CN111610497A - 一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，包括射频组件单元和机箱及其前后面板，所述射频组件单元、主控制单元、射频组件控制单元、接口单元、显控单元和电源单元均安装在机箱的内部，且机箱的前后面板设置了各类的输入输出接口以及人机交互界面，同时前面板包括16个IF信号输出接口(接口形式为SMA)、1个键盘(按键数为4×4)、1个LCD显示屏(尺寸为5")。该能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，可以实现输入端与输出端之间无阻塞的任意选通，以此实现系统要求的“单入单出、单入多出、多入单出、多入多出”等多种组合模式的信道拓扑连接关系，由此完成对指定信号的转接。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵雷达组网通信技术领域，具体为一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵。
背景技术
在基于中频交换的雷达组网通信验证与联试平台中，中频开关矩阵是其中最为关键重要的组成部分，它可以将多台调制解调器连接起来，使得某一调制器输出的信号转接到指定的解调器，并可以对无线冲突、链路质量等进行模拟，从而实现较真实、完整的雷达组网通信系统的测试与验证；
但是现有的开关矩阵，不可以实现输入端与输出端之间无阻塞的任意选通，不能实现多种组合模式的信道拓扑连接关系，不利于完成指定信号的转接，因此，我们提出一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，以便于解决上述中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，以解决上述背景技术提出的目前的开关矩阵，不可以实现输入端与输出端之间无阻塞的任意选通，不能实现多种组合模式的信道拓扑连接关系，不利于完成指定信号的转接的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，包括射频组件单元和机箱及其前后面板，所述射频组件单元、主控制单元、射频组件控制单元、接口单元、显控单元和电源单元均安装在机箱的内部，且机箱的前后面板设置了各类的输入输出接口以及人机交互界面，同时前面板包括16个IF信号输出接口(接口形式为SMA)、1个键盘(按键数为4×4)、1个LCD显示屏(尺寸为5")，且后面板包括16个IF 信号输入接口(接口形式为SMA)、16个以太网接口(接口形式为RJ45)、17 个串行接口(16个用于触发脉冲信号的输入，1个用于时钟信号输入，接口形式为DB9)、1个三相交流电源输入接口(接口形式为三芯矩形插座)等。
优选的，所述射频组件单元主要由16个相同的射频组件模块组成，而每个射频组件模块均包含1个1/16功分器、16个SPST、1个16/1功合器、1 个低噪声放大器、1个数控衰减器、1个定向耦合器以及1个检波器等构成。
优选的，所述主控制单元主要是由1片32位高性能、低功耗的ARM微处理器及其外围扩展的接口电路构成。
优选的，所述射频组件控制单元包含了16个相同的射频组件控制模块，每个模块控制一个对应的射频组件模块，且两个模块的电路都设计在同一块 PCB板上；同时每个射频组件控制模块均是采用1片FPGA来实现的。
优选的，所述接口单元主要由以太网接口模块和RS422(差分)接口模块组成。
优选的，所述电源单元由AC-DC电源转换模块、DC-DC电源转换模块和保护电路组成。
优选的，所述显控单元主要由键盘模块和LCD显示模块组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，可以实现输入端与输出端之间无阻塞的任意选通，以此实现系统要求的“单入单出、单入多出、多入单出、多入多出”等多种组合模式的信道拓扑连接关系，由此完成对指定信号的转接；
开关矩阵采用了多路功分/功合器技术、多路射频开关互联技术、嵌入式计算机控制技术以及现场可编程逻辑阵列技术，并配合新颖的简约化、集成化、模块化、无电缆交换的电路设计以及小型化、紧凑型立体式的结构设计，使得该设备具有以下功能与性能特点：
1.实现在外部控制下16路输入到16路输出信号的无阻塞全交换；
2.实现上行和下行等多通道中频信号之间的“单入单出，单入多出、多入单出、多入多出”互联功能；
3.具有本地手动控制、远程自动控制、掉电自动保护、上电自动恢复等功能；
4.开关矩阵的行和列能够灵活配置，满足不同信号路由的需求；
