一种基于射频片上系统的电磁环境实时监测装置及系统

1.本发明涉及一种基于射频片上系统(rfsoc)的电磁环境实时监测系统。


背景技术：

2.对于射电天文领域，射频干扰(rfi，radio frequency interference)指除观测目标信号外，射电望远镜接收到的其他无用信号。rfi分为自然干扰源和人为干扰源，自然干扰源如宇宙背景辐射、太阳、雷电等；人为干扰源可能来自广播电视、数据传输(移动通信、微波接力、无线网络)、导航(gps，北斗，glonass)、雷达、遥感、军用通信、电子墙、汽车火花塞、高压电线及家用电子设备(微波炉)等。人为干扰源对射电天文观测的影响远远大于自然干扰源
14.，不同的rfi类型，具有不同的信号特征，对射电天文观测产生不同的影响；且信号特征复杂，尤其是瞬态信号，如雷达测距(dme,distance measurement equipment)，脉冲带宽1-3mhz，脉冲时间间隔1-128μs；手机移动电话，脉冲发射周期约1ms；数字类电子设备，其辐射带宽极宽，脉冲周期可能小于1μs。故电磁环境极其复杂。
3.大口径射电望远镜工作带宽覆盖较大，具有极高的系统灵敏度，但极易受到通讯业务、广播业务等的干扰
1.。电磁干扰对射电天文望远镜观测产生影响，降低系统信噪比，恶化观测数据质量
2.。随着高速数字技术的发展，射电天文台站无线电环境日趋恶化，各类电子、商用设备使得台站电磁环境变得越来越复杂
3.，如大幅提高环境噪声的宽带干扰源、瞬态信号干扰源、具有极化特性的辐射干扰源等
4.。稳定的干扰信号通常很容易确定它们的来源，因为它们遵守分配的频带；然而，很多瞬态干扰信号具有宽带、非周期、时间分辨率极高，信号的有效检测和辨识异常困难
5.，需要开发宽带、高时间分辨率的实时电磁环境监测系统，为射电天文台址瞬态信号特征分析和电磁干扰缓解策略的制定提供重要依据。
4.然而，常规的电磁环境监测具有一定的局限性，如传统的信号分析仪仅能实现单通道，且实时带宽较窄、频谱时间分辨率不足，无法实现宽带、多个方向、高时间分辨率实时测量，故无法实施检测和分析射电天文台址不同方向、不同带宽的瞬态干扰特征。
5.参考文献：
6.[1]王玥,刘奇,刘晔,苏晓明，自动化电磁环境监测系统软件开发与实现，天文研究与技术,2020.
[0007]
[2]刘奇,陈卯蒸,李颖等.射电天文台址电子设备电磁辐射评估[j].天文研究与技术,2015,12(3):292-298.
[0008]
[3]袁力,刘奇,孙正文等.现场环境下设备区域电磁干扰检测与识别方法.电波科学学报,2017,32(6):650-656.
[0009]
[4]j.g.porko.radio frequency interference in radio astronomy.master's thesis,aalto university.school of electrical engineering,finland,2011.
[0010]
[5]p.a.fridman.a method of detection radio transients.mon.not.r.astro.soc.409,808-820,2010.


