CN115051721B - 一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法与系统，属于信号处理技术领域。所述方法通过调用射频接收信号处理设备实现基于软件定义对接收到的射频信号的处理，所述射频接收信号处理设备的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述射频接收信号处理设备的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件。所述方法能够实现通用化卫星通信、卫星测控、卫星导航信号的射频宽频段统一化收发、通用化数字处理。

Description

一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法与系统

技术领域

本发明属于漏洞检测技术领域，尤其涉及一种基于知识图谱的自动化渗透测试方法和系统。

背景技术

卫星通信系统、卫星测控系统或者卫星导航系统的关口站、信关站等地面站都需要通过天线与轨道上的卫星进行单项、双向通信或测距，因此地面系统需要具备卫星通信信号的接收处理能力。

为实现上述功能，当前不同的卫星系统的地面部分都有各自定义的接收、发送设备，或称为单元、或称为终端、设备，种类繁多。

同时由于不同的卫星系统采用不同的无线电频段作为信号传播的载体，导致不同的卫星地面站内的设备接收的信号频点不同，需要针对不同的频点各自进行设计。无形中提高了系统设计的复杂度，增加了设备的种类，提升了系统建设、运行、维护的成本。降低了系统的可靠性、增加了系统中断的风险。

发明内容

为了解决上述问题，提升系统设计的通用性，需要设计一种能够满足尽可能多的卫星系统的地面系统统一化、通用化的接收方法与系统，由此，本发明提出一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方案(包括方法、系统、电子设备、计算机可读)。首先通过自适应切换不同频点射频变频器实现宽带射频信号接收及变频，其次通过数字中频采样或射频直接采样并进行数字化变频，实现基带信号的接收，最后根据基带信号的调制方式动态加载合适的软件定义的信号处理程序。

本发明第一方面公开了一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法。步骤S1、利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收L、C频段内的各类卫星遥测信号、导航宽带射频信号，对接收到的信号进行射频抗干扰处理、射频滤波处理、射频变频处理以及中频滤波处理；步骤S2、将经所述步骤S1处理后得到的信号发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化、数字滤波与数字抗干扰处理和数字化变频处理得到抗干扰的数字基带信号；步骤S3、所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供，所述信号处理程序能够处理的信号包括：BOC体制信号、BPSK信号、QPSK信号以及OQPSK信号；其中，所述步骤S2处理后得到的信号通过万兆以太网以数据包的形式发送至万兆数据交换网络进行后续处理和备份，同时通过所述万兆以太网接收其它数据包并进行后续处理和备份。

根据本发明第一方面的方法，所述射频收发模块能够接收的信号频率范围为900MHz-7100MHz；所述射频收发模块被配置为将接收到的所述宽带射频信号下变频至中频频率，下变频至所述中频频率时的标称频点为50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz或其他订制频点。

根据本发明第一方面的方法，所述信号处理主板具有信号接收功能、视频信号同步功能、信号接收预处理功能、信号及数据处理功能、抗干扰功能以及万兆以太网数据高速传输功能；其中所述信号接收预处理功能用于实现对经所述变频处理后得到的所述中频信号的采样量化、数字下变频处理，从而得到数字基带信号；其中所述抗干扰功能包括对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

根据本发明第一方面的方法，所述FPGA可编程软件用于完成BPSK、QPSK、OQPSK调制方式的各种类型所述数字基带信号的解调与解扩，并基于所述数字基带信号的调制方式获取匹配的信号处理程序，实现各类型数字调制信号的捕获、跟踪和译码，所述嵌入式DSP软件用于根据所述FPGA可编程软件的配置信息完成所述信号处理程序的加载，并将待加载的信号处理程序发送至所述信号处理主板；其中，所述捕获包括：时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获，所述跟踪包括：包括通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪，所述译码包括：LDPC译码、维特比译码其中；其中所述嵌入式DSP软件读取NAND Flash的数据配置多个所述FPGA可编程软件，通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据，通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收所述FPGA可编程软件的数据以进行处理。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S1中，利用所述射频收发模块自适应切换所述不同频点射频变频器接收所述宽带射频信号，其中：所述射频收发模块根据上位机系统控制信号确定要接收的射频频点；或者，所述射频收发模块根据内部存储器预设的工作模式，自动确定各自需要工作的接收频段，以在所述不同频点上接收所述宽带射频信号。

