柯林斯的ORCHA—基于RFSoC的系统级封装

发布时间:

2026-03

柯林斯航空航天公司是长期为飞行员提供可靠的天气雷达系统并且保证航空旅客安全的供应商。柯林斯航空航天公司开发了一个灵活的2-18GHz数字波束形成构建块—这是一个多板解决方案，由一个可重新配置的SiGe收发器和Xilinx RFSoC组成，其中包含数据转换器和数字波束形成引擎。

柯林斯证明了将通用模块与低成本、双极化S-Band天线阵列配对用于多波束数字形成的可行性。基于这些经验和最近的微电子技术进步，柯林斯正在开发ORCHA（Opensystems RFSoC Hybrid Assembly）。ORCHA是一个高度集成的系统级封装，其实包含了Xilinx RFSoC 和所有支持的电子器件、功率转换、内存和时钟产生于一个紧凑的封装内。

1.数字系统

ORCHA旨在简化可伸缩雷达和RF系统的设计和组装：

ORCHA可以支持一个系统，该系统可能包含数百个RF通道
第三代RFSoC现在可以直接采样高达6GHz的RF信号，因此不再需要用于S-Band雷达系统的频率上下转化版
ORCHA接收DAC采样时钟（几GHz）或较低频率的时钟（几百MHz）作为RFSoC的参考时钟

支持多个ORCHA系统之间同步数据转换器采样时钟

2.数字处理架构

完全数字化的相控阵列概念的一个难点是必须传输和处理大量的数据。每个ORCHA SiP能够为每个通道生成高达500MHz的瞬时带宽的原始样本数据。例如，假设最小采样率为1.33GSPS和每个样本16位，每个天线通道能够产生21.28Gbit/s的数据。这意味着对于单一极化，每个DPPAR面板可以生成1.36Tbit/s的数据。这种处理要求是难以处理的，需要数据稀疏或其他的创新方法。

因此，DPPAR被设计成在阵列上进行大部分必要的计算。这既减少了所需的面板外信号处理、也减少了数据总量。为此，SiPs必须提供三个功能：本地数据处理、全局数据梳理和数据的管理。

Sip内置的FPGA逻辑资源提供了本地处理。本地处理的目的是单独管理每个天线元件的输入和输出，根据需要调整瞬时带宽。在此阶段，只提供波形/天线管理，例如：天线校准、下采样、发射波形的直接数字合成和脉冲压缩。每个FPGA包含16个本地处理系统的重复副本。如下图所示：

图1：本地处理配置示例

图2：选用的FPGA的性能

为了实现全局处理，SiPs必须能够与其他SiPs以及阵列外系统（如雷达信号处理器）通信。为了便于此，SiPs已经被组网成一个网状结构。这涉及到与最近邻居的高速数据连接，如图3所示，其中蓝色箭头是面板到面板的连接，黑色箭头是使用背板电路板上的专用路由的本地Sip到Sip连接。面板到面板的连接也以类似方式进行，使用每个面板的外围上的连接器。这些外围连接也可以用作从阵列到外部系统的连接点。可以使用多个联系来允许多个系统连接到单个阵列。

图3：SiP到SiP网络连接

数据和命令/控制信息通过在每个Sip上编程的路由逻辑在SiPs之间的这些连接上发送。

通过结合板上波束形成、智能数据路由和可调瞬时带宽，可以更有效地利用每个物理链接上的可用带宽；另外，对于单个波束，物理连接时未充分利用的，从而使网络上能够同时处理额外的波束。例如，使用前面的500MHz信号的Nyquist采样的示例，仅使用阵列上的波束形成就可以产生五个同时的波束。如果每个波束的瞬时带宽减少，同时的波束数量相应地增加。

除了提供数据转换功能之外，RFSoC还提供了阵列上的信号处理能力。这个功能可以用于通过下采样减少从面板提供的原始数据量，和/或计算特定应用的度量，比如雷达或通信监测。

目前RFSoC单芯片（Zynq UltraScale+XCZU49DR）可支持单板16通道ADC(14-bit、2.5Gsps)ports、16通道DAC（14-bit、9.85Gsps）ports。西安彼睿电子科技提供这样一种方案：通过demo工程演示如何配置并执导各个高速采样子板执行通道间多瓦片同步（MTS），以获得每次上电后稳定的通道间采样相位差。RFSoC多板同步技术通过硬件与软件协同，实现多块射频片上系统板卡间的时钟相位对齐和触发同步，确保各板卡ADC/DAC在皮秒级精度内协同工作。这项技术解决了分布式射频系统中"时序不宜正"等多项挑战，是现代高精度射频应用的基础设施。