CN113872745A - 一种多通道信号同步系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道信号同步系统和方法。所述系统包括原子钟、同步脉冲源、信号处理板和融合处理板，所述原子钟分别与所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板通过等相射频电缆连接，所述同步脉冲源和所述信号处理板之间通过射频电缆进行连接，所述信号处理板与所述融合处理板之间通过光纤进行连接；信号处理板数量为多个，数量上限匹配于融合处理板选用的FPGA的高速串行IO口数量。方法为：进入信号同步模式、产生多通道同步脉冲信号、进行信号同步、验证信号同步状态、退出信号同步模式。本发明多通道信号同步系统和方法，可扩展性较强，升级空间较大，使用便利性大大提高。

Description

一种多通道信号同步系统和方法
技术领域
本发明属于雷达信号侦察技术领域，特别是一种多通道信号同步系统和方法。
背景技术
雷达信号侦察技术领域中，干涉仪体制的测向系统需要利用各接收通道之间的相位差进行方位计算，因此对各接收通道之间的相位一致性有严格的要求。雷达信号接收系统中，多通道信号同步是保证各接收通道之间相位一致性的第一步操作，是后续进行幅相一致性校正的前提，如果多通道信号同步不能完成，对后续的方位测量精度会有很大的影响。
传统的多通道信号同步系统和方法，大多是针对同一块印制板上的多个通道进行的。由于采样模块、信号检测模块、信号同步计算模块和信号同步控制模块都是在同一块印制板上，各节点的处理时钟可以满足同源同相位要求，而且各节点之间使用LVDS(低电压差分信号)进行传输即可以保证确定性的传输延时，因此LVDS同步难度较低。LVDS同步完成之后，即可以进行多通道信号同步，因此传统的多通道信号同步的流程较为简单。
上述系统和方法有两个明显的缺点：第一个缺点是，多个印制板之间的LVDS同步难度远远大于单个印制板内的LVDS同步难度，而且印制板数量越多难度增加越明显，系统可扩展性较差；第二个缺点是，LVDS传输速度受到硬件设计和传输协议的限制，升级空间有限。随着干涉仪体制测向系统的不断发展，天线布置形式越来越复杂，接收机输入通道个数越来越多、单通道数据传输速率越来越高，多个印制板之间并行接收数据已成为必然趋势，传统的多通道信号同步系统和方法已经很难满足需求，因此多个印制板之间的多通道信号同步问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多通道信号同步的系统和方法，实现多个印制板之间的多通道信号同步。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多通道信号同步系统，所述系统包括：原子钟、同步脉冲源、信号处理板和融合处理板，所述原子钟分别与所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板通过等相射频电缆连接，所述同步脉冲源和所述信号处理板之间通过射频电缆进行连接，所述信号处理板与所述融合处理板之间通过光纤进行连接；信号处理板数量为多个，数量上限匹配于融合处理板选用的FPGA的高速串行IO口数量。
一种多通道信号同步方法，所述方法基于所述的多通道信号同步系统，包括以下步骤：
步骤1、进入信号同步模式：融合处理板的信号同步控制模块，控制所述多通道信号同步系统进入信号同步模式；
步骤2、产生多通道同步脉冲信号：同步脉冲源根据融合处理板发送的控制信号，产生多通道同步脉冲信号；
步骤3、进行信号同步：信号处理板接收同步脉冲信号，并对信号数据进行可控延时、信号检测处理，然后发送至融合处理板；融合处理板计算各通道的延时信息，并反馈至信号处理板进行可控延时；
步骤4、验证信号同步状态：所述融合处理板的信号同步控制模块，控制多通道信号同步系统再次进行多通道信号同步，重复步骤3，在确认多通道信号同步所得的各个通道延时信息均为0后，完成信号同步状态验证；
步骤5、退出信号同步模式：所述融合处理板的信号同步控制模块，在完成信号同步状态验证之后，控制所述多通道信号同步系统退出信号同步模式。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明中信号处理板数量不少于两块，数量上限取决于融合处理板选用的FPGA芯片的高速串行IO口数量，可扩展性较强；
(2)本发明中印制板之间的数据传输速率取决于GTX和光收发组件物理特性，未来升级空间较大；
(3)本发明中各节点间的确定性传输延时由GTX传输协议提供保证，一旦调试完成，使用过程中便利性大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多通道信号同步系统的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种多通道信号同步方法的信息流程图。