5.开关矩阵具有高准确性、高可靠性以及快速性，满足通道实时切换的要求；
6.开关矩阵的电路和结构设计合理，避免通道间的信号串扰，尽量减小信号失真，满足设备可扩展性的要求；
7.具备频带宽、开关速度快、隔离度高、带内幅/频特性平坦、相位不平衡度小、一致性好以及稳定可靠等性能优点。
附图说明
图1为本发明提供的开关矩阵使用的雷达组网通信验证与联试平台的组成结构图；
图2为本发明提供的开关矩阵系统组成框图；
图3为本发明提供的开关矩阵中频信号处理流程图；
图4为本发明提供的开关矩阵监控信号处理流程图；
图5为本发明提供的开关矩阵电源信号处理流程图；
图6为本发明提供的反射式开关及吸收式开关对比示意图；
图7为本发明提供的开关矩阵电源组成框图；
图8为本发明提供的ADG901的隔离及插损示意图；
图9为本发明提供的ECG-005主要指标特性示意图；
图10为本发明提供的MCU处理单元与FPGA处理单元交互通道状态的数据定义示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，包括射频组件单元和机箱及其前后面板，所述射频组件单元、主控制单元、射频组件控制单元、接口单元、显控单元和电源单元均安装在机箱的内部，且机箱的前后面板设置了各类的输入输出接口以及人机交互界面，同时前面板包括16个IF信号输出接口(接口形式为SMA)、1个键盘(按键数为4×4)、1个LCD显示屏(尺寸为5")，且后面板包括16个IF信号输入接口(接口形式为SMA)、16个以太网接口(接口形式为RJ45)、17个串行接口(16个用于触发脉冲信号的输入，1个用于时钟信号输入，接口形式为 DB9)、1个三相交流电源输入接口(接口形式为三芯矩形插座)等。
进一步的，所述射频组件单元主要由16个相同的射频组件模块组成，而每个射频组件模块均包含1个1/16功分器、16个SPST、1个16/1功合器、1 个低噪声放大器、1个数控衰减器、1个定向耦合器以及1个检波器等构成，所述主控制单元主要是由1片32位高性能、低功耗的ARM微处理器及其外围扩展的接口电路构成，所述射频组件控制单元包含了16个相同的射频组件控制模块，每个模块控制一个对应的射频组件模块，且两个模块的电路都设计在同一块PCB板上；同时每个射频组件控制模块均是采用1片FPGA来实现的。
进一步的，所述接口单元主要由以太网接口模块和RS422(差分)接口模块组成，所述电源单元由AC-DC电源转换模块、DC-DC电源转换模块和保护电路组成，所述显控单元主要由键盘模块和LCD显示模块组成，进行集成化设置，便于操作管理使用。
进一步的，如图2中其中的射频组件单元内部的拓扑连接关系，开关矩阵中，每个1/16功分器(共16个)的输入端口都分别接入1路IF输入信号(共16路)；且每个16/1功合器(共16个)的输入端口都分别连接着1只 SPST(共256只)，每只SPST开关都能通过射频组件控制单元发送的开关控制信号(1位)进行选通；
假定(i,j)代表1/16功分器或16/1功合器的第i个的第j号支路，“→”代表连接，则功分器与功合器的拓扑连接关系是(i,j)→(j,i)，即第i个功分器的第j号输出支路与第j个功合器的第i号输入支路相连。
比如(1,2)→(2,1)、(16,15)→(15,16)、……；
同时每个16/1功合器的输出端依次连接低噪声放大器、数控衰减器和定向耦合器(共16路)，其中数控衰减器可以通过射频组件控制单元发送的衰减控制信号(5位并行信号)进行通道衰减量的控制；且每个定向耦合器的输出端口分别输出1路IF信号(共16路)，其耦合端口连接一个检波器，以此对通道信号的电平强度进行指示。
以16路IF信号的其中一路来分析其处理流程，其它路与之类似，其具体为：
1.将来自调制器的输入IF信号首先经过1/16功分器将其分成16路等功率信号；
2.这16路中每一路信号均分别经过一只SPST(由射频组件控制单元发送指令信号进行选通)后，并按照功分器与功合器的拓扑连接关系，输出到16/1 功合器相应的输入端口；
3.16/1功合器将其输入端口的所有信号合成1路后，再经低噪声放大器对其进行功率放大，以补偿信号经过功分/合器带来的衰减损耗；
4.低噪声放大器的输出信号经过数控衰减器(由射频组件控制单元发送指令信号进行衰减量控制)对其进行功率强弱控制，以此模拟实际信道的衰落特性；
5.数控衰减器的输出信号经过定向耦合器后，一路直接输出给解调器，另一路经过检波器转换成直流电平信号，以此来指示通道信号功率的强弱。
进一步的，结合图3所示，其开关矩阵的SPST开关阵列的设置影响着单发单收(对应点对点通信模式)、单发多收(对应广播通信模式)、多发单收 (对应阻塞通信模式)和多点同时收发(对应组网通信模式)等四种基本工作模式的工作情况，因此需要对开关矩阵基本工作模式进行设置，
