CN220067432U - 4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，包括FPGA、COMe模块计算机和信号采集单元，其中信号采集单元包括4个第一模数转换模块、1个第二模数转换模块和2路时钟信号模块，两个时钟信号模块分别为第一模数转换模块、第二模数转换模块提供采样时钟；FPGA的输入端连接信号采集单元，FPGA还连接DDR和FLASH，FPGA设置有GPIO，通过PCIe与COMe模块计算机通信；COMe模块计算机设置有网口、USB、MSATA、VGA、RTC供电和调试口。本实用新型使用了4个250M采样率和1个1G采样率的ADC进行模拟信号到数字信号转换，多通道输入，高集成化。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线电通信和无线电频谱监测技术领域，具体的说，是一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡。
背景技术
在无线电通信和频谱监测领域，为了满足多通道同步测向监测，宽带采样，短波和超短波直采，设备小型化和高集成度，满足多通道频谱监测处理性能，降低测向设备成本，产生了对此4+1通道中频采集数字处理板的需求。4个100M采样通道能满足3+1测向监测接收机的应用需求，但宽带，短波和超短波采样需求也在增加，所以需要在一块板卡上集成多路不同带宽信号采集、处理、控制、运算、通讯、显示等功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，用于解决现有技术中尚没有在一块板卡上集成多路不同带宽信号采集、处理、控制、运算、通讯、显示等功能的问题。
本实用新型通过下述技术方案解决上述问题：
一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，包括现场可编程门阵列FPGA、COMe模块计算机和供电单元，还包括与所述FPGA、COMe模块计算机和供电单元集成在一块电路板上的信号采集单元，其中：
信号采集单元，包括4个第一模数转换模块、1个第二模数转换模块和2路时钟信号模块，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输入端分别接收输入天线输入信号，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输出端分别连接所述FPGA；时钟信号模块的输入端接收时钟输入信号，输出端连接FPGA；两个时钟信号模块还分别为第一模数转换模块、第二模数转换模块提供采样时钟；
FPGA，FPGA的输入端连接所述信号采集单元，FPGA还连接动态随机存储器DDR和固态存储器FLASH，FPGA设置有对外控制接口GPIO；FPGA通过PCIe与所述计算机单元通信；
COMe模块计算机，COMe模块计算机设置有网口、USB接口、固态硬盘MSATA接口、VGA接口、实时时钟RTC供电接口和调试口，所述调试口与FPGA的芯片内测接口JTAG连接；
供电单元，用于给所述信号采集单元、FPGA和COMe模块计算机提供工作电压。
所述第一模数转换模块的采样率是250MSPS(Million Samples per Second)，最大采样带宽100MHz，分辨率16bits，第二模数转换模块的采样率是1GSPS，最大采样带宽400MHz，分辨率14bits，第二模数转换模块和1个第一模数转换模块组成宽带和窄带监测通道，分别为监测1通道和监测2通道；其他3个第一模数转换模块组成测向通道，分别为测向1通道、测向2通道和测向3通道。
所述FPGA采用XC7VX690T，所述DDR采用MT41K512M16，一共4片，组成4GB的内存；所述NOR Flash的型号是MT28EW01G，存储容量是1Gb，加载模式是BPI。
所述COMe模块计算机的尺寸为95mm x 95mm，采用PICMG COMe Type6接口标准；COMe模块计算机的CPU采用FT-2000/4；板载双通道DDR4内存颗粒，容量8G。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本实用新型公开了一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，作为无线电频谱监测接收机等设备的核心单元，使用了4个250M采样率和1个1G采样率的ADC进行模拟信号到数字信号转换，是一块集成不同采样带宽，多通道输入，高集成化，适用于无人机侦测，电子信号测量，雷达扫描等领域。
(2)本实用新型设计的对通道信息采集单元，结合现有的FPGA进行信号采集处理和输出控制，以及结合采用现有的COMe模块计算机进行数据运算、传输和显示，能够能满足4个最大100M带宽的中频信号同步采样，和1个最大400M带宽的宽带中频采样，信号处理可实现16路窄带DDC，最高可实现48路DDC。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图；
图2为信号处理和控制单元框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，包括集成在一块电路板上的信号采集单元、信号处理和控制单元、计算机单元和供电单元，其中：
