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摘要：本文简介RFSoC（Radio Frequency System on Chip）的概念、发展及典型应用，重点研讨其对卫星通信地面站、终端和产业的直接影响，论证RFSoC对卫星通信技术革命的引领作用。

关键词：RFSoC，卫星通信，射频直采，DDC。

引言

射频片上系统RFSoC，也称为“单片射频系统”，是一种异构计算架构，主要包括完整的ARM处理子系统、FPGA架构，以及RF信号链中的完整模数（ADC和DAC）可编程性。

将ADC/DAC、FPGA和ARM组件集成于一体的异构计算架构，技术和应用优势十分明显。首先，将传统的一个信号采集处理板甚至一个设备的功能，集成到一块芯片，带来的低功耗、高可靠、小型化的优势是显而易见的。其次，有效降低RF信号处理链的复杂性，最大化输入/输出通道密度，现代通信流行的多入多出MIMO和相控阵信号处理难度大幅下降。最后，上述异构计算架构十分适配软件无线电SDR，使得适合卫星通信等不同应用场景的系统和终端设计，进入到自由世界。

1 典型RFSoC简介

本文以Xilinx公司的第3代产品Zynq UltraScale+ RFSoC Gen3 ZU49DR RFSoC（以下简称“49DR”）为例，简要介绍RFSoC的组成和性能。

49DR主要性能归纳如下。

通过在PCIe载板上插一块49DR核心开发板，即构成一个友好的具有丰富IO资源的开发环境。

2 典型系统应用

2.1 5G通信

采用Xilinx RFSoC的AAU硬件架构如图 1所示。

使用该AAU的全部64个收发器，在暗室内测量空中的波束赋形性能。无线测量OTA（Over The Air）结果与天线层测量结果比对，如图 2所示。天线被设置在视轴上，即横向转向角和纵向转向角均为0度，并使用均匀系数的波束赋形矢量。对于±45转向范围，两图在0到30度范围高度重叠，匹配度相当出色。

得益于RFSoC的卓越性能，5G基站室外设备320W功率65%分配给功放和模拟电路，RFSoC功耗仅占17%。同时，RFSoC的应用，使得室外设备体积大幅缩小，可靠性大幅提升。RFSoC在体积、功耗和性能等各个方面已可媲美ASIC专用芯片，同时，RFSoC具有ASIC无可比拟的灵活性和现场可编程能力。因此，在5G基站应用中充分体现出RFSoC的异构技术优势。

2.2 射频直采回放

RFSoC用于射频信号直采、记录和回放设备，具有以下几个方面的独特优势：

（1）凭借RFSoC出色的多通道同步特性和幅相一致性优势，实现多通道射频同步采集回放，作为能够还原真实场景的非标准信号源。由于多个ADC和DAC电路封装在同一芯片内，各个通道的采集和回放时钟相位严格相关，因此，多通道采集相位同步特性及触发响应同步，精确、稳定、可靠，具有显著优势。以Zynq UltraScale+RFSoC Gen3系列ZU47DR为例，经测，通道间的同步性能指标，可达到10ps量级，且一致性十分出色。

（2）凭借RFSoC出色的内部信号处理能力，进行射频实数型和复数型信号样本采集，甚至可兼备多路射频信号的接收采集。

所谓实数型样本，指的是完全依据奈奎斯特采样定律进行采集获得的信号样本，以47DR ADC最高5GSps的采样率，理论上可直接采集DC至2.5GHz内的所有信号，即瞬时带宽达到2.5GHz。

所谓复数型样本，指的是将目标射频信号中心频率经DDC搬移至零频后，对I路和Q路进行采样获得的信号样本。仍以47DR为例，其优势是可选择6GHz以内任意频点上的射频信号，并根据信号带宽选取合适的采样率。在同样的存储容量前提下，一般可以存储更长时间的复数型信号样本。同时，在回放复数型样本时，47DR可将信号回放至6GHz以内的任意频点。

（3）利用RFSoC的集成性和丰富的接口性能，借鉴5G通信基站“射频拉远”技术，实现射频宽带采集标准化架构、采集记录分离结构，适用于航空、车载等多种机动应用场景。

如图 3所示，RFSoC集成在天线端，完成射频信号的数字化、信道化、FFT，并接受人机交互指令，将所需接收的射频信号DDC数据，经100GE光纤接口以MAC帧的格式传输至100GE记录仪。RFSoC具有丰富的数据IO接口，每一片47DR、49DR都配备有2个100GE接口。

3 对卫星通信技术革命的引领作用

3.1 RFSoC改变地面站系统拓扑

在卫星通信中，地面站（一般指关口站或网控站）起着核心枢纽作用，一方面，地面站通过卫星与各类卫星通信终端连接，为卫星通信终端提供接入服务；另一方面，地面站通过电信基础设施，与地面通信网络连接，为卫星通信终端提供所需通信业务服务。

如图 4所示，地面站通常由大口径天线、低噪声放大器LNA、功率放大器PA、低噪声放大变频模块LNB、上变频功放BUC、上下变频器、中频交换矩阵、MODEM和信息处理设备等组成。