为了表示，各符号代表含义如下表；
一、在进行单发单收模式设置时：
如果要求i→j、其余端口无信号输出时，那么只要将ji设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”；
比如，设定i＝1、j＝16，如果要求1→16,即实现第1号输入端口与第16 号输出端口的连接，则按如上所述将161(即第16个功合器的第1号支路上的 SPST)设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”即可。
二、在进行单发多收模式设置时：
如果要求i→N、其余端口无信号输出时，那么只要将Ni均设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”；
比如，设定i＝3、N＝1,2,…,15,16，如果要求3→1,2,…,15,16,即实现第3号输入端口与从第1号到第16号所有输出端口的连接，则按如上所述将 13,23,…,153,163(即16个功合器的所有第3号支路上的SPST)设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”即可。
三、在进行多发单收模式设置时：
如果要求M→j、其余端口无信号输出时，那么只要将jM均设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”。
比如，设定j＝11、M＝{m＝2i}(i＝1～8)，如果要求M→j,即实现第2、4、…、 16号输入端口与第11号输出端口的连接，则按如上所述将112,114,…,1116(即第11个功合器的第2、4、…、16号支路上的SPST)设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”即可
三、在进行多点同时收发模式设置时：
如果要求M→N且Mi→Nj、其余端口无信号输出时，那么只要将 ji(i∈M,j∈N)均设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”。
比如，设定M＝1,2,…,15,16、N＝1,2,…,15,16，如果要求1→2、2→3、…、15→16、16→1，即实现所有节点组成一个环形的通信网，则按如上所述将 21,32,43,…,,1514,1615,116(即第j个功合器的第j-1(j＝2,3,4,…,16)号支路与第1个功合器的第16号支路上的SPST)设置为“导通”，其余所有SPST设置为“关断”即可。
开关矩阵的监控信号包括设备的控制信号和状态信息两部分，其中控制信号包含了远程的控制指令数据、触发脉冲信号和时间信号以及本地的控制指令数据；状态信息包含了射频组件单元的开关状态/衰减状态/信号功率状态、控制单元的CPU状态/存储器状态/DMA状态/FPGA状态、接口单元的连接状态、电源单元的过压/欠压/过流状态以及设备工作日志等；
在对监控信号进行处理的单元包括主控制单元、射频组件控制单元、接口单元以及显控单元，其单元内部以及单元之间的拓扑连接关系如图4中：
特别的，其中接口单元包含了以太网接口模块和RS422接口模块。
以太网接口模块主要功能是从上位机接收以太网数据，然后将其转换成串行数据，并通过SPI接口输出；反向传输数据亦可，由此完成上位机与主控制单元之间的网络通信，即起到通信桥梁的作用，且以太网接口模块内部由16个网络隔离变压器、1个16口以太网交换机和1个以太网控制器(含 TCP/IP协议栈、以太网MAC及PHY)组成；其中，网络隔离变压器的作用是除了对完成对网络信号传输外，还能起到高压隔离、阻抗匹配以及电磁干扰抑制等功能；16口以太网交换机的作用是将上位机传送过来的16路以太网信号合成一路，并按照约定的接口协议进行分时处理；以太网控制器的作用是将以TCP/IP通信协议传输的网络数据与以SPI总线协议传输的串行数据进行相互转换，并完成与MCU之间的数据收发，并且16个网络隔离变压器通过基于TCP/IP通信协议的网络总线(8线)分别与16口以太网交换机的输入端相连；以太网交换机输出端同样通过网络总线与以太网控制器的输入端相连；以太网控制器的输出端通过SPI总线(4线)与MCU的SPI接口模块相连。
