王俊嶺，紀(jì)經(jīng)明，鐘 山

（北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081）

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是雷達(dá)獲取數(shù)字信號的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。由于觀測場景和信息提取內(nèi)容差異，雷達(dá)體制靈活多變，這使得高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計一般按雷達(dá)系統(tǒng)需求進(jìn)行定制[2-3]。高分辨探測與成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計課程中，所用的實驗雷達(dá)體制多樣，存在簡單單頻脈沖、頻率步進(jìn)信號、寬帶線性調(diào)頻信號等多種信號形式，信號帶寬也分布在由簡單單頻脈沖的0.1 MHz 帶寬到寬帶線性調(diào)頻信號的3 GHz 帶寬之間。為每種雷達(dá)均定制一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅導(dǎo)致實驗設(shè)備成本高昂，多種類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置操作的復(fù)雜性令學(xué)生花費大量的精力于雷達(dá)設(shè)備模塊的組裝配置上，不利于實際實驗教學(xué)。配置靈活的高速信號采集設(shè)備可適用不同體制的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)，有利于雷達(dá)信號處理的模塊化和實驗教學(xué)時的流程化[4]。因此，本文設(shè)計了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過配置信號的帶寬、頻點等參數(shù)信息實現(xiàn)3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號的自適應(yīng)采集與傳輸。該設(shè)計的關(guān)鍵在于利用高速ADC 先把輸入的基帶或中頻信號統(tǒng)一采用寬帶采樣，然后在FPGA 中根據(jù)雷達(dá)配置參數(shù)實現(xiàn)寬窄帶信號的分選、預(yù)處理以及傳輸。該實現(xiàn)方式可靈活適應(yīng)不同雷達(dá)體制，且對外接口簡單，很容易與不同體制雷達(dá)實驗設(shè)備裝配。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

相對而言，窄帶雷達(dá)測量距離遠(yuǎn)、跟蹤范圍廣，但目標(biāo)的距離分辨能力較弱，常用于目標(biāo)檢測和運動特性參數(shù)測量；而寬帶雷達(dá)距離分辨率高，可獲取目標(biāo)精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，用于目標(biāo)識別，或者利用其高距離分辨能力提升在雜波或干擾環(huán)境下的目標(biāo)檢測、跟蹤性能[5-6]。同時，出于降低寬帶雷達(dá)工程實現(xiàn)難度或抗干擾等目的，頻率步進(jìn)或者頻率捷變等頻率跳變信號體制在雷達(dá)中廣泛應(yīng)用[1]。此外，出于體制優(yōu)勢互補的目的，研究人員常采用寬窄帶雷達(dá)組網(wǎng)[7]或者寬窄帶交替發(fā)射信號[8]的方式充分發(fā)揮寬窄帶雷達(dá)各自的優(yōu)勢。雷達(dá)信號體制的復(fù)雜化增加了雷達(dá)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計難度[9-10]，通用化的寬窄帶雷達(dá)信號采集處理系統(tǒng)需要自動根據(jù)雷達(dá)信號的帶寬模式、頻點跳變等自適應(yīng)地采集信號。對此，本文設(shè)計了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖1），可根據(jù)信號的帶寬、頻點等參數(shù)配置信息實現(xiàn)3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號的自適應(yīng)采集與傳輸。

圖1 自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號采集系統(tǒng)

雷達(dá)I、Q 兩路射頻信號分別通過一片ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)寬窄帶配置參數(shù)選擇寬帶通路或窄帶通路，并緩存預(yù)處理后的數(shù)據(jù)到DDR3 中，最后由光纖傳輸模塊通過光纖將采樣數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理存儲接口。該系統(tǒng)中寬帶信號與窄帶信號具有獨立通路，一方面可適應(yīng)寬帶成像雷達(dá)中寬窄帶交替模式，同時也在實驗中直接對比分析不同寬窄帶采樣模式對雷達(dá)信號處理的影響。

