)为带宽为3MHz、脉冲宽度为10微秒的LFM频谱。LFM中心频率经射频链转换为X波段并进行测量。通过环回路径将相同信号发送到ADC后得到脉冲压缩结果如图(b)所示。脉冲压缩在频域中实现，方法与公式(3)相同，并使用Taylor加权函数控制时间旁瓣。时间轴旁瓣约为37dBc，主瓣宽度约为0.3微秒，满足脉冲压缩比为30的要求，距离分辨率为50米。TRDP是一块板卡，用于在由多个子阵组成的阵列天线系统中数字化执行发射和接收过程。根据阵列天线的通道和子阵数量，可以使用多个TRDP，而TRDP之间的相位同步是决定阵列天线性能的重要因素。图6(c)显示了通过简单统计分析获得到TRDP通道间相位同步性能。蓝线表示执行MTS前通道间的相位差，平均值偏差约为52.7度。而橙线表示执行MTS后通道间的相位差，通道间相位差减少了8.3度。