根据本发明第一方面的方法，在所述步骤S3中，所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的所述基于软件定义的信号处理程序，包括：同时处理同一个射频频点内混合的多个不同调制方式的数字信号，或者，相同调制方式下不同伪随机码的数字信号。

本发明第二方面公开了一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理系统。所述系统的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述系统的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件；其中：利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收宽带射频信号，并对接收到的所述宽带射频信号进行变频处理；所述变频处理后得到的中频信号被发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化和数字化变频处理得到数字基带信号；所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供。

根据本发明第二方面的系统，所述射频收发模块能够接收的信号频率范围为900MHz-7100MHz；所述射频收发模块被配置为将接收到的所述宽带射频信号下变频至中频频率，下变频至所述中频频率时的标称频点为50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz或其他订制频点。

根据本发明第二方面的系统，所述信号处理主板具有信号接收功能、视频信号同步功能、信号接收预处理功能、信号及数据处理功能、抗干扰功能以及万兆以太网数据高速传输功能；其中所述信号接收预处理功能用于实现对经所述变频处理后得到的所述中频信号的采样量化、数字下变频处理，从而得到数字基带信号；其中所述抗干扰功能包括对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

根据本发明第二方面的系统，所述FPGA可编程软件用于完成BPSK、QPSK、OQPSK调制方式的各种类型所述数字基带信号的解调与解扩，并基于所述数字基带信号的调制方式获取匹配的信号处理程序，实现各类型数字调制信号的捕获、跟踪和译码，所述嵌入式DSP软件用于根据所述FPGA可编程软件的配置信息完成所述信号处理程序的加载，并将待加载的信号处理程序发送至所述信号处理主板；其中，所述捕获包括：时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获，所述跟踪包括：包括通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪，所述译码包括：LDPC译码、维特比译码其中；其中所述嵌入式DSP软件读取NAND Flash的数据配置多个所述FPGA可编程软件，通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据，通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收所述FPGA可编程软件的数据以进行处理。

根据本发明第二方面的系统，利用所述射频收发模块自适应切换所述不同频点射频变频器接收所述宽带射频信号，其中：所述射频收发模块根据上位机系统控制信号确定要接收的射频频点；或者，所述射频收发模块根据内部存储器预设的工作模式，自动确定各自需要工作的接收频段，以在所述不同频点上接收所述宽带射频信号。

根据本发明第二方面的系统，所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的所述基于软件定义的信号处理程序，包括：同时处理同一个射频频点内混合的多个不同调制方式的数字信号，或者，相同调制方式下不同伪随机码的数字信号。

本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

综上，本发明的技术方案能够实现通用化卫星通信、卫星测控、卫星导航信号的射频宽频段统一化收发、通用化数字处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法的流程图。

图2为根据本发明实施例的射频接收信号处理设备的组成图。

图3为根据本发明实施例的射频收发模块的示意图。

图4为根据本发明实施例的射频接收信号设备的显控子板的功能示意图。

图5为根据本发明实施例的FPGA程序内部接口关系示意图。

图6为根据本发明实施例的嵌入式DSP的软件内部逻辑示意图。

图7为根据本发明实施例的嵌入式DSP的软件各部分接口示意图。

图8为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例只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。

本发明第一方面公开了一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法。所述方法通过调用射频接收信号处理设备实现基于软件定义对接收到的射频信号的处理，所述射频接收信号处理设备的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述射频接收信号处理设备的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件。

图1为根据本发明实施例的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法的流程图；如图1所示，所述方法包括：步骤S1、利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收L、C频段内的各类卫星遥测信号、导航宽带射频信号，对接收到的信号进行射频抗干扰处理、射频滤波处理、射频变频处理以及中频滤波处理；步骤S2、将经所述步骤S1处理后得到的信号发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化、数字滤波与数字抗干扰处理和数字化变频处理得到抗干扰的数字基带信号；步骤S3、所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供，所述信号处理程序能够处理的信号包括：BOC体制信号、BPSK信号、QPSK信号以及OQPSK信号；其中，所述步骤S2处理后得到的信号通过万兆以太网以数据包的形式发送至万兆数据交换网络进行后续处理和备份，同时通过所述万兆以太网接收其它数据包并进行后续处理和备份。

具体地，射频收发模块能够接收的信号频率范围为900MHz-7100MHz；所述射频收发模块被配置为将接收到的所述宽带射频信号下变频至中频频率，下变频至所述中频频率时的标称频点为50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz或其他订制频点。