具体实施方式
本发明一种多通道信号同步系统，所述系统包括：
原子钟、同步脉冲源、信号处理板和融合处理板，所述原子钟分别与所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板通过等相射频电缆连接，所述同步脉冲源和所述信号处理板之间通过射频电缆进行连接，所述信号处理板与所述融合处理板之间通过光纤进行连接；信号处理板数量为多个，数量上限匹配于融合处理板选用的FPGA的高速串行IO口数量。
进一步地，所述原子钟用于为所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板提供同步时钟。
进一步地，所述同步脉冲源用于在信号同步模式下产生多通道的同步脉冲信号，并将这些同步脉冲信号通过射频电缆发送到各个信号处理板。
进一步地，每个信号处理板包括ADC芯片、第一FPGA芯片、第一光收发组件，其中：
所述ADC芯片用于对多通道同步脉冲信号进行采样，并将采样数据发送给FPGA芯片；
所述第一FPGA芯片，用于实现数据接收模块、移位寄存模块、信号检测模块和第一数据收发模块，第一FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品；
所述第一光收发组件，通过光纤与融合处理板连接，用于光信号的收发和光-电信号的转换。
进一步地，所述融合处理板包括第二FPGA芯片、第二光收发组件，其中：
所述第二FPGA芯片，设置有第二数据收发模块、信号同步计算模块和信号同步控制模块，第二FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品；
所述第二光收发组件，通过光纤与信号处理板连接，第二光收发组件用于光信号的收发和光-电信号的转换。
本发明一种多通道信号同步方法，所述方法基于所述的多通道信号同步系统，包括以下步骤：
步骤1、进入信号同步模式：融合处理板的信号同步控制模块，控制所述多通道信号同步系统进入信号同步模式；
步骤2、产生多通道同步脉冲信号：同步脉冲源根据融合处理板发送的控制信号，产生多通道同步脉冲信号；
步骤3、进行信号同步：信号处理板接收同步脉冲信号，并对信号数据进行可控延时、信号检测处理，然后发送至融合处理板；融合处理板计算各通道的延时信息，并反馈至信号处理板进行可控延时；
步骤4、验证信号同步状态：所述融合处理板的信号同步控制模块，控制多通道信号同步系统再次进行多通道信号同步，重复步骤3，在确认多通道信号同步所得的各个通道延时信息均为0后，完成信号同步状态验证；
步骤5、退出信号同步模式：所述融合处理板的信号同步控制模块，在完成信号同步状态验证之后，控制所述多通道信号同步系统退出信号同步模式。
进一步地，步骤2所述产生多通道同步脉冲信号，具体如下：
所述融合处理板的信号同步控制模块将控制信号发送给同步脉冲源；所述同步脉冲源根据所述融合处理板发送的控制信号产生3×N个通道的同步脉冲信号，并将这3×N个通道的同步脉冲信号发送到N个信号处理板，N为自然数且N≥2，每个信号处理板接收3个通道的同步脉冲信号。
进一步地，步骤3所述进行信号同步，具体如下：
(1)每个信号处理板的ADC芯片对3个通道的同步脉冲信号进行采样，并将采样数据发送给信号处理板的第一FPGA芯片；
(2)每个信号处理板的数据接收模块接收ADC芯片发送的3个通道的采样数据，数据接收模块基于GTX在信号处理板的第一FPGA芯片中实现；
(3)每个信号处理板的移位寄存模块根据融合处理板反馈的延时信息，对3个通道的采样数据进行可控延时，初始状态下所有信号处理板的每个通道延时信息均为0；
(4)每个信号处理板的信号检测模块对延时后的3个通道的采样数据分别进行信号检测；
(5)每个信号处理板的第一数据收发模块通过第一光收发组件将3个通道的信号检测结果发送到所述融合处理板，第一数据收发模块基于GTX在所述信号处理板的第一FPGA芯片中实现；
(6)融合处理板的第二数据收发模块通过第二光收发组件接收所有信号处理板发送的共3×N个通道的信号检测结果，第二数据收发模块基于GTX在融合处理板的第二FPGA芯片中实现；
(7)融合处理板的信号同步计算模块根据3×N个通道的信号检测结果，以通道1的脉冲前沿为基准，计算出其余各通道与通道1之间的延时差，即为各通道的延时信息，其中通道1作为基准通道，延时信息一直为0；
(8)融合处理板的第二数据收发模块通过第二光收发组件将3×N个通道的延时信息发送给各信号处理板，每个信号处理板的第一数据收发模块通过第一光收发组件接收3个通道的延时信息；
(9)每个信号处理板的移位寄存模块根据融合处理板反馈的延时信息对3个通道的采样数据进行可控延时。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方案作进一步的详细说明。