RS422接口模块主要功能是完成对由系统时钟同步及分配设备发送的时钟同步信号(RS422差分)和由系统网络管理板发送的触发脉冲信号(RS422 差分)的接收，并将其发送给主控制单元和射频组件控制单元，且RS422接口模块内部由17个相互独立的RS422隔离收发器组成，其作用是除了完成对 RS422差分信号的接收外，还能起到高压隔离、阻抗匹配以及电磁干扰抑制等功能。17个RS422隔离收发器中的其中一个收发器通过半双工RS422差分信号总线(2线)完成对时钟同步信号的接收，并将其以TTL电平的串行信号线 (1线)分别发送给主控制单元的时钟模块和16个射频组件控制模块中的时钟电路；其余16个RS422隔离收发器同样通过半双工RS422差分信号总线分别对应接收来自网络控制板的16路触发脉冲信号，并将其以TTL电平的串行信号线分别发送给16个射频组件控制模块中的触发器。
此外，主控制单元是采用一片32位基于最新一代的嵌入式ARM处理器的 MCU来实现的，本设备实现涉及的核心模块主要包括ARM32位CPU、DMA控制器、存储器模块、时钟模块、ADC转换器模块、SPI接口模块、GPIO接口模块和显控接口模块等。
ARM处理器为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM处理器主要完成对指令数据和状态信息的解析和处理。
DMA控制模块包含了12通道的DMA控制器，它主要用来管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输；DMA控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。
存储器模块内置了512K字节的嵌入式FLASH存储器，用于存放程序和数据；此外存储器模块还内置了64K字节的嵌入式SRAM存储器，可以以CPU时钟速度进行读写(不带等待状态)。MCU的运行程序以及设备的状态信息和日志记录存储在FLASH中，而设备在运行过程中的缓存以及中间数据则存放在 SRAM中。
时钟模块包括了内部时钟源和外部时钟源。系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部时钟源被选为默认的CPU时钟，随后可以选择具有失效监控的高速、高精度的外部时钟源；当检测到外部时钟失效时，它将被隔离，系统将自动地切换到内部时钟源；如果使能了中断，软件可以接收到相应的中断。时钟模块就是通过高速外部时钟接口(1线)直接接入由接口单元转换成TTL电平的1pps外部时钟同步信号的。
ADC转换器模块内嵌3个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换；在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换；此外，ADC可以使用DMA操作。ADC转换器模块主要完成对来自射频组件单元的16路RSSI信号(每一路RSSI占用1根模拟信号线)从模拟信号到数字信号的转换功能。
SPI接口模块包含了3个SPI接口，在主或从模式下，全双工和半双工的通信速率可达18兆位/秒；所有的SPI接口都可以使用DMA操作。SPI接口模块主要完成MCU与接口单元中以太网控制器之间的数据通信功能。
GPIO接口模块包含了80个GPIO接口(也称为并行I/O)，每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口；多数GPIO引脚都与数字或模拟的复用外设共用；除了具有模拟输入功能的端口，所有的GPIO引脚都有大电流通过能力。GPIO接口模块通过软件设置来模拟16个UART接口(每个UART接口需要2个GPIO接口组成，即占用2根TTL电平的串行信号线)，以此完成MCU与16个射频组件控制模块之间的数据通信功能。
显控接口模块包括PS/2键盘控制接口和支持8080模式LCD并行接口等。 PS/2键盘控制接口也是使用2个GPIO接口通过软件设置来模拟实现的，并直接与显控单元的键盘控制模块进行通讯；MCU通过设置其内部嵌入的灵活静态存储控制器(FSMC)并结合DMA和GPIO口来模拟实现8080总线接口，并与显控单元的LCD驱动模块直接连接。
MCU通过内部总线和两条APB总线将片上系统和外设资源紧密地连接起来，其中内部总线是主系统总线，连接了CPU、存储器和系统时钟等；APB1 总线连接高速外设，APB2总线连接系统通用外设和中断控制。
而如上所述，射频组件控制单元包含了16个相同的射频组件控制模块，每个模块对应控制1个射频组件模块，且这两个单元模块会被集成在同一个电路板上以此来简化设备内部的连接电缆。
每个射频组件控制模块均是通过1片FPGA电路来设计实现的，它由UART 收发器、FIFO数据缓存器、锁存器、时钟电路、触发器等电路组成。