信号采集单元，包括4个第一模数转换模块、1个第二模数转换模块和2路时钟信号模块，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输入端分别接收输入天线输入信号，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输出端分别连接所述信号处理和控制单元；时钟信号模块的输入端接收时钟输入信号，输出端连接信号处理和控制单元；两个时钟信号模块还分别为第一模数转换模块、第二模数转换模块提供采样时钟；信号采集单元主要完成模拟信号转换为数字信号的工作；
信号处理和控制单元，包括现场可编程门阵列FPGA，所述FPGA的输入端连接所述信号采集单元，FPGA还连接动态随机存储器DDR和固态存储器FLASH，FPGA设置有对外控制接口GPIO；FPGA通过PCIe与所述计算机单元通信；信号处理和控制单元主要由FPGA与其外围工作的器件组成，主要完成信号提取和处理，对设备系统其他模块单元的控制或信号接收，比如：射频模块、天线单元、罗盘、GPS等；
计算机单元，包括COMe模块计算机，所述COMe模块计算机设置有网口、USB接口、固态硬盘MSATA接口、VGA接口、实时时钟RTC供电接口和调试口，所述调试口与FPGA的芯片内测接口JTAG连接；计算机单元主要由COMe计算机模块和扩展的接口组成，计算机单元通过PCIe与FPGA通讯，接收FPGA处理完成的信号，显示输出或传输存储。计算机单元可通过网口与上位机通讯传输数据，接收指令，或直接显示输出频谱数据和运算结果；
供电单元，与所述信号采集单元、信号处理和控制单元、计算机单元连接，为信号处理和控制单元、信号采集单元和计算机单元提供工作电压。
所述第一模数转换模块的采样率是250MSPS(Million Samples per Second)，最大采样带宽100MHz，分辨率16bits，第二模数转换模块的采样率是1GSPS，最大采样带宽400MHz，分辨率14bits，第二模数转换模块和1个第一模数转换模块组成宽带和窄带监测通道，分别为监测1通道和监测2通道；其他3个第一模数转换模块组成测向通道，分别为测向1通道、测向2通道和测向3通道。
所述FPGA采用XC7VX690T，所述DDR采用MT41K512M16，一共4片，组成4GB的内存；所述NOR Flash的型号是MT28EW01G，存储容量是1Gb，加载模式是BPI。
所述COMe模块计算机的尺寸为95mm x 95mm，采用PICMG COMe Type6接口标准；COMe模块计算机的CPU采用FT-2000/4；板载双通道DDR4内存颗粒，容量8G。
工作原理：
如图1所示，根据4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡(以下称数字处理板)设计方案架构，信号采集单元分为监测通道和测向通道。监测通道分为监测1和监测2，监测1通道由AD9680和其时钟等相关电路组成，监测2通道由1个AD9467和其相关电路组成。测向通道分为测向1、测向2、测向3，分别由1个AD9467和其相关电路组成。ADCLK946时钟芯片及其相关电路为4个AD9467提供工作时钟。这部分主要完成模拟信号到数字信号的转换。AD9680和AD9467分别提供300MHz和80MHz的信号采集带宽。
在信号采集单元完成模拟信号到数字信号的转换后，采集信号数据会进入到FPGA内部进行处理，如图2所示。监测1和监测2通道的数据会进入FPGA内部的监测通道，测向1、测向2、测向3的数据会进入FPGA内部的测向通道。FPGA内部的监测通道分为监测主通道、监测辅通道、监测48窄带等3个通道，这3个通道会将监测1和2通道的数据经过DDC等相关处理后传输至总线单元。FPGA内部的测向通道分为测向快速信道和测向主通道，这2个通道会将测向1、2、3的数据经过DDC等处理，然后传输至总线单元。所有数据经过DDC算法运算后经过总线单元输出FPGA，通过PCIe接口传输到计算机单元。计算机单元会对这些数据进行分析、处理、识别、判断和显示，然后通过网口传输给上位机，或通过存储接口进行存盘处理。
计算机单元会通过PCIe经由总线单元与FPGA内部的主控单元通讯，通过主控单元对系统参数进行设置，射频和天线控制。主控单元会经由36个LVTTL GPIO与监测设备的射频单元和天线单元通讯，对射频单元和天线单元控制和状态信息回读。主控单元也对监测通道、测向通道、测向算法等FPGA内部模块进行模式、频点、带宽、时延等参数配置。
信号处理和控制单元给FPGA提供了一组容量4GB的DDR3，为数据缓存、算法运算提供缓存空间。并且给FPGA提供一个BPI配置模式1Gb容量的FLASH，在设备上电后给FPGA加载固件程序使用。
计算机单元为无线电监测设备提供系统和软件运行平台，主要通过网口与上位机通信。为设备提供丰富的接口：USB、MSATA、调试接口，可以将监测测向数据传输、存盘、拷贝。无线电监测设备可使用中频采集数字处理板的串口对接北斗和罗盘等，为监测设备系统提供定位和方向数据。
表1列举了本实用新型的参数：
表1参数说明表
本实用新型的器件和接口如表2所示。
表2中频采集数字处理板器件一览表
COMe模块计算机是计算机单元的核心器件，在数字处理板上将模块的接口扩展出来，比如：显示、USB、网口等。COMe模块计算机通过PCIe与FPGA通讯，在其上运行操作系统、系统软件、算法，完成接收FPGA处理完成的信号数据，运算打包上传给服务器终端，或显示输出，或存盘。
此实用新型之所以选择COMe模块计算机作为计算机单元的核心器件，是因为COMe是一种行业标准协议，模块化计算机是嵌入式应用的标准品，选择使用此方案具有相当的灵活性和可升级性，对采集数字处理板的应用范围和生命周期都有很大的提高。
