張福貴 何建新

摘 要： 針對我國新一代天氣雷達(dá)站技術(shù)保障的現(xiàn)狀，介紹一種新型的天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試集成系統(tǒng)，其包括數(shù)/模轉(zhuǎn)化器、數(shù)字下變頻處理模塊和VPX總線接口（VPX為交叉連接設(shè)備）。通過實(shí)際工作將傳統(tǒng)的測試方法和儀器與新型集成測試系統(tǒng)相比，新型天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍檢測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用高速高精度A/D采樣，全數(shù)字化處理，動態(tài)范圍結(jié)果判別采用優(yōu)化算法，提高了接收機(jī)動態(tài)范圍測試結(jié)果的準(zhǔn)確性；接收機(jī)動態(tài)范圍測試采用一鍵式測量，只需點(diǎn)擊終端軟件測試按鈕，程序自動完成動態(tài)范圍測試，避免了人為誤差的同時也提高了測試效率；測試完成后直接生成測試報告并參照大量雷達(dá)測試、檢修人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對測試中不合格項(xiàng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行簡要剖析，給出檢修建議，方便操作人員快速修復(fù)雷達(dá)故障。該系統(tǒng)帶來的有益效果為：采用VPX總線，可靠性好；全數(shù)字化處理、精度高、穩(wěn)定性好；全自動測試流程，無需人工干預(yù)。

關(guān)鍵詞： 天氣雷達(dá)接收機(jī)； 動態(tài)范圍測試； VPX總線； 集成測試系統(tǒng)； 一鍵式測量； 全數(shù)字化處理

中圖分類號： TN95?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0080?04

A new dynamic range integrated testing system for weather radar receiver

ZHANG Fugui1，2， HE Jianxin1

（1. Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China； 2. CMA Meteorological Observation Centre， Beijing 100086， China）

Abstract： In view of the current technical guarantee status of the new generation weather radar station in China， a new integrated system for dynamic range testing of the weather radar receiver is proposed. The system is composed of the digital?analog converter （ADC）， digital variable?frequency processing module， and VPX （cross connection device） bus interface. The traditional testing method and instruments are compared with the new integrated testing system in practical work， and the new dynamic range detection system for the weather radar receiver has a lot of advantages： high?speed high?precision A/D sampling， all?digital processing and the optimization algorithm with dynamic range result judgment， which can improve the accuracy of dynamic range testing results of the receiver. One?button measurement is adopted in the dynamic range testing of the receiver， that is， just click on the testing button of terminal software， and the dynamic range testing will be automatically completed by means of the program， which can not only avoid human error but also improve testing efficiency. The testing report is directly generated after completion of the testing. With reference to the experience data of the maintenance personnel and a great quantity of radar tests， brief reason analysis of unqualified items generated during the test is performed， combining with the structure of the radar system. Maintenance suggestions are given so that the operation personnel can quickly repair radar faults. The system has good reliability by using the VPX bus， high precision and good stability by using all?digital processing， and needs no manual intervention by using the whole automatic test process.

Keywords： weather radar receiver； dynamic range testing； VPX bus； integrated testing system； one?button measurement； all?digital processing

0 引 言

目前，雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍表征了接收機(jī)對微弱信號的無失真還原能力，通常用1 dB增益壓縮點(diǎn)的動態(tài)范圍來表征接收機(jī)的動態(tài)范圍。1 dB增益壓縮點(diǎn)動態(tài)范圍的定義為：當(dāng)接收機(jī)的輸出功率大到產(chǎn)生1 dB增益壓縮時，輸入信號的功率與可檢測的最小信號或等效噪聲功率之比。氣象雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)范圍表示接收系統(tǒng)能夠正常工作容許的輸入信號的強(qiáng)度范圍，信號太弱，無法檢測到信號，信號太強(qiáng)接收機(jī)系統(tǒng)會發(fā)生飽和過載；傳統(tǒng)天氣雷達(dá)動態(tài)范圍的測量采用機(jī)內(nèi)信號源或者機(jī)外信號源從接收機(jī)前端注入，由Rdasot軟件自動獲取A/D輸出的功率dB或反射率dBZ，通過改變信號源的輸出功率，測量接收機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出特性[1]。根據(jù)輸入/輸出數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，由實(shí)測曲線于擬合直線對應(yīng)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)差值（≤1.0 dB）來確定接收機(jī)系統(tǒng)的低端下拐點(diǎn)和高端上拐點(diǎn)（飽和點(diǎn)），上拐點(diǎn)和下拐點(diǎn)所對應(yīng)的輸入信號功率的差值即為接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍[1?2]。新一代天氣雷達(dá)的指標(biāo)要求：擬合直線斜率：1[±]0.015；擬合均方根誤差≤0.5；動態(tài)范圍≥85 dB。