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的在于提供一种基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，以实现宽带、多个方向、高时间分辨率的实时测量。
[0012]
为了实现上述目的，本发明提供一种基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其包括依次连接的射频接收装置、射频数字化处理装置和数据处理装置、以及与所述射频数字化处理装置连接的辅助装置，所述射频接收装置由3-6套定向天线组成，多套定向天线在指定平面上沿360
°
均匀分布；所述定向天线固定在射频数字化处理装置上，每套定向天线的两个端口均通过射频电缆连接至射频数字化处理装置；所述射频数字化处理装置包括一屏蔽盒，所述数据处理装置包括一屏蔽室，射频数字化处理装置与数据处理装置通过光纤连接；所述辅助装置包括接地网、安装于所述接地网上的支撑塔和供电端，所述射频接收装置和射频数字化处理装置安装于所述支撑塔的顶部，射频数字化处理装置的屏蔽盒上还设有接地端，通过其接地端连接接地线进而与接地网连接；并且射频数字化处理装置通过电源线与供电端电连接。
[0013]
所述射频数字化处理装置还包括安装于屏蔽盒内的多个低噪声放大器、与低噪声放大器连接的射频片上系统组件以及与低噪声放大器和射频片上系统组件均连接的直流电源模块，以及安装于屏蔽盒外且与所述射频片上系统组件通过输入光纤和输出光纤连接的数字化装置接线盒；
[0014]
所述数据处理装置还包括安装于所述屏蔽室内部的高性能计算机、光交换机、时间频率模块和光电模块、以及安装于所述屏蔽室外部的处理装置接线盒；高性能计算机的数量为多个并且均与光交换机连接，时间频率模块和光电模块彼此连接，并且光交换机和光电模块分别与光纤连接，这些光纤均穿过屏蔽室上的第二光纤波导管与处理装置接线盒连接，所述处理装置接线盒通过多芯光纤来与数字化装置接线盒连接。
[0015]
所述射频数字化处理装置的所述低噪声放大器通过多个射频连接器和射频电缆来与所述定向天线连接，所述直流电源模块通过电源线来与外界电源相连，并且所述数字化装置接线盒通过多芯光纤来与所述数据处理装置连接。
[0016]
所述屏蔽盒上安装有射频连接器、光纤波导管、馈通滤波器和屏蔽防水透气阀，在屏蔽盒内部和外部的射频电缆分别与射频连接器的两端连接，在屏蔽盒内部和外部的电源线分别与馈通滤波器的两端连接，所述输入光纤、输出光纤贯穿所述光纤波导管；并且所述射频连接器、光纤波导管、馈通滤波器、屏蔽防水透气阀在工作状态下的屏蔽效能均大于50db。
[0017]
所述外界电源为220v交流电源。
[0018]
所述射频片上系统组件包括与低噪声放大器通过射频电缆连接的adc模块、与adc模块连接的射频片上系统、以及与射频片上系统连接的四通道光模块通信接口。
[0019]
所述定向天线的6db波束宽度为60
°‑
120
°
，且每套定向天线均满足测量带宽大于200mhz-2ghz的工作测量频段要求。
[0020]
所述支撑塔高度大于4米。
[0021]
(1)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统与传统的电磁环境监测系统相比，该专利实现全方向、双极化、超宽带同步实时测量，能够满足电磁环境实时、超宽带测量要求，且可通过定向天线的指向，实时辨别信号来源，分析不同方向信号区别。具体
来说，一方面从整体系统构建层面，在保整测量系统灵敏度的基础上，通信互联极其简化，仅有射频电缆、光纤和供电电缆，远距离光纤传输，系统可靠性高；另一方面，从系统电磁兼容层面，融入了系统性电磁防护设计，提高监测系统整体可靠性，抑制了自身电磁辐射对测量数据精度的影响；同时，电磁防护不影响射电天文观测，更加适用于射电天文台址。再一方面，本专利主要基于rfsoc功能特点，从硬件构架、实时电磁环境测量需求、通信互联、系统电磁兼容性、系统可靠性角度进行综合设计与考虑实现。
[0022]
(2)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统定向天线不需要转动，是位置和方向固定的，且数量为多个，因此与传统的电磁环境监测系统相比，不再使用定向天线转动云台(控制定向天线指向不同方向开展测量)，减少系统控制链路及控制软件复杂性，但是功能远远强于传统监测系统，且系统的可靠性更高。
[0023]
(3)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统所采用的rfsoc功能强大、功率低、尺寸小，便于系统集成和屏蔽防护，且信号通过光纤传输至数据处理装置，监测系统整体可靠性提高。
[0024]
(4)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统所采用的rfsoc同时将多射频通道的信号数字化，通过qsfp高速通信模块(传输速率达到40gbps)实现射频基带数据传输至数据处理装置的高性能计算机，进而实现高时间分辨率(如1微妙量级)、2ghz带宽频谱实时测量与分析。
附图说明
[0025]
图1是本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统的整体结构示意图。