FPGA选用Virtex-7 XC7VX690T，Logic Cells：693,120，CLB Flip-Flops：866,400。XC7VX690T是一款经典FPGA型号，其性能可满足4+1通道采集数字处理板的要求。FPGA是数字处理板的信号处理和控制单元，接收ADC传输过来的信号进行处理和运算，然后将结果通过PCIe接口上传给计算机。同时FPGA会通过GPIO口对整机系统中的射频模块，天线单元进行控制。
信号采集单元，选用了两款型号的ADC：AD9467和AD9680。
AD9467的采样率是250MSPS，分辨率16bits，最大采样带宽100MHz，能满足大部分的无线电通信，频谱测向监测的窄带应用。配的时钟驱动器是ADCLK946，这颗时钟驱动器最多可将1路输入时钟分成6路，工作频率最高到4.8GHz，传输延时185ps，完全能满足4颗AD9467的工作时钟和4通道同步采集的工作。
AD9680的采样率是1GSPS，分辨率14bits，最大采样带宽400MHz，属于宽带频谱接收的典型应用。配的时钟芯片是HMC7043，这颗时钟芯片支持JESD204B，最多可将1路输入时钟分频成14路，工作频率最高到3.2GHz，适配AD9680的JESD204B传输协议。
数字处理板给FPGA设计的加载模式是BPI模式，选用的NOR FLASH型号是：MT28EW01G，容量1Gb，满足XC7VX690T的固件存储和上电快速加载需求。
数字处理板给FPGA配置的缓存器是DDR3，容量4GB，单通道，型号是：MT41K512M16。
数字处理板的电源输入标准是12V±5％，输入电压经过板上供电电路变压后提供给计算机、FPGA、ADC、DDR等板上芯片的工作电压。处理板的供电电路主要由DC/DC、LDO、稳压滤波等电路组成。
数字处理板的调试接口是一个集成接口，里面集成了4种接口信号：2个USB2.0、2个串口、VGA、JTAG。为无线电监测设备提供无需拆机的调试接口，提高了设备的可维护性。
调试接口可以通过调试板将4种信号转成标准接口，也可以在监测设备系统中根据需求接入附件设备。
2个USB2.0是标准的USB信号，支持USB2.0的传输速率。
2个串口默认是LVTTL电平，可支持RS-232电平。
VGA接口最大支持1920x1080p@60Hz的输出分辨率
JTAG是FPGA的标准调试接口。
数字处理板的网口一个标准的千兆网口。可以自适应10/100/1000M的网络传输。主要用于对外和上位机通信。
数字处理板提供2个USB3.0接口，支持USB3.0的传输协议，可做为监测设备数据下载拷贝功能使用。
数字处理板上从FPGA有引出GPIO信号，总共36个，3.3V LVTTL电平。这些GPIO信号可根据实际应用自定义成SPI、I2C、串口、GPIO等协议，去控制和接收射频模块，天线单元，GPS等。
数字处理板设计了2个兼容全长和半长尺寸的MSATA固态硬盘接口，最高可支持2TB的存储空间，可分别用来安装系统软件和存储数据使用。
数字处理板上的RTC供电电路是给计算机在关机状态下记录系统时间和保存BIOS设置信息提供电源。
数字处理板总共有7个射频输入接口，分别是监测1、500M～1000M时钟输入、监测2、测向1、测向2、测向3、100M～250M时钟输入。射频输入接口使用标准的SMA接口，能满足输入频率范围和安装稳固要求。
尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (2)
1.一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，包括现场可编程门阵列FPGA、COMe模块计算机和供电单元，其特征在于，还包括与所述FPGA、COMe模块计算机和供电单元集成在一块电路板上的信号采集单元，其中：
信号采集单元，包括4个第一模数转换模块、1个第二模数转换模块和2路时钟信号模块，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输入端分别接收输入天线输入信号，第一模数转换模块和第二模数转换模块的输出端分别连接所述FPGA；时钟信号模块的输入端接收时钟输入信号，输出端连接FPGA；两个时钟信号模块还分别为第一模数转换模块、第二模数转换模块提供采样时钟；
FPGA，FPGA的输入端连接所述信号采集单元，FPGA还连接动态随机存储器DDR和固态存储器FLASH，FPGA设置有对外控制接口GPIO；FPGA通过PCIe与所述COMe模块计算机通信；
COMe模块计算机，COMe模块计算机设置有网口、USB接口、固态硬盘MSATA接口、VGA接口、实时时钟RTC供电接口和调试口，所述调试口与FPGA的芯片内测接口JTAG连接；
供电单元，用于给所述信号采集单元、FPGA和COMe模块计算机提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种4+1通道无线电监测设备中频采集处理板卡，其特征在于，所述第一模数转换模块的采样率是250MSPS，最大采样带宽100MHz，分辨率16bits，第二模数转换模块的采样率是1GSPS，最大采样带宽400MHz，分辨率14bits，第二模数转换模块和1个第一模数转换模块组成宽带和窄带监测通道，分别为监测1通道和监测2通道；其他3个第一模数转换模块组成测向通道，分别为测向1通道、测向2通道和测向3通道。
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