1 傳統(tǒng)天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試與不足

傳統(tǒng)天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試有機(jī)內(nèi)信號源測試和機(jī)外信號源測試兩種方法。機(jī)內(nèi)信號源測試采用頻率源作為測試信號源，通過控制標(biāo)定單元內(nèi)部的數(shù)控衰減器改變進(jìn)入接收機(jī)的信號功率，根據(jù)信號處理輸出值測得接收機(jī)的動態(tài)范圍[3]。常用的機(jī)外信號源測試方法是使用外部信號源注入射頻信號到接收機(jī)前端，記錄接收機(jī)的輸出功率，從而測得接收機(jī)的動態(tài)范圍。

1.1 機(jī)內(nèi)信號源測試與不足

機(jī)內(nèi)信號源測試：采用雷達(dá)系統(tǒng)中的頻率源輸出的測試射頻信號作為測試信號源；控制標(biāo)定單元的十位開關(guān)和射頻數(shù)控衰減器，測試信號經(jīng)過十位開關(guān)和數(shù)控衰減器后進(jìn)入接收機(jī)；通過調(diào)整數(shù)控衰減器的步進(jìn)衰減量來設(shè)置進(jìn)入接收機(jī)的測試信號功率。從信號處理終端測得接收機(jī)輸出功率，得到1 dB壓縮點(diǎn)，從而測到接收機(jī)的動態(tài)范圍。測試信號流程圖如圖1傳統(tǒng)機(jī)內(nèi)信號源測試信號流程所示。

使用機(jī)內(nèi)信號源測試接收機(jī)動態(tài)范圍存在以下不足：采用雷達(dá)系統(tǒng)中的標(biāo)定單元控制測試信號的功率，過分依賴標(biāo)定單元的數(shù)控衰減器的性能，測試結(jié)果不準(zhǔn)確；通過信號處理終端觀測接收機(jī)輸出功率，測試結(jié)果受接收機(jī)數(shù)字中頻的動態(tài)影響，結(jié)果不準(zhǔn)確；測試過程中雷達(dá)系統(tǒng)中頻率源屬于射頻輸出狀態(tài)，而射頻開關(guān)隔離度偏低，對接收通道影響較大，測試結(jié)果不準(zhǔn)確。

1.2 機(jī)外信號源測試與不足

機(jī)外信號源測試：使用外部射頻信號源的輸出信號作為測試信號，將測試信號輸入保護(hù)器及低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），通過接收前端定向耦合器注入接收機(jī)。調(diào)整外部信號源輸出信號功率，從信號處理終端測得接收機(jī)輸出功率，得到1 dB壓縮點(diǎn)，從而測得接收機(jī)的動態(tài)范圍，測試框圖如圖2傳統(tǒng)機(jī)外信號源測試信號流程所示。

使用機(jī)外信號源測試接收機(jī)動態(tài)范圍存在以下不足：采用外部射頻信號源產(chǎn)生測試信號，儀器設(shè)備成本較高，測試條件不易滿足；對測試人員的專業(yè)技能要求較高；測試采用全人工操作，效率低，操作不方便，引入的人為誤差較大；測試完成后不能直接生成測試報告。

2 新型天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試集成系統(tǒng)

2.1 集成測試系統(tǒng)特點(diǎn)

為了解決上述傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試方法中存在的不足，這里提供一種新型的天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍檢測集成系統(tǒng)。其包括數(shù)/模轉(zhuǎn)化器、數(shù)字下變頻處理模塊和VPX總線接口（VPX為交叉連接設(shè)備）。數(shù)/模轉(zhuǎn)化器的輸出端與數(shù)字下變頻處理模塊的輸入端相連；數(shù)字下變頻處理模塊包括混頻處理模塊、低通濾波模塊和抽取模塊，混頻處理模塊的輸出端與低通濾波模塊的輸入端相連，低通濾波模塊的輸出端與抽取模塊的輸入端相連；數(shù)字下變頻處理模塊的輸出端與VPX總線接口輸入端相連。圖3為新型接收機(jī)動態(tài)范圍檢測集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

數(shù)/模轉(zhuǎn)化器中的A/D轉(zhuǎn)化器采用高速高精度ADC芯片，最大采樣率可達(dá)100 MSPS，采樣精度16位，SFDR高達(dá)89 dB，典型信噪比為83 dB，有效提升了系統(tǒng)靈敏度和線性動態(tài)范圍，保證了測量精度。中頻回波信號經(jīng)A/D直接采樣，輸出二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的16位數(shù)字量。

數(shù)字下變頻處理以ALTERA公司超大規(guī)模FPGA芯片為核心，結(jié)合外部SRAM（Static Random Access Memory，一種具有靜止存取功能的內(nèi)存），以及動態(tài)隨機(jī)存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時高精度并行處理[4]。數(shù)字下變頻處理主要由 NCO 混頻 （Numerical Controlled Oscillator ）、CIC梳狀濾波（Compensated Ionization Chamber）、 FIR 抽取濾波器 （Finite Impulse Response）等部分組成。