UART收发器的主要功能是实现射频组件控制模块与MCU之间的数据通讯；它通过收/发两根TTL电平信号线并基于异步串口通信协议与MCU的GPIO接口模块中的两个GPIO口直接相连，由此完成射频组件控制信号的接收以及状态信息的回传。
FIFO数据缓存器的基本单元是寄存器，它的主要功能是先将UART收发器接收的射频组件模块控制指令数据进行存储，再按照先入先出的原则将数据依次传递给锁存器。FIFO数据缓存器与普通存储器的区别是没有外部读写地址线，其数据地址由内部读写指针自动加1完成，这样使用起来非常简单，但缺点就是只能顺序写入数据，顺序的读数据。
锁存器有两个(1个有16位输出数据线，1个有5位输出数据线)，它们分别将FIFO数据缓存器传递过来的开关和数控衰减器的控制指令数据进行锁存，并在触发器接收到的外部触发脉冲的作用下统一将数据发送给相应的射频组件；同时，它们还需要将开关和衰减器的控制信号已发送的状态信息通过UART收发器反馈给MCU。
时钟电路的主要功能是接收外部同步时钟信号，并将其分发给UART收发器和FIFO数据缓存器；触发器的主要功能是接收外部触发脉冲信号，并将其分别作用到两个锁存器上
同时，显控单元包括键盘控制模块及键盘和LCD驱动模块及LCD显示屏等，其中键盘控制模块及键盘主要用于本地控制指令数据的输入；LCD驱动模块及LCD显示屏主要用于设备工作状态信息的显示。
设备的输入装置采用4*4键模式的行列式小键盘，其键盘控制模块与MCU 之间采用的是一种双向同步串行通讯协议——PS/2通信协议。通讯的两端通过CLOCK(时钟信号端)同步，并通过DATA(数据端口)交换数据。任何一方如果想要抑制另外一方的通讯时，只需要把CLOCK拉倒低电平。因此键盘控制模块仅使用到两条传输信号线(2线)，一条为时钟线，另一条为数据线，且它们必为三态并具有双向传输特性。
设备的LCD显示屏采用的是具有低功耗、平板化、亮度高、无辐射、体积小、重量轻、显示品质优良等特点的5吋彩色的TFT-LCD。与其对应的LCD 驱动模块的主体部分由多路电压源、能够给出正确数字逻辑信号的电路以及为了看出显示画面而设计的背光驱动电路构成。这种驱动电路需要MCU给出像点时钟、数据使能信号和RGB数据信号，因此LCD驱动模块与MCU的接口通过8080总线(21线)来实现。
在进行监控信号处理时，如下：
一、远程控制指令数据的处理流程
首先，来自上位机的16路远程控制指令数据通过接口单元中以太网接口模块合成1路后，并将其信号传输协议由TCP/IP以太网通信协议转换成SPI 通讯协议；
接着，接口单元通过主控制单元中SPI接口模块将远程控制指令数据传递给CPU进行解析与处理，由此产生出各个射频组件(开关和数控衰减器) 的控制指令数据；
然后，CPU就将这些控制指令数据通过DMA控制器一方面传送给存储器模块进行存储，另一方面再经过GPIO接口模块以异步串口通讯协议发送给射频组件控制单元中的16个控制模块；
最后，通过各个射频组件控制模块中UART收发器将主控制单元发送过来的控制指令数据由串行转换成并行，并经过FIFO数据缓存器进行存储后，再分发给两个锁存器进行锁存；最后在外部触发脉冲信号的共同触发下统一将控制指令数据发送给各个射频组件中的开关和数控衰减器。
二、本地控制指令数据的处理流程
首先，本地控制指令数据通过显控单元中4*4的行列式键盘及其控制模块进行输入；
接着，主控制单元中显控接口模块以PS/2的接口协议接收本地控制指令数据，并将其传递给CPU进行解析与处理，由此产生出各个射频组件的控制指令数据；
往后的处理流程与上述一中的后序操作相同。
三、时钟信号和触发脉冲信号的处理流程
首先，来自系统时钟同步及分配设备的1路时钟信号和来自系统网络管理板的16路触发脉冲信号都是通过接口单元中RS422接口模块进行接收的，并且将其从RS422差分信号转换成TTL电平信号；
然后，时钟信号一方面被分发给主控制单元的时钟模块作为外部高速高精度的时钟源，以此协理其内部各个模块的时序工作；另一方面被分发给射频组件控制单元的各个模块的时钟电路，以保证模块中数据的接收和发送与系统同步；
最后，16路触发脉冲信号被分别发送给射频组件控制单元的16个模块的触发器，并由它共同触发锁存器将所有射频组件控制指令数据的统一发送给各个射频组件。
其中，状态信息包含了射频组件单元的开关状态/衰减状态/信号功率状态、控制单元的CPU状态/存储器状态/DMA状态/FPGA状态、接口单元的连接状态、电源单元的过压/欠压/开路/短路状态以及设备工作日志等。
四、状态信息的处理流程
射频组件控制单元的各个模块中的锁存器在给各个射频组件发送完控制指令数据的同时，它会将开关控制数据已发送和数控衰减器控制数据已发送的状态信息通过模块中的UART收发器反馈给主控制单元。