[0026]
图2是如图1所示的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统的射频接收装置的结构示意图。
[0027]
图3是如图1所示的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统的射频数字化处理装置的结构示意图。
[0028]
图4是如图3所示的射频数字化处理装置的射频片上系统组件的内部电路图。
[0029]
图5是如图1所示的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统的辅助装置的结构示意图。
[0030]
图6是如图1所示的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统的数据处理装置的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
[0032]
如图1所述为根据本发明的一个实施例的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其包括依次连接的射频接收装置100、射频数字化处理装置200和数据处理装置400、以及与所述射频数字化处理装置200连接的辅助装置300。其中，射频接收装置100与射频数字化处理装置200通过射频电缆连接。射频数字化处理装置200与数据处理装置400通过光纤连接。
[0033]
所述射频接收装置100设置为接收空间射频信号，并将空间射频信号传输至射频
数字化处理装置200。射频接收装置100由3-6套定向天线101组成，多套定向天线101在指定平面上沿360
°
均匀分布。如图2所示，定向天线101的数量为4套。4套天线位置及分布方式如图2所示，也就是每隔90
°
设置一个天线，测量90
°
范围的空间无线电信号。以此类推，3套定向天线101在指定平面上每隔120
°
设置一个；5套天线每隔72
°
设置一个；6套天线每隔60
°
设置一个。定向天线101的6db波束宽度通常为60
°‑
120
°
，由此通过3-6套定向天线可覆盖360
°
范围。
[0034]
每套定向天线101均满足测量带宽大于200mhz-2ghz的工作测量频段要求。定向天线101固定在射频数字化处理装置200上，每套定向天线101为双极化输出，即每套定向天线101分别具有垂直极化端口(v)和水平极化端口(h)，每套定向天线101的两个端口均通过射频电缆102连接至射频数字化处理装置200的射频连接器，从而形成来自定向天线的8路射电信号，满足空间360
°
范围、两个极化同时测量。射频电缆102包括与垂直极化端口连接的v类射频电缆和与水平极化端口连接的h类射频电缆。
[0035]
如图3所示，所述射频数字化处理装置200设置为对空间射频信号进行放大，并进行数字化处理以得到基带数据，并将基带数据传输至数据处理装置400。射频数字化处理装置200包括一屏蔽盒201、安装于屏蔽盒201内的多个低噪声放大器202、与低噪声放大器202连接的射频片上系统(rfsoc)组件203以及与低噪声放大器202和射频片上系统组件203均连接的直流电源模块204，以及安装于屏蔽盒201外且与所述射频片上系统组件203通过输入光纤2034和输出光纤2035连接的数字化装置接线盒205。所述射频数字化处理装置200的所述低噪声放大器202通过多个射频连接器2011和射频电缆来与所述定向天线101连接，所述直流电源模块204通过电源线来与外界电源相连，并且所述数字化装置接线盒205通过多芯光纤来与所述数据处理装置400连接。
[0036]
由于射频数字化处理装置200安装于高性能的屏蔽盒201内，因此所有电缆(包括射频电缆、电源线、输入光纤2034、输出光纤2035)进入屏蔽盒均经过滤波和电磁防护处理，防止自身电磁干扰被射频接收装置接收到，提高测量数据精度。
[0037]
具体来说，所述屏蔽盒201上安装有射频连接器2011、光纤波导管2012、馈通滤波器2013和屏蔽防水透气阀2014，在屏蔽盒内部和外部的射频电缆分别与射频连接器2011的两端连接，在屏蔽盒内部和外部的电源线分别与馈通滤波器2013的两端连接，所述输入光纤2034、输出光纤2035贯穿所述光纤波导管2012。
[0038]
由此，射频连接器2011安装在屏蔽壳体上，起到屏蔽作用，抑制屏蔽盒内部电磁波传导至外部；输入光纤2034、输出光纤2035从光纤波导管2012穿出和穿入，抑制屏蔽盒内部电磁波传导至外部；馈通滤波器2013起到低频通过，高频滤波作用，即电信号通过馈通滤波器进入至屏蔽盒内部，为内部设备供电，屏蔽盒内部高频电磁波无法通过馈通滤波器传导至屏蔽盒外部。屏蔽盒201设置屏蔽防水透气阀2014，确保屏蔽盒内外气压一致，防止水汽进入，提高屏蔽盒内部器件的可靠性。
[0039]
在本实施例中，射频连接器2011、光纤波导管2012、馈通滤波器2013、屏蔽防水透气阀2014在工作状态下的屏蔽效能均大于50db，确保屏蔽盒整体屏蔽效能大于50db。
[0040]
在本实施例中，外界电源优选为220v交流电源，由此，220v交流电源的电源线通过馈通滤波器2013进入屏蔽盒201，接入直流电源模块204，直流电源模块204将交流转换为直流，为屏蔽盒201内部的低噪声放大器202和射频片上系统组件203供电。