對寬帶通路，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求輸入信號為零中頻信號，數(shù)采模塊根據(jù)寬帶信號參數(shù)配置采樣率采集回波，但采集到回波信號后不做數(shù)據(jù)預(yù)處理，直接傳給后續(xù)數(shù)據(jù)處理存儲模塊。對窄帶通路，該系統(tǒng)則無零中頻輸入要求，但需要窄帶信號的載頻或頻率跳變帶寬加上窄帶信號帶寬后小于數(shù)采芯片的最大可配置采樣率，在獲取窄帶數(shù)字信號后，根據(jù)窄帶信號頻點和帶寬信息，進(jìn)行數(shù)字下變頻和抽取濾波處理，獲得窄帶基帶回波信號，然后傳輸給數(shù)據(jù)處理存儲模塊。此外，為保證回波信號的相參性，ADC 的采樣率等參數(shù)配置在寬窄交替模式或者頻率跳變模式下應(yīng)保持一致，為2 種信號模式所需采樣帶寬的大值。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

按照設(shè)計需求，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件原理圖和根據(jù)設(shè)計生產(chǎn)好的實物圖如圖2 所示。該系統(tǒng)使用2 片ADC 芯片實現(xiàn)對回波信號I 路和Q 路的復(fù)采樣，芯片是e2V 公司生產(chǎn)的EV10AQ190[11]，工作模式可配置為單通道5GSPS 采樣，這使得該系統(tǒng)可以通過并行時間交替采樣的方式實現(xiàn)5 GHz 帶寬以下信號的復(fù)采樣。使用1 片XC6VSX315T[12]FPGA 芯片負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的控制和對數(shù)字回波信號的預(yù)處理；使用2 個光模塊實現(xiàn)原始基帶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；一片DSP C6678 作為拓展處理器；FPGA 和DSP 芯片均配備DDR3 實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的緩存。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖與實物圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 寬帶采集部分

寬帶數(shù)據(jù)采集部分需實現(xiàn)2 項功能：一是根據(jù)信號參數(shù)配置信息由SPI 接口配置ADC 芯片的工作模式；二是通過FPGA 內(nèi)部的數(shù)據(jù)接收模塊將ADC 采集到的高速數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。圖3 給出了寬帶數(shù)據(jù)采集部分FPGA 程序的功能框圖。因ADC 的數(shù)據(jù)輸出順序和采集順序不同，所以需通過順序轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整數(shù)據(jù)順序；因采樣數(shù)據(jù)位寬和高速緩存的接口位寬不匹配，還需位寬轉(zhuǎn)換模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行位寬轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)拼接打包模塊則是將數(shù)采波門等信息與原始回波信號進(jìn)行拼接打包處理；然后由數(shù)據(jù)緩存模塊寫入DDR3 緩存并通過光纖發(fā)送出去。

圖3 寬帶采集部分FPGA 程序功能框圖

3.2 窄帶預(yù)處理部分

由于輸入為非零中頻信號，窄帶采集部分需將大采樣帶寬獲得的回波信號預(yù)處理為窄帶基帶信號，因此，窄帶數(shù)據(jù)需進(jìn)行數(shù)字下變頻和多相濾波預(yù)處理。此時，圖3 中的位寬轉(zhuǎn)換模塊在窄帶信號采集通道更換為基于多相分解的數(shù)字下變頻模塊，同時完成窄帶數(shù)字信號的下變頻和濾波操作。變頻模塊框圖如圖4 所示。該模塊在進(jìn)行M倍多相分解后，根據(jù)窄帶信號頻點同時實現(xiàn)信號的低通濾波和下變頻，而二級濾波后N倍抽取的處理方式則可以降低整體所需濾波器階數(shù)，以較少的乘法器資源實現(xiàn)更高性能的窄帶濾波處理。