具体地，所述信号处理主板具有信号接收功能、视频信号同步功能、信号接收预处理功能、信号及数据处理功能、抗干扰功能以及万兆以太网数据高速传输功能；其中所述信号接收预处理功能用于实现对经所述变频处理后得到的所述中频信号的采样量化、数字下变频处理，从而得到数字基带信号；其中所述抗干扰功能包括对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

具体地，所述FPGA可编程软件用于完成BPSK、QPSK、OQPSK调制方式的各种类型所述数字基带信号的解调与解扩，并基于所述数字基带信号的调制方式获取匹配的信号处理程序，实现各类型数字调制信号的捕获、跟踪和译码，所述嵌入式DSP软件用于根据所述FPGA可编程软件的配置信息完成所述信号处理程序的加载，并将待加载的信号处理程序发送至所述信号处理主板；其中，所述捕获包括：时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获，所述跟踪包括：包括通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪，所述译码包括：LDPC译码、维特比译码其中；其中所述嵌入式DSP软件读取NAND Flash的数据配置多个所述FPGA可编程软件，通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据，通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收所述FPGA可编程软件的数据以进行处理。

在一些实施例中，在步骤S1，利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收宽带射频信号时，可利用如下两种方式来实现。

第一种，射频收发模块根据上位机系统控制信号选择所要接收的射频频点，地面系统通常需要接收包含L、C频段在内的各类卫星遥测、导航信号，因此地面系统的各类射频收发模块同时在线工作，随时准备根据上位机系统接收L、C频段内的任意信号。在接收到上位机系统的控制指令后，射频收发模块通过调整内部的各级本地振荡器产生不同频率的本振频率，通过混频器进行混频，并通过放大器进行各级放大和最终滤波输出。

第二种，射频收发模块根据内部存储器预设的工作模式，自动确定各自需要工作的接收频段，由于地面系统通常都需要覆盖L、C频段的遥测、导航信号，且各类射频收发模块在设备物理形态上无任何差异，可相互替换。因此地面系统的各类射频收发模块同时在线工作，只需根据预设值将系统要求接收的L、C频段内的所有信号都接收到即可。只需在上位机系统监测到设备工作参数、状态异常，需要维护或维修处理时，才通过系统的预设机制触发自适应切换，控制指令进行下线处理，并控制其它空余备份射频收发模块进行上线替换。上线替换的射频收发模块根据上位机系统指令，通过调整内部的各级本地振荡器产生不同频率的本振频率，通过混频器进行混频，并通过放大器进行各级放大和最终滤波输出。

在一些实施例中，在步骤S3中，所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式匹配的基于软件定义的信号处理程序时，其中导航信号、遥测信号等地面站需要接收的信号的调制方式均为已知类型。

其中，根据各个终端默认的加载参数，确定该终端所需要接收的的信号调制方式，进行相应体制的信号接收。值得说明的是，每台射频收发模块可以同时处理同一个射频频点(频道)内混合的多个不同调制方式的数字信号，以及相同调制方式下的不同伪随机码的信号。

其中，通过系统自适应检测控制，识别出未被地面系统监测接收的信号(包括进入可见范围内的卫星需要接收而未被接收到的信号，以及已经正常接收但因为信号干扰等异常导致信号失去锁定、接收中断的情况)，调度空闲的射频收发模块、或者忙碌的射频收发模块的内部的空闲的信号处理资源(通常是软件定义的信号捕获模块和信号跟踪通道)。

在一些实施例中，在步骤S3，所述信号处理程序(通常通过软件定义的信号捕获模块和信号跟踪通道完成信号的捕获、跟踪、译码、电文组帧上报)由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供。FPGA可编程软件通过加载不同的逻辑程序实现不同的逻辑器件功能，其中包括信号的捕获和信号的跟踪、译码：捕获部分包括但不限于传统的导航、遥测信号体制捕获算法：短突发信号部分匹配滤波方式捕获算法的数字逻辑电路、时分体制信号时频域并行捕获算法的数字逻辑电路、连续体制信号时域相关搜索直接捕获算法的数字逻辑电路等；跟踪各部分包括但不限于传统导航、遥测等信号体制：BOC体制信号的单边带、双边带跟踪算法的数字逻辑电路、BPSK信号跟踪的数字逻辑电路以及QPSK信号的跟踪等。