实施例
图1是本发明实施例提供的一种多通道信号同步系统的结构示意图，参见图1，该系统包括：
原子钟、同步脉冲源、信号处理板1、信号处理板2、信号处理板3和融合处理板，所述原子钟分别与所述同步脉冲源、所述三块信号处理板和所述融合处理板通过等相射频电缆连接，所述同步脉冲源和所述三块信号处理板之间通过射频电缆进行连接，所述三块信号处理板与所述融合处理板通过光纤进行连接；信号处理板数量上限取决于融合处理板选用的FPGA芯片的高速串行IO口数量，本发明实施例中使用三块信号处理板；
所述原子钟用于为所述同步脉冲源、所述三块信号处理板和所述融合处理板提供高精度同步时钟，所述同步脉冲源用于在信号同步模式下产生多通道的同步脉冲信号，并将这些同步脉冲信号通过射频电缆发送到所述三块信号处理板，其中通道1～通道3发送到信号处理板1，通道4～通道6发送到信号处理板2，通道7～通道9发送到信号处理板3；
所述每块信号处理板包括ADC芯片，用于对3个通道的同步脉冲信号进行高速采样，并将高速采样数据发送给本板的FPGA芯片；
所述每块信号处理板还包括FPGA芯片，用于实现数据接收模块、移位寄存模块、信号检测模块和数据收发模块，所使用的FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品；
所述信号处理板和所述融合处理板都包括光收发组件，用于光信号的收发和光-电信号的转换；
所述融合处理板还包括FPGA芯片，用于实现数据收发模块、信号同步计算模块和信号同步控制模块，所使用的FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品。
图2是本发明实施例提供的一种多通道信号同步方法的信息流程图，参见图2，该方法包括：
步骤一、所述融合处理板的信号同步控制模块，控制所述多通道信号同步系统进入信号同步模式；
步骤二、所述融合处理板的信号同步控制模块将控制信号发送给同步脉冲源；
步骤三、所述同步脉冲源根据所述融合处理板发送的控制信号产生9个通道的同步脉冲信号，并将这9个通道的同步脉冲信号发送到所述三块信号处理板，每块信号处理板接收3个通道的同步脉冲信号。
步骤四、所述每块信号处理板的ADC芯片对3个通道的同步脉冲信号进行高速采样，并将高速采样数据发送给本板的FPGA芯片；
所述每块信号处理板的数据接收模块接收本板ADC芯片发送的3个通道的高速采样数据，数据接收模块基于GTX在所述信号处理板的FPGA芯片中实现；
步骤五、所述每块信号处理板的移位寄存模块根据所述融合处理板反馈的延时信息对3个通道的高速采样数据进行可控延时(初始状态下所述三块信号处理板的共9个通道的延时信息均为0)；
步骤六、所述每块信号处理板的信号检测模块对延时后的3个通道的高速采样数据分别进行信号检测；
步骤七、所述每块信号处理板的数据收发模块通过本板的光收发组件将3个通道的信号检测结果发送到所述融合处理板，发送和接收模块基于GTX在所述信号处理板的FPGA芯片中实现；
所述融合处理板的数据收发模块通过本板的光收发组件接收所述三块信号处理板发送的共9个通道的信号检测结果，发送和接收模块基于GTX在所述融合处理板的FPGA芯片中实现；
步骤八、所述融合处理板的信号同步计算模块根据9个通道的信号检测结果，以通道1的脉冲前沿为基准，计算出其余各通道与通道1之间的延时差，即为各通道的延时信息(通道1作为基准通道，延时信息一直为0)；
步骤九、所述融合处理板通过步骤七所述的数据收发模块和光收发组件将9个通道的延时信息发送给所述三块信号处理板，所述每块信号处理板通过步骤七所述的数据收发模块和光收发组件接收3个通道的延时信息；
步骤十、所述每块信号处理板的移位寄存模块根据所述融合处理板反馈的延时信息对3个通道的高速采样数据进行可控延时；
步骤十一、所述融合处理板的信号同步控制模块，控制所述多通道信号同步系统再次进行多通道信号同步，重复步骤四～步骤八，在确认第二次多通道信号同步所得的9个通道的延时信息均为0后，完成多通道信号同步状态验证；。
步骤十二、所述融合处理板的信号同步控制模块，在完成信号同步状态验证之后，控制所述多通道信号同步系统退出信号同步模式。
综上所述，本发明提供的多通道信号同步系统和方法，可扩展性较强，升级空间较大，使用便利性大大提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多通道信号同步系统，其特征在于，所述系统包括：
原子钟、同步脉冲源、信号处理板和融合处理板，所述原子钟分别与所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板通过等相射频电缆连接，所述同步脉冲源和所述信号处理板之间通过射频电缆进行连接，所述信号处理板与所述融合处理板之间通过光纤进行连接；信号处理板数量为多个，数量上限匹配于融合处理板选用的FPGA的高速串行IO口数量。