采用RFSoC之后，在天线端即完成射频数字化转换，原来射频传输、交换和接收，全部变更为数据的传输、交换和处理，具体表现在以下几个方面：

（1）在天线端，原配置的L频段上下行接口，更换为100GE网络接口。

（2）原天线至机房之间光纤传输的内容，由原来的L频段射频信号，变成100GE网络传输的MAC传输帧。

（3）原L频段信号交换矩阵，更改为100GE网络交换机。

（4）原配置的L频段接口MODEM池，更改为基带MODEM设备，直接接收来自100GE网络的DDC数据，利用算力进行解调。或接收来自信息处理网络的数据，编码调制成IQ数据经100GE网络发送至RFSoC进行信号成形发射。

地面站系统拓扑发生深刻变化，由此带来的效益是显而易见的。首先，在天线端实现射频数字化，避免了射频信号传输和交换引入的信道畸变，有利于保证信号质量。其次，传统天线将直接提供100GE数字接口，提供DDC和基带IQ信号数据。最后，直接在基带上利用软件算力实现调制解调，能够降本增效，提高系统的可靠性和灵活性。

3.2 RFSoC改变通信终端组成

如果说地面站设备的特点是集约化、多信道多信号并行处理，那么，商用卫星通信终端更加强调小型化，军用卫星通信终端更加强调可靠性、抗干扰生存能力和灵活性。

首先，简单介绍当前流行的Starlink终端。目前，该型终端已发展到第3代，已全面实现相控阵天线和MODEM的完美集成。天线主板上占据绝大部分面积是射频电路，核心元件是采用意法半导体BiCMOS9工艺的带移相器的波束成形收发器，即多通道RFSoC实现了上千个阵元的相控阵接收和调制解调。同时，天线已经取消了转动机构。得益于RFSoC的优势，在所有卫星通信系统中终端迭代的速度无出其右。

其次，军用卫星通信终端强调在各种环境下的可连接性、适应能力，即灵活部署的不间断通信能力。传统的MODEM针对某类型VSAT网络，或者某类卫星移动通信业务，如海事Inmarsat、O3b和Starlink等，相互不能兼容。为此，对军用卫星通信终端提出了以下需求，包括能够在同一个硬件平台架构下，通过能够适应不同频段、不同网台、不同卫星（包括主用GEO、MEO和LEO）。

这种功能需求超出了传统MODEM ASIC芯片或者独享硬件平台架构的能力上限。美国防部正在支持类似的项目，利用RFSoC先进技术支持快速单元任务重组。其中，2021年9月通用原子航空系统公司（GA-ASI）进行了演示，将休斯HM系列软件定义GEO卫星平台调制解调器MODEM和资源管理系统与O3b卫星配对，演示在MQ-9系列无人机如何在有争议的环境中保持连接性和弹性，提供全球覆盖、高吞吐量和安全性。

随着技术的发展，可重构多功能相控阵天线从目前的跨2至3个波段，逐步变为可以跨频段覆盖VHF、UHF、P、L、S、C、X、K、Ku、Ka等频段，一套天线跨波段实现雷达、通信、电子战等所有射频任务。

3.3 RFSoC对卫星通信产业的影响

近年来对卫星通信产业影响最直接最深刻的标志性事件，就是SpaceX的Starlink。RFSoC将是今后影响卫星通信产业的关键技术之一。表现在以下几个方面：

（1）Starlink异军突起，2023年已占据整个卫星通信容量的83%，GEO卫星通信终端生产厂商将不得不面对整合或者被整合的结局。唯有RFSoC，具备整合GEO海事、MEO O3b和LEO Starlink卫星通信终端的能力。

（2）Starlink终端快速迭代，给传统GEO卫星终端和MODEM厂商带来莫大压力。传统产品10年的生命周期，将可能缩短到2至3年。RFSoC一方面将进一步促进新体制、新技术在卫星通信领域的应用。另一方面，RFSoC引领的设备芯片化和可重构趋势，有利于资产保值。

（3）RFSoC引领的新技术、新器件、新工艺革命，促使卫星通信领域上下游的厂家，严肃地思考RFSoC对卫星通信产业的深刻影响，不要湮没在这场由RFSoC引起的新技术革命浪潮中。

4 结束语

最后，关注与RFSoC有关的下一代系统级设备。应用于电子战和信号情报领域的“刺猬”系统，是美国防部资助BAE系统公司推出的一种可实时重构的软件定义无线电SDR系统级芯片，尺寸约为硬币大小。其射频前端由“可重构集成电路用微波阵列技术”MATRIC收发器组成。“刺猬”系统可以实现DC到40GHz信号的调谐，并能在纳秒时间内完成开关切换，数字化及处理功能采用Xilinx公司的RFSoC技术，可同时实现16通道、2GHz带宽射频信号的数字化。

BAE系统公司将“刺猬”无线电系统应用于美国防部资助的“机器学习实时自适应可控硬件集成”CHIMERA项目中，该项目旨在为机器学习算法开发人员提供一个可重构的硬件平台，以感知电磁环境，捕捉目标射频信号。

RFSoC正在引领卫星通信领域的新技术革命，随着RFSoC+AI技术融合，将涌现越来越多的“更小、更快、更智能”的微小型信号处理平台，深入渗透、深刻影响着各行各业的发展，未来可期！

作者简介赵影，女，毕业于西安电子科技大学。中国电子科技集团公司第39研究所工程师，主要从事天线总体技术研究。