本发明第一方面公开的方法可用于涉及一类或者一系列的射频接收信号处理接收机，用于接收和处理来自卫星接收天线或者其它前端变频设备输出的射频模拟信号并进行如下操作：首先通过自适应切换不同频点射频变频器实现宽带射频信号接收及变频；其次通过数字中频采样或射频直接采样并进行数字化变频，实现基带信号的接收；最后根据基带信号的调制方式动态加载合适的软件定义的信号处理程序，实现各种类型数字调制信号(例如BPSK、QPSK、OQPSK等调制方式)的捕获(例如时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获)、跟踪(例如通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪)、译码(例如LDPC译码、维特比译码等)，同时还可通过万兆以太网将预处理后的数字信号数据包输出至万兆数据交换网络的其它处理节点进行后续处理、备份，也可接收来自其它节点通过万兆以太网发来的预处理后的数字信号数据包并根据要求进行后续处理。该方法通过软件定义的方式实现不同功能的切换和软件版本的快速修改迭代升级，实现可以在线准实时重构升级的目的。

图2为根据本发明实施例的射频接收信号处理设备的组成图；如图2所示，软件定义的通用化射频接收信号设备设计方法及装置，其物理装置包含电源模块、通用化设计的射频收发模块、处理主板和显控模块四部分。软件定义的通用化射频接收信号设备设计方法及装置，其软件定义可重构装置部分包含通用化可编程FPGA软件、通用化嵌入式DSP软件两部分。

在一些实施例中，通用化设计的电源模块采用220V/50Hz交流转15V、12V、5V、3.3V等多电平直流电源模块，具备稳压、变压等功能，实现宽压摆输入和电压闪断情况下的持续输出功能。具备与装置结构相契合的导冷散热结构，直接通过结构将热量通过装置金属壳体输出散热。装置外部可以在有条件的环境下布置外部风冷通风散热或气、液态冷却设施。

电源模块实现的具体指标如下：电源模块将输入的220V交流电压转换为+12V电压后输出。

电源模块技术指标如下：1)输入电压：100～240VAC，50～60Hz单相交流电；2)输入具备电流冲击限制，浪涌电流最大5A；3)输出电压：+12V/25A，直流电；4)输出具备过压、过流和短路保护，采用关断方式进行保护；5)电压精度：＜1％；6)电压调整率：＜0.5％；7)隔离电压要求：a)输入对输出：AC 1000V 1分钟(漏电流≤10mA)。b)输入对外壳：AC 1500V 1分钟(漏电流≤10mA)；8)绝缘阻抗要求：a)输入对外壳：≥200MΩ@DC1000V；b)输入对输出：≥200MΩ@DC1000V；c)输出对外壳：≥200MΩ@DC250V；d)输出对输出：≥200MΩ@DC250V。结构与工艺要求为电源模块大小在170mm×170mm×50mm之内。接地：电源模块信号地应与机箱地实现低阻抗连接。

在一些实施例中，通用化设计的射频收发模块用通用化设计，能够将频率为900MHz～7100MHz的载波电磁信号接收并下变频到中频频率,中频频率可根据实际设计需要选配50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz等标称频点或其它订制频点。可选择的，也可以将视频收发模块前的射频信号直通下一级处理主板进行直接射频采样。同时可耦合一路功率比输入信号衰减后的信号输出，衰减值可配；主链路各频点射频信号经过AGC、下变频，滤波等操作，输出一路中频信号；各类单机需要满足抗干扰的要求，规划好链路的三阶交调指标。供电：12V；功耗：不大于15W。

通用化设计的射频收发模块如图3所示，由频综、上变频和下变频三部分组成，两个变频通道使用独立本振，并可以通过I2C总线独立进行增益控制和信号通断控制。

在一些实施例中，通用化设计的处理主板采用3个或者可选配少于3个的国产FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)数字逻辑电路芯片以及1个国产高性能DSP(Digital Signal Processer数字信号处理)。同时该国产FPGA或DSP可以采用国外同封装、同性能的FPGA或DSP进行替换配置。FPGA与DSP配合完成信号接收处理功能；其处理主板采用10G网络模块用于FPGA与外部数字信号的互连，实现电光/光电转换；DSP读取板上存储器的预存程序数据来配置各个FPGA，并通过互为冗余备份的2个千兆网口发送业务数据、监控数据给外部的上位机系统。