[0041]
如图4所示，rfsoc(radio frequency system on chip)称为射频片上系统，所述射频片上系统(rfsoc)组件203包括与低噪声放大器202通过射频电缆连接的adc模块2031、与adc模块2031连接的射频片上系统2032、以及与射频片上系统2032连接的四通道光模块通信接口(qsfp)2033。
[0042]
目前单块射频片上系统最多可实现16个通道adc，采样率可达到4gsps，即实时每个采样通道的带宽可达到2ghz。故射频片上系统可实现多射频通道、2ghz带宽数字化，并通过输出光纤2035传输。如图3所示，不同方向的定向天线接收的射频信号进入rfsoc的adc模块，经过数字化后通过输出光纤2035传输至数据处理装置400。qsfp为传输速率达到了40gbps，实现高速数据传输。
[0043]
由此，来自定向天线的8路空间射频信号通过射频电缆、射频连接器进入屏蔽盒201，经过低噪声放大器202进行放大，进入adc模块2031，将模拟信号形式的空间射频信号转换为数字信号形式，经过射频片上系统2032处理后，通过四通道光模块通信接口2033将打包后的基带数据通过输出光纤2035输出。在本实施例中，由于输出光纤2035的数据容量有限，故分为两根输出光纤2035传输数据，每根输出光纤2035传输4个射频通道数字化后的基带数据。第三根光纤为输入光纤2034，其用于向射频片上系统2032提供来自于数据处理装置400的时间频率模块的频率参考信号，以提高数据质量。频率参考信号包括10mhz和1pps参考信号。
[0044]
如图5所示，射频数字化处理装置200安装在辅助装置300上，辅助装置300为射频数字化处理装置提供接地网和供电电源。
[0045]
所述辅助装置300包括接地网301、安装于所述接地网301上的支撑塔302和供电端303，所述射频接收装置100和射频数字化处理装置200安装于所述支撑塔302的顶部，射频数字化处理装置200的屏蔽盒上还设有接地端2015，通过其接地端2015连接接地线304进而与接地网301电连接，确保屏蔽内部器件工作的可靠性；并且射频数字化处理装置200通过电源线与供电端303电连接，为屏蔽盒内部器件提供电源。支撑塔高度大于4米，防止地面杂散信号对电磁环境监测数据产生影响。
[0046]
如图6所示，所述数据处理装置400用来处理射频数字化处理装置200的基带数据，获得不同频率分辨率、不同时间分辨率、不同方向、不同极化的实时频谱数据，并为射频数字化处理装置200提供频率基准，频率基准为高数据精度。
[0047]
所述数据处理装置400包括一屏蔽室401，安装于所述屏蔽室401内部的高性能计算机402、光交换机403、时间频率模块404和光电模块405、以及安装于所述屏蔽室401外部的处理装置接线盒406，高性能计算机402的数量为多个并且均与光交换机403连接，时间频率模块404和光电模块405彼此连接，并且光交换机403和光电模块405分别与光纤连接，这些光纤均穿过屏蔽室401上的第二光纤波导管407与处理装置接线盒406连接。由此，数据处理装置400与辅助装置300无关，安装在射电天文台址高性能屏蔽室内部，通过光纤远距离传输，防止设备辐射发射影响射电天文观测，所有信号通过光纤、屏蔽室光纤波导管传输至射频数字化处理装置，以确保数据处理装置的可靠性。
[0048]
时间频率模块404设置为提供参考频率，光电模块405设置为将参考频率转换为光信号，通过与之连接的光纤进入处理装置接线盒406。由此，光纤在处理装置接线盒406内部进行熔接，通过多芯光纤连接射频数字化处理装置200的数字化装置接线盒205。
[0049]
与光交换机403连接的光纤均通过第二光纤波导管407进入屏蔽室401，经过光交换机403进入高性能计算机402。在本实施例中，考虑到光纤承载的数据容量有限，考虑到数据流极大，采用2根光纤传输数字化后的基带数据；此外，考虑到数据量和数据实时处理对计算资源的要求，高性能计算机402的数量为2个，即需至少配备2台高性能计算机，实时校验和处理不同定向天线接收到的电磁环境数据。高性能计算机402进一步处理来自射频数字化处理装置不同通道的射频信号，也就是所有定向天线接收的射频信号，实现全方向、双极化同步实时测量。
[0050]
(1)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统与传统的电磁环境监测系统相比，该专利实现全方向、双极化、超宽带同步实时测量，能够满足电磁环境实时、超宽带测量要求，且可通过定向天线的指向，实时辨别信号来源，分析不同方向信号区别。具体来说，一方面从整体系统构建层面，在保整测量系统灵敏度的基础上，通信互联极其简化，仅有射频电缆、光纤和供电电缆，远距离光纤传输，系统可靠性高；另一方面，从系统电磁兼容层面，融入了系统性电磁防护设计，提高监测系统整体可靠性，抑制了自身电磁辐射对测量数据精度的影响；同时，电磁防护不影响射电天文观测，更加适用于射电天文台址。再一方面，本专利主要基于rfsoc功能特点，从硬件构架、实时电磁环境测量需求、通信互联、系统电磁兼容性、系统可靠性角度进行综合设计与考虑实现。
[0051]