主控制单元的CPU首先会根据这个反馈信号从存储器中调取相应的控制指令数据，然后一方面通过其内部的DMA控制器和SPI接口模块将数据传递给接口单元，再经过接口单元中以太网接口模块上传给上位机；另一方面通过其内部的显控接口模块将该数据传递给显控单元，再经过显控单元中LCD 驱动模块送给LCD显示屏进行显示。
来自射频组件单元的16路RSSI信号即为通道信号功率状态信息，它们首先分别通过主控制单元中ADC转换器模块的16个采样通道将其从模拟信号转换成数字信号；然后通过DMA控制器调配，一方面将数据经过SPI接口模块传递给接口单元，再经过接口单元中以太网接口模块上传给上位机；另一方面经过显控接口模块将该数据传递给显控单元，再经过显控单元中LCD驱动模块送给LCD显示屏进行显示；此外还把该数据发送给存储器模块进行存储。
另外设备内部的其它状态如控制单元的CPU状态/存储器状态/DMA状态 /FPGA状态、接口单元的连接状态、电源单元的过压/欠压/过流状态等信息的远程上传和本地存储与显示的处理流程与上一步相同。
设备的每一步操作都会被主控制单元的CPU进行记录，并且将其作为工作日志存储在存储器模块的FLASH存储器中。
同时，对与开关矩阵而言，电源信号的处理电源信号的处理主要由电源单元来完成，其内部的拓扑连接关系如图5所示；
电源单元包括输入EMI滤波器、AC-DC转换模块、DC-DC转换模块以及检测和保护电路等四个部分。
输入EMI滤波器是一种低通滤波器，其主要功能是把电源功率毫无衰减地传输到设备上，而大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。
经过EMI滤波后的AC(220V)直接接入AC-DC转换模块；在模块内AC先经过整流电路和滤波电路转化为DC，再通过开关电路和高频变压器转化为高频电压，然后经过整流电路和滤波电路，最后输出低电压DC(+12V和+5V)；另外在模块的输出端有反馈电路来控制开关管的导通或截止，这种控制方法的设置，主要是实时调节输出电压大小，得到稳定的输出电压，同时也可控制电路的工作状态，使得主电路从输入电源处得到的能量和供给负载的能量维持平衡，即输入电压变化时，输出电压恒定。
AC-DC转换模块输出的DC(+12V和+5V)一方面直接给射频组件单元和显控单元直接供电；另一方面通过DC-DC转换模块中的多个电压转换器芯片变换成+3.3V给主控制单元、射频组件控制单元以及接口单元供电，并且各个电压转换器芯片与其被供电单元集成在一起，以此减少电源传输线上的损耗以及电磁干扰。
此外检测电路包括：过流检测、过压检测、欠压检测等；保护电路包括：过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路、软启动保护等。
而电源信号处理流程包括以下流程：
首先，来自于市电电网的AC(220V)经过输入EMI滤波器来抑制经电源线进入设备的电磁干扰以及抑制设备自身的传导发射辐射；
然后，滤波后的AC(220V)通过AC-DC转换模块转换成两种DC：+12和 +5V,并且它们被分成几路分别给射频组件单元的16个模块中的有源器件(如单刀单掷开关、放大器、数控衰减器、检波器等)、接口单元中的以太网交换机和显控单元的键盘及其控制模块以及LCD显示屏及其驱动模块直接供电；
最后，AC-DC转换模块输出的+5VDC需要通过DC-DC转换模块中的多个电压转换器芯片变换成+3.3V后给主控制单元中的ARM处理器、射频组件控制单元中的16个FPGA芯片以及接口单元中的以太网控制器和17个RS422收发器进行供电。
对于硬件方面，开关矩阵主要由开关矩阵通道单元、FPGA处理模块、CPU 处理模块、24口网络交换机及AC/DC电源模块组成：
开关矩阵包含了16组1/16分路器、256套单刀单掷开关、16组16/1合路器、16套增益补偿放大器、相应的连接电缆及控制线。为了直观显示其原理，图中只列出了四组合/分路器及4组开关，其余合/分路器及开关的连接关系可以依次类推。
从输入端口看，1/16分路器将输入信号分为16路通过电缆连接至16路单刀单掷开关的相应输入端口，确保了通过选择相应的开关通道可以输出最多16路同样的信号；从输出端口反推，16路组单刀单掷开关的输出端口通过电缆连接分别连接至16组合路器的相应的输入端口，每个输出端口可以通过开关选择是否传输该路输入信号，每个合路器分别连接了16个分路器的其中一路输入端。简单地说，1号分路器的16路输出端分别接到16个合路器的 1#输入端，2号分路器的16路输出端分别接到16个合路器的2#输入端，其他以此类推，16号分路器的16路输出端分别接到16个合路器的16#输入端，这样进而可以实现每路合路器输出多路输入信号。由此实现了开关矩阵“单入单出，单入多出、多入单出”的基本功能。