处理主板可通过其中的硬件和嵌入式软件及FPGA程序实现以下功能：

(a)信号接收功能；具备4路模拟接收通道，可同时进行各类通信、遥控、遥测、导航信号的接收。

(b)时频信号同步功能；与外部输入时频信号保持同步，以外部输入时频信号为基准产生所需的时频信号。

(c)信号接收预处理功能；接收前述射频频段内的射频信号，下变频至前文所述可选中频或订制中频频段的模拟信号或射频直接采样信号，对中频模拟信号或射频直接采样信号进行采样量化、数字下变频得到数字基带信号。

(d)信号及数据处理功能；对基带信号进行解调解扩，通过捕获跟踪实现信号与本地的同步，恢复出调制的电文，将电文进行译码、解密，实现原始信息的恢复，通过重新编排，按照网络协议格式组帧发送至数据中心。

(e)抗干扰功能；对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

(f)万兆以太网数据高速传输；具备6个万兆光纤接口，且万兆以太网的VLAN(Virtual Local Area Network虚拟局域网)号在规定范围内可配，可通过万兆光网络收发数据，并具备对万兆以太网收发数据的缓存功能。

(f)工作参数配置保持；可通过千兆以太网对各类终端的工作参数进行在线设定，可设置进行复位初始化，重启时能自动加载重启前的参数和数据。

(h)串口信息监测与调试；具备2路RS232串口，2路RS422串口，使得内部调试信息能够视工程师的需要进行查询和输出。

(i)嵌入式程序加载接口；具备1路FPGA程序加载接口和1路DSP程序加载接口。

通用化设计的信号处理主板：由以下几部分电路及模块组成。

ADC模块：ADC模块对输入信号进行采样，采样后数据通过高速接口输出到信号处理板卡的高性能FPGA中，采样频率为根据时钟速率可配，范围从100～400MHz，采样位数为12bit。

高性能FPGA模块：高性能FPGA模块由三个国产FPGA组成。国产低功耗FPGA用来配置DAC、FPGA配置控制、时钟芯片配置、RS232/GPIO接口、RS232/RS422、LED显示等。

DSP模块：DSP可以读取NAND Flash的数据配置三个FPGA；DSP通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据；DSP也可以通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收FPGA的数据进行处理。

10G网络模块，与FPGA互连，实现电光/光电转换。

低功耗FPGA模块：低功耗FPGA用于DAC配置、高性能FPGA配置控制、时钟芯片配置、RS232/GPIO接口、RS232/RS422、LED显示等。

通讯能力如下：1)2路1000M的TCP/IP的协议处理能力，连接到连接DSP；2)具备共6路10G的电/光转换能力，输出/入10G光纤接口，每个FPGA连接两路。

DDR模块：分别外挂在FPGA和DSP上。

电源模块：电源模块包括两种电源类型，DC-DC电源和LDO电源，DC-DC提供给FPGA核心电压和DSP核心电压，LDO提供高稳定性的电源给ADC、DAC、10G网络、1000M网络、DDR3和高性能FPGA的GTX模拟电源。

时钟模块：时钟解决方案主要包括两部分，外部输入频率的分配和内部系统所需时钟的生成与分配。

在一些实施例中，通用化设计的显控子板(如图4所示)主要实现以下功能：1)完成机箱的工作状态显示；2)异常情况告警；3)系统复位；4)风扇电流监测。

具体设计如下：指示灯中的电源(绿色)灯点亮表示电源工作正常，灯熄灭表示电源输出异常；指示灯中的时钟(绿色)灯点亮表示输入时标正常，灯熄灭表示输入时标异常；指示灯中的千兆(绿色)灯点亮表示千兆网连接正常，灯熄灭表示千兆网连接异常；指示灯中的输入(绿色)灯点亮表示有外部信号输入，灯熄灭表示无外部信号输入；指示灯中的输出(绿色)灯点亮表示有(万兆)信号输出，灯熄灭表示无(万兆)信号输出；指示灯中的在线(绿色)灯点亮表示设备在线工作，灯熄灭表示设备离线；指示灯中的离线(绿色)灯点亮表示设备离线工作，灯熄灭表示设备在线；告警功能中的告警灯(红色)表示设备出现异常：当告警动作1s一次闪烁频率时，表示危险等级轻；当告警动作0.5s一次闪烁频率时，表示危险等级中；当告警动作0.25s一次闪烁频率时，表示危险等级高。告警功能中的蜂鸣器告警：当蜂鸣器发出响声时，表示危险等级高。告警同时对应的工作指示灯灭。