(2)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统定向天线不需要转动，是位置和方向固定的，且数量为多个，因此与传统的电磁环境监测系统相比，不再使用定向天线转动云台(控制定向天线指向不同方向开展测量)，减少系统控制链路及控制软件复杂性，但是功能远远强于传统监测系统，且系统的可靠性更高。
[0052]
(3)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统所采用的rfsoc功能强大、功率低、尺寸小，便于系统集成和屏蔽防护，且信号通过光纤传输至数据处理装置，监测系统整体可靠性提高。
[0053]
(4)本发明的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统所采用的rfsoc同时将多射频通道的信号数字化，通过qsfp高速通信模块(传输速率达到40gbps)实现射频基带数据传输至数据处理装置的高性能计算机，进而实现高时间分辨率(如1微妙量级)、2ghz带宽频谱实时测量与分析。

技术特征：
1.一种基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，其包括依次连接的射频接收装置、射频数字化处理装置和数据处理装置、以及与所述射频数字化处理装置连接的辅助装置；所述射频接收装置由3-6套定向天线组成，多套定向天线在指定平面上沿360
°
均匀分布；所述定向天线固定在射频数字化处理装置上，每套定向天线的两个端口均通过射频电缆连接至射频数字化处理装置；所述射频数字化处理装置包括一屏蔽盒，所述数据处理装置包括一屏蔽室，射频数字化处理装置与数据处理装置通过光纤连接；所述辅助装置包括接地网、安装于所述接地网上的支撑塔和供电端，所述射频接收装置和射频数字化处理装置安装于所述支撑塔的顶部，射频数字化处理装置的屏蔽盒上还设有接地端，通过其接地端连接接地线进而与接地网连接；并且射频数字化处理装置通过电源线与供电端电连接。2.根据权利要求1所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述射频数字化处理装置还包括安装于屏蔽盒内的多个低噪声放大器、与低噪声放大器连接的射频片上系统组件以及与低噪声放大器和射频片上系统组件均连接的直流电源模块，以及安装于屏蔽盒外且与所述射频片上系统组件通过输入光纤和输出光纤连接的数字化装置接线盒；所述数据处理装置还包括安装于所述屏蔽室内部的高性能计算机、光交换机、时间频率模块和光电模块、以及安装于所述屏蔽室外部的处理装置接线盒；高性能计算机的数量为多个并且均与光交换机连接，时间频率模块和光电模块彼此连接，并且光交换机和光电模块分别与光纤连接，这些光纤均穿过屏蔽室上的第二光纤波导管与处理装置接线盒连接，所述处理装置接线盒通过多芯光纤来与数字化装置接线盒连接。3.根据权利要求2所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述射频数字化处理装置的所述低噪声放大器通过多个射频连接器和射频电缆来与所述定向天线连接，所述直流电源模块通过电源线来与外界电源相连，并且所述数字化装置接线盒通过多芯光纤来与所述数据处理装置连接。4.根据权利要求3所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述屏蔽盒上安装有射频连接器、光纤波导管、馈通滤波器和屏蔽防水透气阀，在屏蔽盒内部和外部的射频电缆分别与射频连接器的两端连接，在屏蔽盒内部和外部的电源线分别与馈通滤波器的两端连接，所述输入光纤、输出光纤贯穿所述光纤波导管；并且所述射频连接器、光纤波导管、馈通滤波器、屏蔽防水透气阀在工作状态下的屏蔽效能均大于50db。5.根据权利要求3所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述外界电源为220v交流电源。6.根据权利要求2所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述射频片上系统组件包括与低噪声放大器通过射频电缆连接的adc模块、与adc模块连接的射频片上系统、以及与射频片上系统连接的四通道光模块通信接口。7.根据权利要求1所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述定向天线的6db波束宽度为60
°‑
120
°
，且每套定向天线均满足测量带宽大于200mhz-2ghz的工作测量频段要求。
8.根据权利要求1所述的基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其特征在于，所述支撑塔高度大于4米。

技术总结
本发明提供一种基于射频片上系统的电磁环境实时监测系统，其包括依次连接的射频接收装置、射频数字化处理装置和数据处理装置、与射频数字化处理装置连接的辅助装置，射频接收装置由3-6套定向天线组成，多套定向天线在指定平面上沿360


技术研发人员：刘奇 马凌 董晓玉 李蓉 王娜 杜清清 苏晓明
受保护的技术使用者：中国科学院新疆天文台
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/5