而对于合分路单元，为了实现“单入单出，单入多出、多入单出”的功能，本设备需要有16个功分器和16个合路器，16个功分器和16个合路器组成256路信号通路，实现了“单入单出，单入多出、多入单出”的功能。通过系统指标分析，推算出合分路部分的指标如下表所述。
| 频率范围 | 50–500MHz |
| 插损 | ≤20dB |
| 隔离 | ≥20dB |
| 驻波 | 1.4 |
| 相位平衡度 | 10deg |
| 幅度平衡度 | 1dB |
| 接头型式 | SMA |
| 最大输入功率 | 1W |
而对于单刀单掷开关单元；如图6中在开关矩阵中对“幅频特性”影响最大的是合/分路器的端口匹配状态，当合/分路器某一端口处于“开路”状态时合/分路器的端口失配，“幅频特性”恶化。为保证分路器及合路器的阻抗匹配，通道单元中的单刀单掷开关选用了吸收式开关，这样即使该通道未选通(开关处于关断状态)，吸收式开关的特性也保证了分路器/合路器的端口连接了负载，保证了其端口匹配特性，进而确保了系统的“幅频特性”这一参数。
通过芯片选型，最终选择吸收式开关的型号为：ADG901，其主要指标特性见图8；ADG901的隔离达到了40+，从而满足了整机输入隔离、输出隔离的要求，ADG901的在50—550MHz带内平坦度≤0.5，从而满足了整机要求。
由于分路器和合路器的插入损耗到了38dB，为了满足整机插入损耗≤ 17dB的要求，因此在通道单元的最终输出前采用了一路增益补偿放大器，以便来补偿增益。
通过芯片选型，最终选择放大器芯片的型号为：ECG-005，其主要指标特性见图9；ECG005B-G在50—550MHz带内,增益达到22.5dB，可以补偿的合分路器带来的损耗。ECG005B-G在500MHz内增益保持一致，不会对整机的增益平坦度带来影响。
此外，为保证系统对网络控制信号的相应速度，选用了24口网络交换机 (1000M)。其作用主要是将多路网络控制信号传输给MCU处理模块。其主要的功能是把16路控制信号合成一路控制信号，输出到MCU模块。
工控板处理单元共有1路1000M高速网口，这1路网口连接至网络交换机，这一路负责处理16组网络控制信号，实现控制信号的并行处理，这样提升了处理速度。
MCU处理单元的主要功能是解析网络控制信息，接收到网络控制信号后打包处理，将网络控制信号转换为10位的数字信号，该10位数字信号通过16 路I/O传输给FPGA相应的I/O用作解析，其中第1、2路用于控制1#FPGA模块，1#FPGA模块控制第1—32路开关通道的选通，其余依次类推，这样可以最大程度缩短网络控制信号的解析时间。选择其中一路数字信号所包含的信息示例如图10；MCU处理单元其他的功能还包括：1.提供一路VGA连接显示器，用于监视开关矩阵当前状态；2.处理FPGA反馈信息；3.处理外部提供的时钟信号。
而FPGA处理单元主要用于解析MCU处理单元发送的状态控制信息，并将这些信息解析后控制开关矩阵通道单元进行相应的切换。FPGA处理模块中共有8个FPGA芯片，8个FPGA芯片用于开关通道的控制。
在硬件连接关系方面，FPGA与其他模块连接关系见图1，其中1号FPGA 输入端连接MCU处理单元的1、2号I/O口，32端输出端连至通道单元的1— 16号通道单刀单掷开关的控制端和17—32号通道单刀单掷开关的控制端，用于选择相应的通道；其余依次类推。外部触发信号加载至每个FPGA的指定I/O 口，用于矩阵开关通道状态的变更。
FPGA处理单元在接收到MCU处理单元的通道控制指令处理后将通道选通状态储存在内部存储器内，随后等待时隙脉冲触发，一旦检测到脉冲信号立即对相应的I/O口进行配置，控制通道开关选择相应通道。这样可以最大程度确保系统的响应时间。
如图7所示，网络交换机采用独立交流供电，MCU处理单元、增益补偿放大器单元、FPGA处理单元、通道开关单元由电源模块供电。按电源设计30％的冗余量计算，AC/DC电源的5V支路的最大输出电流需求为10A；
而对于开关矩阵所使用的机箱，本方案中提供一下实施例：
采用19”标准插箱(8U)机箱作为本产品的机箱，表面采用氧化喷砂工艺处理，颜色为黑色或银色。为增加产品寿命及提高其稳定性，将采用无风扇设计，产品中的热能器件(FPGA、MCU、放大器)均自散热。
16路分路器横向并行安装，16路合路器竖立并行安装，RF电缆连接后平行等长，这样的安装结构便于RF的电缆的连接，且RF电缆的长度均等，这样的安装方式可以规避RF电缆对信号幅度带来的影响。