圖4 基于多相結(jié)構(gòu)和兩級濾波的數(shù)字下變頻模塊

4 系統(tǒng)功能指標(biāo)測試

為驗證所涉及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)，搭建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能指標(biāo)測試平臺，如圖5 所示。該系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集板（本文設(shè)計的信號采集系統(tǒng)實物）、數(shù)據(jù)存儲處理系統(tǒng)以及2 個信號源組成。在該測試平臺中，信號源Agilent E8267D 用于生成穩(wěn)定的單頻信號，作為所研制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考時鐘源；而AV1411 合成掃頻信號發(fā)生器作為回波模擬器，生成不同頻點的單頻信號以及窄帶線性調(diào)頻信號模擬雷達(dá)的寬窄帶回波；數(shù)據(jù)存儲處理系統(tǒng)則實時存儲由光纖傳入的數(shù)采信號，并進(jìn)行事后分析處理。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能指標(biāo)測試平臺

圖6 寬帶采集結(jié)果

通過采集不同頻點的單頻信號，并分析其時頻特性可驗證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的寬帶采集功能。采集非零中頻的窄帶調(diào)制信號并分析其輸出結(jié)果，可以驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對窄帶回波采集和預(yù)處理功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相位相參性指標(biāo)則可通過比較所采集單頻信號的實際相位與理論值之間的差異來獲得。

圖6 給出了使用4 GHz 的采樣率分別對頻點為300 MHz 的單頻信號進(jìn)行采集后的時域圖（ADC1 為I 路，ADC2 為Q 路），以及對頻點為1 900 MHz 的單頻信號進(jìn)行采集后的頻域圖（I 路）。300 MHz 單頻信號的采樣結(jié)果中，I、Q 兩路信號在時域的平滑性和正交性表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各數(shù)據(jù)通道的時延已被校正；而對1 900 MHz 的單頻信號進(jìn)行采樣并做傅里葉變換后，信號峰值在頻域的位置正確，表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)單路頻偏在1 900 MHz 信號的寬帶采集功能，從而可實現(xiàn)3.8 GHz 以下信號的I、Q 兩路復(fù)采樣。

圖7 為本數(shù)采系統(tǒng)對載頻為800 MHz、帶寬為3 MHz 的窄帶信號先進(jìn)行寬帶采樣，再進(jìn)行窄帶預(yù)處理的結(jié)果。圖7 表明，對非零中頻的窄帶回波信號，在進(jìn)行了基于多項抽取的數(shù)字下變頻和兩級低通濾波后，該回波信號已搬移至零中頻。驗證了本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對窄帶信號的自適應(yīng)采集和預(yù)處理功能。

圖7 窄帶信號頻譜和抽取結(jié)果（I 路）

圖8 為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性指標(biāo)測試結(jié)果。該測試中，I、Q 兩路均通過50 Hz 的波門采樣間隔采集載頻為1 GHz 的單頻信號，然后由各采樣波門前沿的初相與理論值的差異來度量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號相位穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明，在60 s 的時間內(nèi)，整個數(shù)采系統(tǒng)引入的相位抖動量在0.5°以內(nèi)。

圖8 采樣時刻初相與理論值差異

5 結(jié)語

針對高分辨探測與成像雷達(dá)系統(tǒng)實驗教學(xué)中設(shè)備模塊化和流程化需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2 片ADC 芯片實現(xiàn)了雷達(dá)回波I、Q 兩路數(shù)據(jù)的寬帶復(fù)采樣，并可根據(jù)信號的帶寬、頻點等參數(shù)配置信息實現(xiàn)對非零中頻窄帶輸入信號的下變頻和濾波抽取處理，轉(zhuǎn)為基帶信號。搭建的測試平臺驗證了所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)寬窄帶雷達(dá)回波信號的自適應(yīng)采集和預(yù)處理，在60 s 的時間內(nèi)，數(shù)采系統(tǒng)相位抖動量在0.5°以內(nèi)。