在一些实施例中，通用化的结构与工艺设计包括：终端主机为标准2U19英寸系列上架式设备，机箱深度视箱内具体结构尺寸定，在满足各项性能和热设计要求的前提下尽量紧凑。为适应不同的客户需求，也可配置成3U19英寸以及更大体积的标准上架式设备。设备主机内主要零部件包括：电源、显控子板、通用化设计的射频收发模块及其主板、导热板、散热装置、电源固定架、电源开关、各型插座、连接电缆等(数字处理终端不包含射频相关模块，其他结构设计一致)。为充分利用空间，主板在机箱后部，电源模块在机箱前部通过电缆分别与电源开关和电源插座连接。另外机箱后部安装有通用化设计的射频模块、时钟模块、风扇等。为了便于安装于维修拆卸，并且考虑到机箱内部空间等问题。

在一些实施例中，软件构建处理能力包括3片高性能FPGA+1个DSP处理器，外挂NANDFLASH和NONFLASH完成信号处理。1片国产低功耗FPGA用于时钟管理和启动加载配置。

在一些实施例中，通用化设计的FPGA程序：实现各链路接收信号的采集量化、数字下变频、抗干扰、万兆以太网组帧发送、信号捕获、信号跟踪、信息译码、数字加解密等处理功能

在一些实施例中，通用化设计的嵌入式DSP软件：配合FPGA配置各类参数，实现各链路接收信号的采集量化、数字下变频、抗干扰、万兆以太网组帧发送、信号捕获、信号跟踪、信息译码、数字加解密以及网络组帧发送等处理功能。同时可以通过软件定义快速重构FPGA和DSP自身程序，通过加载不同的软件定义模块，实现不同功能的节点功能。

结合具体实施方式，举例说明各类FPGA和DSP的功能分配：高性能FPGA1：完成信息帧格式形成、前向纠错编码、扩频编码、成形滤波、数字中频调制、万兆网数据输入以及数模变换；高性能FPGA2：完成中频模拟信号模数转换、数字正交下变频、抗干扰处理、二次量化、万兆网数据输出；高性能FPGA3：完成数字基带信号解调与解扩，通过捕获完成信号粗同步，通过跟踪实现信号的精确同步；高性能DSP：完成用于电文编译码、千兆网的通信、数据收发处理等。

在一些实施例中，通用化FPGA程序应在全部功能、性能指标满足的情况下，保证资源、工作频率的降额设计。每片FPGA的资源使用率一般不超过80％，最高工作时钟不超过400MHz，全局时钟一般不超过200MHz。FPGA1对AD采样后的数字中频信号经过下变频器、滤波和抽取、抗干扰，经二次量化后通过万兆网口发送给快捕单元。FPGA3完成射频模块的控制。

在功能划分方面，输入：数字中频信号。处理：对模拟中频信号直接采样，在数字域进行数字混频正交变换。采样之后进行数字混频，数字混频之后经过低通滤波滤除倍频分量，然后对信号进行抽取，再进行抗干扰处理。经过数字混频、低通滤波之后，数字信号的bit数扩展到多bit，为了缩减后端的硬件规模，需对数字信号进行二次量化为4bit。二次量化需确保性能损失在较小的量级。输出：I/Q两支路基带信号。图5为根据本发明实施例的FPGA程序内部接口关系示意图。

在一些实施例中，DSP内部有8个独立的处理核，8个核具有共享存储空间，每个核还各自带有L1PSRAM、L1DSRAM和L2SRAM存储空间。考虑DSP完成任务较多，各任务之间的处理较复杂，采用多个子核，每个子核完成不同任务的方式完成。信息核程序的实现基于Linux平台架构，接收核和译码核程序的实现基于SYS/BIOS的多任务模式；信息核与其他核之间通过基于SysLink的消息队列进行通信，其他核之间通过事件的消息队列进行通信,该消息队列可以支持数据块在子核之间传递；模块内功能划分以任务的方式实现(单个模块可能包含多个任务)，任务之间以事件方式通信同步。

以某射频收发模块为例，其只需用到其中的2个内核程序，一个信息核、一个抗干扰核。某射频收发模块所有的DSP程序和Linux内核程序都固化在DSP外接的SPI Flash中，开机启动后，从SPI Flash的0x00地址开始加载boot程序到核，然后加载Linux系统程序到核，同时DSP读取Nand Flash的FPGA配置信息完成FPGA程序的加载。在一些实施例中，DSP具备对FPGA寄存器读写功能；具备核间通信功能；具备信号功率谱估计功能；具备窄带干扰检测及权值生成功能。其逻辑组成如图6所示。