正面电源开关、电源指示灯、控制接口，RF输入接口，触发接口和RF输出口位于产品背面。
本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置以及方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图以及框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法以及计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能以及操作。在这点上，流程图或者框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或者代码的一部分，模块、程序段或者代码的一部分包含一个或者多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图以及/或者流程图中的每个方框、以及框图以及/ 或者流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或者动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或者两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或者使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或者部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一以及第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改以及变化。凡在本申请的精神以及原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号以及字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义以及解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或者替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，包括射频组件单元和机箱及其前后面板，其特征在于：所述射频组件单元、主控制单元、射频组件控制单元、接口单元、显控单元和电源单元均安装在机箱的内部，且机箱的前后面板设置了各类的输入输出接口以及人机交互界面，同时前面板包括16个IF信号输出接口(接口形式为SMA)、1个键盘(按键数为4×4)、1个LCD显示屏(尺寸为5")，且后面板包括16个IF信号输入接口(接口形式为SMA)、16个以太网接口(接口形式为RJ45)、17个串行接口(16个用于触发脉冲信号的输入，1个用于时钟信号输入，接口形式为DB9)、1个三相交流电源输入接口(接口形式为三芯矩形插座)等。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述射频组件单元主要由16个相同的射频组件模块组成，而每个射频组件模块均包含1个1/16功分器、16个SPST、1个16/1功合器、1个低噪声放大器、1个数控衰减器、1个定向耦合器以及1个检波器等构成。
3.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述主控制单元主要是由1片32位高性能、低功耗的ARM微处理器及其外围扩展的接口电路构成。
4.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述射频组件控制单元包含了16个相同的射频组件控制模块，每个模块控制一个对应的射频组件模块，且两个模块的电路都设计在同一块PCB板上；同时每个射频组件控制模块均是采用1片FPGA来实现的。
5.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述接口单元主要由以太网接口模块和RS422(差分)接口模块组成。
6.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述电源单元由AC-DC电源转换模块、DC-DC电源转换模块和保护电路组成。
7.根据权利要求1所述的一种能够实现无阻塞任意选通的开关矩阵，其特征在于：所述显控单元主要由键盘模块和LCD显示模块组成。
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