ADC輸出的并行數(shù)字信號與FPGA內(nèi)部集成的NCO進(jìn)行數(shù)字混頻得到零中頻信號，經(jīng)過CIC濾波器和FIR濾波器濾波抽取處理后，得到基帶I/Q信號，以滿足后端處理器處理速度和 VPX 總線傳輸速率要求。數(shù)字下變頻處理完全采用FPGA可編程方式實(shí)現(xiàn)，不受環(huán)境因素影響，靈活性高[5?8]。數(shù)字下變頻運(yùn)算結(jié)果經(jīng)VPX總線輸出至終端處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示，圖4為集成中的數(shù)字下變頻信號流程圖。

VPX總線是近幾年為滿足更大數(shù)據(jù)帶寬和更強(qiáng)散熱能力的要求下產(chǎn)生的一種新的總線規(guī)范。VPX全部采用的MultiGig RT2連接器，具有連接緊密、插入損耗小、和誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，通過結(jié)合REDI（實(shí)時數(shù)據(jù)智能）構(gòu)成的VPX?REDI平臺可滿足苛刻環(huán)境和大帶寬的工作需求。VPX支持多種并行和串行傳輸協(xié)議，主要包括VME64X和PCI并行總線協(xié)議[9?11]。為解決與CPCI（德國西匹茲）和傳統(tǒng)VME產(chǎn)品（Virtual Machine Environment）的兼容問題，VPX采用了一種同時帶有各種標(biāo)準(zhǔn)插槽的混合式背板結(jié)構(gòu)，這樣在系統(tǒng)升級時仍可以保留大部分現(xiàn)有模塊。圖5為實(shí)現(xiàn)的集成測試系統(tǒng)硬件接口。

新型天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍檢測集成系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下主要技術(shù)指標(biāo)：

1） ADC精度：16位，100 MSPS采樣率；

2） 中頻輸入帶寬：≤10 MHz；

3） I/Q數(shù)據(jù)位寬：32 bit；

4） 中頻測試范圍：-85～15 dBm；

5） 動態(tài)范圍測試誤差：≤2 dB。

2.2 終端軟件界面

終端軟件通過VPX總線實(shí)時獲取I/Q數(shù)據(jù)，采用多次平均算法和噪聲閾值判別算法，并結(jié)合氣象雷達(dá)方程和系統(tǒng)常數(shù)，計算得出當(dāng)前注入信號的反射率值。然后步進(jìn)衰減射頻信號源輸出功率，得到相應(yīng)的反射率值，以此循環(huán)直到衰減到最大量程，測試結(jié)束。終端根據(jù)計算得到的該組反射率值，采用最小二乘法擬合出接收機(jī)的動態(tài)范圍曲線，計算出斜率、方差、動態(tài)范圍等結(jié)果。軟件實(shí)現(xiàn)了流程化的測試內(nèi)容和提示，形成測試報告并給出檢測意見，測試報告的自動化編輯和生成極大地提高了測試工作效率。圖6為終端軟件界面。

3 臺站測試與應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)終端軟件測試界面中的流程操作提示，只需將平臺測試點(diǎn)接入，按照需求啟動動態(tài)范圍測試，點(diǎn)擊“開始測試”即可，系統(tǒng)便會自動完成對天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍的測試，并記錄測試數(shù)據(jù)，完成測試后即可生成測試報表和自動生成測試報告。圖7為自動生成的臺站實(shí)測天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試數(shù)據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用的測試案例可以看出，本系統(tǒng)的性能測試效果良好，符合其參數(shù)規(guī)范和要求，說明本系統(tǒng)具有很好的可靠性和可用性。目前該集成系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某S波段的接收機(jī)動態(tài)范圍測試工裝系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié) 語

本文針對我國新一代天氣雷達(dá)站技術(shù)保障的現(xiàn)狀，介紹一種新型的天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍測試集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)高度集成數(shù)/模轉(zhuǎn)化器、數(shù)字下變頻處理模塊和VPX總線接口。其能夠在測試接收機(jī)動態(tài)范圍時，將射頻輸出處于關(guān)斷狀態(tài)，降低雷達(dá)系統(tǒng)對接收通道的影響，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，能有效地解決傳統(tǒng)測試方法存在的不足。同時降低測試成本及對測試人員專業(yè)技能的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化測試，自動生成測試報告，提高測試效率。通過研究希望能夠?yàn)樘鞖饫走_(dá)系統(tǒng)的性能測試、雷達(dá)維護(hù)維修保障體系提供一種新的解決方案。

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