信息核(Core0)：主要完成网络协议通信、时间同步、参数配置与保存、核间ICP通信、日志输出等。抗干扰核(Core1)：完成窄带干扰检测和抑制等处理。输入：信号功率谱。处理：读取FPGA功率谱，对功率谱进行平滑。根据平滑后的功率谱进行窄带干扰的检测，估计相应参数，通过信息核传输到PC端；同时根据功率谱依据相应准则计算抗干扰权值，并将权值和窄带干扰检测结果写入FPGA对应寄存器。输出：抗干扰权值及干扰检测结果。Core2～Core7：未使用。DSP软件各部分接口如图7所示。

可见，本发明第一方面的方法实现各种类型数字调制信号的捕获、跟踪、译码并通过万兆以太网将基带数据输出给其它节点，同时接收其它节点传来的数据，互为备份。通过软件定义的方式实现不同功能的切换和软件版本的快速修改迭代升级，实现可以在线准实时重构升级的软件定义的通用化射频接收信号设备设计方法及装置。为各类卫星通信、导航与遥感测控地面站网系统的信号处理节点快速上线及节点间的功能无缝切换带来效益。在提高装置的适用广度、减少设备种类、降低系统的复杂度的同时，还能降低系统建设、运行、维护的成本，最终实现提升系统的可靠性、降低系统中断风险的目的。

本发明第二方面公开了一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理系统。所述系统的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述系统的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件；其中：利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收宽带射频信号，并对接收到的所述宽带射频信号进行变频处理；所述变频处理后得到的中频信号被发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化和数字化变频处理得到数字基带信号；所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供。

具体地，射频收发模块能够接收的信号频率范围为900MHz-7100MHz；所述射频收发模块被配置为将接收到的所述宽带射频信号下变频至中频频率，下变频至所述中频频率时的标称频点为50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz或其他订制频点。

具体地，所述信号处理主板具有信号接收功能、视频信号同步功能、信号接收预处理功能、信号及数据处理功能、抗干扰功能以及万兆以太网数据高速传输功能；其中所述信号接收预处理功能用于实现对经所述变频处理后得到的所述中频信号的采样量化、数字下变频处理，从而得到数字基带信号；其中所述抗干扰功能包括对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

具体地，所述FPGA可编程软件用于完成BPSK、QPSK、OQPSK调制方式的各种类型所述数字基带信号的解调与解扩，并基于所述数字基带信号的调制方式获取匹配的信号处理程序，实现各类型数字调制信号的捕获、跟踪和译码，所述嵌入式DSP软件用于根据所述FPGA可编程软件的配置信息完成所述信号处理程序的加载，并将待加载的信号处理程序发送至所述信号处理主板；其中，所述捕获包括：时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获，所述跟踪包括：包括通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪，所述译码包括：LDPC译码、维特比译码其中；其中所述嵌入式DSP软件读取NAND Flash的数据配置多个所述FPGA可编程软件，通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据，通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收所述FPGA可编程软件的数据以进行处理。

本发明第三方面公开了一种电子设备。所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

图8为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图，如图8所示，电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

综上，本发明的技术方案能够实现通用化卫星通信、卫星测控、卫星导航信号的射频宽频段统一化收发、通用化数字处理。可应用于各类卫星通信、导航与遥感测控地面站网系统中，实现信号处理节点的快速上线及节点间的功能无缝切换。装置的适用度广、设备种类多合一、装置所应用的系统复杂度明显降低，系统建设、运行、维护成本降低，系统的可靠性提升、系统中断风险降低。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，所述方法通过调用射频接收信号处理设备实现基于软件定义对接收到的射频信号的处理，所述射频接收信号处理设备的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述射频接收信号处理设备的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件；所述方法包括：

步骤S1、利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收L、C频段内的各类卫星遥测信号、导航宽带射频信号，对接收到的信号进行射频抗干扰处理、射频滤波处理、射频变频处理以及中频滤波处理；

步骤S2、将经所述步骤S1处理后得到的信号发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化、数字滤波与数字抗干扰处理和数字化变频处理得到抗干扰的数字基带信号；

步骤S3、所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供，所述信号处理程序能够处理的信号包括：BOC体制信号、BPSK信号、QPSK信号以及OQPSK信号；