2.根据权利要求1所述的多通道信号同步系统，其特征在于，所述原子钟用于为所述同步脉冲源、所述信号处理板和所述融合处理板提供同步时钟。
3.根据权利要求1所述的多通道信号同步系统，其特征在于，所述同步脉冲源用于在信号同步模式下产生多通道的同步脉冲信号，并将这些同步脉冲信号通过射频电缆发送到各个信号处理板。
4.根据权利要求1、2或3所述的多通道信号同步系统，其特征在于，每个信号处理板包括ADC芯片、第一FPGA芯片、第一光收发组件，其中：
所述ADC芯片用于对多通道同步脉冲信号进行采样，并将采样数据发送给FPGA芯片；
所述第一FPGA芯片，用于实现数据接收模块、移位寄存模块、信号检测模块和第一数据收发模块，第一FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品；
所述第一光收发组件，通过光纤与融合处理板连接，用于光信号的收发和光-电信号的转换。
5.根据权利要求1所述的多通道信号同步系统，其特征在于，所述融合处理板包括第二FPGA芯片、第二光收发组件，其中：
所述第二FPGA芯片，设置有第二数据收发模块、信号同步计算模块和信号同步控制模块，第二FPGA芯片为Xilinx公司的7系列产品；
所述第二光收发组件，通过光纤与信号处理板连接，第二光收发组件用于光信号的收发和光-电信号的转换。
6.一种多通道信号同步方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1～5任一项所述的多通道信号同步系统，包括以下步骤：
步骤1、进入信号同步模式：融合处理板的信号同步控制模块，控制所述多通道信号同步系统进入信号同步模式；
步骤2、产生多通道同步脉冲信号：同步脉冲源根据融合处理板发送的控制信号，产生多通道同步脉冲信号；
步骤3、进行信号同步：信号处理板接收同步脉冲信号，并对信号数据进行可控延时、信号检测处理，然后发送至融合处理板；融合处理板计算各通道的延时信息，并反馈至信号处理板进行可控延时；
步骤4、验证信号同步状态：所述融合处理板的信号同步控制模块，控制多通道信号同步系统再次进行多通道信号同步，重复步骤3，在确认多通道信号同步所得的各个通道延时信息均为0后，完成信号同步状态验证；
步骤5、退出信号同步模式：所述融合处理板的信号同步控制模块，在完成信号同步状态验证之后，控制所述多通道信号同步系统退出信号同步模式。
7.根据权利要求6所述的多通道信号同步方法，其特征在于，步骤2所述产生多通道同步脉冲信号，具体如下：
所述融合处理板的信号同步控制模块将控制信号发送给同步脉冲源；所述同步脉冲源根据所述融合处理板发送的控制信号产生3×N个通道的同步脉冲信号，并将这3×N个通道的同步脉冲信号发送到N个信号处理板，N为自然数且N≥2，每个信号处理板接收3个通道的同步脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的多通道信号同步方法，其特征在于，步骤3所述进行信号同步，具体如下：
(1)每个信号处理板的ADC芯片对3个通道的同步脉冲信号进行采样，并将采样数据发送给信号处理板的第一FPGA芯片；
(2)每个信号处理板的数据接收模块接收ADC芯片发送的3个通道的采样数据，数据接收模块基于GTX在信号处理板的第一FPGA芯片中实现；
(3)每个信号处理板的移位寄存模块根据融合处理板反馈的延时信息，对3个通道的采样数据进行可控延时，初始状态下所有信号处理板的每个通道延时信息均为0；
(4)每个信号处理板的信号检测模块对延时后的3个通道的采样数据分别进行信号检测；
(5)每个信号处理板的第一数据收发模块通过第一光收发组件将3个通道的信号检测结果发送到所述融合处理板，第一数据收发模块基于GTX在所述信号处理板的第一FPGA芯片中实现；
(6)融合处理板的第二数据收发模块通过第二光收发组件接收所有信号处理板发送的共3×N个通道的信号检测结果，第二数据收发模块基于GTX在融合处理板的第二FPGA芯片中实现；
(7)融合处理板的信号同步计算模块根据3×N个通道的信号检测结果，以通道1的脉冲前沿为基准，计算出其余各通道与通道1之间的延时差，即为各通道的延时信息，其中通道1作为基准通道，延时信息一直为0；
(8)融合处理板的第二数据收发模块通过第二光收发组件将3×N个通道的延时信息发送给各信号处理板，每个信号处理板的第一数据收发模块通过第一光收发组件接收3个通道的延时信息；
(9)每个信号处理板的移位寄存模块根据融合处理板反馈的延时信息对3个通道的采样数据进行可控延时。
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