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将数据投射为信号

基于软件构造数据，将数据转换为物理信号

背景介绍

通信雷达电子战卫星微波遥感测试测量量子计算工业控制等领域，均有将数据转换为真实物理信号的需求。例如，产生基础通信信号，MIMO信号，雷达信号，雷达模拟器信号，电子战干扰信号，相控阵雷达信号，两字比特控制信号等。

RFSOC 单芯片集成至少8路 DAC，同时具备处理器单元、高速接口单元等外设，这为信号生成提供了一套友好而强大的平台。

使用RFSOC时，用户首先在计算机中使用 Matlab/Python 的软件平台产生所需的数据，比如雷达脉冲信号，通信基带信号，工业控制信号等。用户构造数据时，可任意构造波形以及各通道之间的信号相位和功率关系。随后，用户可通过将构造的数据发送至 RFSOC 板载 DDR4 SDRAM内存，或者系统内的大容量固态存储模块。最后，系统工作时可响应触发条件，将数据从 DDR4 内存或固态存储系统中读出，载入FPGA片内高速缓存，最终驱动DAC生成物理信号。

技术介绍

基于AMD公司RFSOC芯片 XC47DR 的设计，具备多达8个 5Gsps速率的ADC通道和8个 5Gsps速率的DAC通道，对应产生或消耗的数据速率可能高达 80GBps（8 x 5Gsps x 2Bytes）。因此，数字系统需要设计合理而灵活的逻辑以存储对应的数据，以便能应对多种应用场景的需求。

对应最高 80GBps的ADC数据流，以及80GBps的DAC数据流，RFSOC 芯片的存储能力和IO能力显得相对不足。

关于芯片的内部存储资源， 本产品采用的 XC47DR 内部具备 1080个 4KB RAM，以及 80个 32KB URAM，对应的存储容量分别为4320KB 和 2560KB。这些RAM虽然容量不大，但可以提供足够高的速率，以适配ADC/DAC接口。

关于外部存储资源，XC47DR 芯片可在 PS端驱动 8GB DDR4 SDRAM（64bits或72bits 2400Mbps），PL端可驱动4GB DDR4 SDRAM（32bits 2666Mbps）。由于PS端的内存需分配部分容量和带宽给 ARM处理器，所以可认为用于ADC/DAC数据的外部存储资源大约 10GB容量，以及20GBps的带宽。

关于数据输入输出，XC47DR 在PL端提供2个 4x GTY 高速接口，可运行2个 100Gbps 速率双向串口（例如QSFP光纤），提供大约25GBps的数据传输能力。

综上所述，47DR内部的RAM，可提供8路ADC和8DAC全速运行所需的带宽，但仅可提供数MB的存储容量。外部DDR4可提供大于 20GBps带宽以及10GB容量。对外IO，可提供约 25GBps双向传输。

根据RFSOC XC47DR 芯片的特性，为了灵活高效地生成信号，我们可以针对应用场景需求设计多种构架。

下面给出一些典型的设计配置。

如下图，系统构造典型应用于雷达系统的脉冲波。

第1步，用户在计算机平台通过软件构造8路DAC所需的各批次脉冲信号，比如构建8GB的波形数据。

第2步，通过网络或光纤接口，将数据下载至系统硬件的板载DDR4 SDRAM内存。

第3步，数据从DDR4 SDRAM预装载至FPGA片内高速缓存RAM。

第4步，系统响应用户指令、或内建时序、或外部脉冲信号，将数据从RAM读出，转换为模拟信号。

如果8个DAC通道同时工作，则每个通道可配置至少 256KB 高速缓存，可全速驱动信号采集和生成。

• 例如，对于5Gsps采样率的DAC其数据率为10GBps，256KB可缓存25.6us的数据。

• 例如，8个采样通道工作均在5Gsps采样率时，8个通道可同时生成25.6us的波形。

• 例如，如果DAC工作在上变频插值模式，则可产生更宽的脉冲信号。

如果 DDR4 SDRAM与 片内RAM之间的数据供给速率为 2GBps，则存储在 DDR4 中的数据为脉冲生成提供数据源。例如，基于上述场景参数，如果DAC瞬时数据消耗率为10GBps，那么可产生 20% 占空比的脉冲信号。同时，DDR4内部的数据可循环使用，不间断提供信号，从而支持系统持续生成脉冲信号。

再如下图，RFSOC 配合高速大容量存储模块协同工作。

高速大容量存储模块，使用FPGA直接驱动6块 NVMe 固态硬盘并行工作，单个模块提供高达 8GBps以上的连续数据供给速率以及48TB存储容量。多个模块并行工作可成倍地提供更大的速率和容量。

第1步，用户在计算机平台通过软件构造8路DAC所需的各批次脉冲信号，比如构建48TB的波形数据。

第2步，通过光纤接口，将数据下载至高速大容量存储模块。

第3步，数据从高速大容量存储模块预装载至FPGA片内高速缓存RAM。通过系统内2条 100Gbps光纤，其数据供给速率可达 25GBps。

第4步，系统响应用户指令、或内建时序、或外部脉冲信号，将数据从RAM读出，转换为模拟信号。

可见，引入高速大容量存储模块后，系统具备了庞大的数十TB的波形存储能力，可产生更为灵活多变的信号。