其中，所述步骤S2处理后得到的信号通过万兆以太网以数据包的形式发送至万兆数据交换网络进行后续处理和备份，同时通过所述万兆以太网接收其它数据包并进行后续处理和备份。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，所述射频收发模块能够接收的信号频率范围为900MHz-7100MHz；所述射频收发模块被配置为将接收到的所述宽带射频信号下变频至中频频率，下变频至所述中频频率时的标称频点为50MHz±20MHz、60MHz±20MHz、70MHz±20MHz、80MHz±20MHz或其他订制频点。

3.根据权利要求2所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，所述信号处理主板具有信号接收功能、视频信号同步功能、信号接收预处理功能、信号及数据处理功能、抗干扰功能以及万兆以太网数据高速传输功能；其中所述信号接收预处理功能用于实现对经所述变频处理后得到的中频信号的采样量化、数字下变频处理，从而得到数字基带信号；其中所述抗干扰功能包括对干扰信号进行监测和参数输出，对信号覆盖的频率带宽内的窄带干扰、脉冲干扰及带外干扰进行有效抑制，并进行干扰告警。

4.根据权利要求3所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，所述FPGA可编程软件用于完成BPSK、QPSK、OQPSK调制方式的各种类型所述数字基带信号的解调与解扩，并基于所述数字基带信号的调制方式获取匹配的信号处理程序，实现各类型数字调制信号的捕获、跟踪和译码，所述嵌入式DSP软件用于根据所述FPGA可编程软件的配置信息完成所述信号处理程序的加载，并将待加载的信号处理程序发送至所述信号处理主板；

其中，所述捕获包括：时域捕获、频域捕获、时频域并行捕获，所述跟踪包括：包括通过锁频环路或者锁相环路进行载波跟踪、通过早-迟或者早-准-迟码片延迟锁定环路进行伪码跟踪，所述译码包括：LDPC译码、维特比译码其中；

其中所述嵌入式DSP软件读取NAND Flash的数据配置多个所述FPGA可编程软件，通过1000M网络接口传送高性能版的检测数据和控制数据，通过SRIO接口和16bit EMIF接口接收所述FPGA可编程软件的数据以进行处理。

5.根据权利要求4所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用所述射频收发模块自适应切换所述不同频点射频变频器接收所述宽带射频信号，其中：所述射频收发模块根据上位机系统控制信号确定要接收的射频频点；或者，所述射频收发模块根据内部存储器预设的工作模式，自动确定各自需要工作的接收频段，以在所述不同频点上接收所述宽带射频信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的所述基于软件定义的信号处理程序，包括：同时处理同一个射频频点内混合的多个不同调制方式的数字信号，或者，相同调制方式下不同伪随机码的数字信号。

7.一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理系统，其特征在于，所述系统的硬件构件至少包括射频收发模块和信号处理主板；所述系统的软件构件包括FPGA可编程软件和嵌入式DSP软件；其中：

利用所述射频收发模块自适应切换不同频点射频变频器接收L、C频段内的各类卫星遥测信号、导航宽带射频信号，对接收到的信号进行射频抗干扰处理、射频滤波处理、射频变频处理以及中频滤波处理；

将经所述中频滤波处理处理后得到的信号发送至所述信号处理主板，所述信号处理主板通过采样量化、数字滤波与数字抗干扰处理和数字化变频处理得到抗干扰的数字基带信号；

所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的基于软件定义的信号处理程序，所述信号处理程序由所述FPGA可编程软件和所述嵌入式DSP软件提供，所述信号处理程序能够处理的信号包括：BOC体制信号、BPSK信号、QPSK信号以及OQPSK信号；

其中，所述数字基带信号通过万兆以太网以数据包的形式发送至万兆数据交换网络进行后续处理和备份，同时通过所述万兆以太网接收其它数据包并进行后续处理和备份。

8.根据权利要求7所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理系统，其特征在于：

利用所述射频收发模块自适应切换所述不同频点射频变频器接收所述宽带射频信号，其中：所述射频收发模块根据上位机系统控制信号确定要接收的射频频点；或者，所述射频收发模块根据内部存储器预设的工作模式，自动确定各自需要工作的接收频段，以在所述不同频点上接收所述宽带射频信号；

所述信号处理主板基于所述数字基带信号的调制方式加载与所述调制方式相匹配的所述基于软件定义的信号处理程序，包括：同时处理同一个射频频点内混合的多个不同调制方式的数字信号，或者，相同调制方式下不同伪随机码的数字信号。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至6中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的一种基于软件定义的多信道射频接收信号处理方法中的步骤。

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