李寶鵬，王守權，高偉亮，張凱旋

（海軍航空大學 青島校區(qū)，青島266041）

二次雷達在民用上主要用于空中交通管制ATC 系統(tǒng)，獲取目標的高度、批號；在軍事上主要用于敵我識別IFF 系統(tǒng)，獲取目標的“敵我”屬性信息[1]。二次雷達采用“一問一答”方式，通過詢問機發(fā)射詢問脈沖和應答機發(fā)回應答脈沖來獲取目標的相關信息。二次雷達詢問機與應答機之間進行信息交互協(xié)同，詢問脈沖與應答脈沖必須滿足嚴格碼型要求和時序關系[2]。因此，二次雷達在日常測試維護中，必須對信號鏈路周期內(nèi)詢問信號、應答信號的時序（脈沖串發(fā)生時間）進行測試分析。

針對二次雷達射頻脈沖信號時序測試項目需求，設計研制了二次雷達詢問/應答射頻脈沖時序數(shù)據(jù)記錄裝置（簡稱“信號時序記錄系統(tǒng)”），可以采集二次雷達詢問/應答脈沖串發(fā)生時刻，并進行“值守式”記錄存儲，可提供人機交互和記錄時序數(shù)據(jù)導出功能，為二次雷達的日常檢測、現(xiàn)場驗證和事后分析提供有效的技術支撐手段。

1 信號時序記錄系統(tǒng)功能

以采集應答機射頻脈沖信號為例，如圖1 所示。時序記錄系統(tǒng)，通過功分器采集應答機天線接收的詢問射頻脈沖信號和經(jīng)過信號處理后天線發(fā)射的應答射頻脈沖信號，然后對射頻脈沖進行采集并打上時間戳進行記錄。

圖1 系統(tǒng)與應答機交聯(lián)關系Fig.1 Cross-linking relationship between system and transponder

系統(tǒng)功能具體如下：

1）記錄詢問和應答事件發(fā)生次數(shù)及時刻。通過記錄詢問信號和應答信號脈沖以及發(fā)生時刻，判斷脈沖串碼型，獲取詢問和應答時間的時刻及次數(shù)，時間精確到納秒級。

2）目標信號值守式存儲記錄。有目標脈沖才進行記錄，其它時間不記錄，可節(jié)省系統(tǒng)存儲空間。存儲容量為128 GB，持續(xù)記錄時間大于3 個月。

3）數(shù)據(jù)導出功能。記錄數(shù)據(jù)結果可以通過USB接口導出，用于事后分析和處理。

4）支持網(wǎng)絡通訊，可以對地面監(jiān)測站系統(tǒng)進行遠程控制，網(wǎng)口為10 M/100 Mbit·s-1自適應接口。

5）人機交互功能，可以對記錄信號的篩選條件，如脈沖幅度、脈沖間隔、脈沖串寬度等進行設置?？梢燥@示回放記錄應答事件及其對應的射頻脈沖波形。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體架構

信號時序記錄系統(tǒng)總體設計方案如圖2 所示。系統(tǒng)主要由AD 采集模塊、 主控制器模塊、GPS 模塊、存儲單元、人機交互面板等五大模塊組成。

圖2 信號時序記錄系統(tǒng)功能框架Fig.2 Functional framework of signal timing recording system

各部分功能如下：

AD 采集模塊用于采集應答機輸出的射頻脈沖信號，以獲取詢問和應答事件。AD 采集模塊設計2 個獨立采樣通道分別對詢問和應答脈沖檢波信號進行采集，并通過內(nèi)置GPS 授時的高精度計時器給采集數(shù)據(jù)提供精確的時間戳信息，并利用直接存儲器訪問DMA（direct memory access）技術把A/D 轉換數(shù)據(jù)直接寫入主控制器內(nèi)存。

主控制器模塊是數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的控制核心，負責對各類數(shù)據(jù)進行融合和記錄。主要與應答機進行通訊，處理采集到的脈沖信號（詢問/應答事件），并為這些事件增加時間戳信息，以及處理以太網(wǎng)通信，協(xié)調(diào)人機交互控制等。其內(nèi)部集成了存儲單元用于對數(shù)據(jù)進行有效保存；外部通過CPCI（PCIe）總線與GPS 模塊、AD 模塊交互以獲取位置、時鐘信息，以及詢問、應答脈沖。

GPS 模塊為系統(tǒng)提供準確的時間數(shù)據(jù)，為采樣數(shù)據(jù)標定時間戳提供精確時間，同時提供系統(tǒng)當前地理位置信息。

存儲單元負責安全、高速、可靠的存儲數(shù)據(jù)信息。

人機交互面板包括顯示器和鍵盤，用于現(xiàn)場控制及應答事件顯示，系統(tǒng)控制參數(shù)的輸入等。

該系統(tǒng)采用監(jiān)守式對數(shù)據(jù)進行采集，當接收到脈沖信號時，首先提取脈沖幅度和脈沖寬度等特征參數(shù)，對信號類型進行篩選判斷，當符合詢問/應答信號的特征要求時，才進行后續(xù)數(shù)據(jù)采集存儲處理。這種實現(xiàn)方式。系統(tǒng)信號處理工作流程如圖3 所示，具體如下：

步驟1設備啟動后，對數(shù)據(jù)接口接收的信號進行檢波，提取脈沖的幅度和脈寬等參數(shù)；

步驟2檢波信號經(jīng)AD 轉換成數(shù)字信號，并交由FPGA 數(shù)據(jù)處理模塊進行信號類型判斷處理；

步驟3當脈沖參數(shù)不符合篩選特征時剔除數(shù)據(jù)，重復步驟1；

步驟4當脈沖參數(shù)符合篩選特征時，保留數(shù)據(jù)進行采集，F(xiàn)PGA 將為所有的采樣數(shù)據(jù)標定一個時間戳，采集到的原始數(shù)據(jù)都將被封裝成具有時間信息的數(shù)據(jù)幀；

步驟5具有時間戳信息的數(shù)據(jù)幀會按照FIFO（first-in first-out）的順序，經(jīng)過CPCI 總線傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器會將?shù)據(jù)進行結構化之后寫入存儲單元執(zhí)行存儲。

圖3 系統(tǒng)信號處理工作流程Fig.3 System signal processing flow chart

這種實現(xiàn)方式下，可以進行靈活的篩選條件設置，在很大程度上增強數(shù)據(jù)記錄的有效性、靈活性，以適應不同類型詢問/應答脈沖信號的采集，同時節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲空間。一般采用門限值進行篩選，也可根據(jù)需求啟用簡單的特征比較進行篩選。不同的設定將為最終的數(shù)據(jù)記錄結果帶來不同的影響。

2.2 硬件設計

系統(tǒng)硬件交聯(lián)關系如圖4 所示。主控器選用型號UFO6388 貨架產(chǎn)品，內(nèi)置Intel I5 四核處理器，主頻為2．1 GHz 搭載2 GB 及以上內(nèi)存，板載10 M/100 M/1000 Mbit·s-1自適應以太網(wǎng)接口及其它常用接口。內(nèi)置的存儲單元采用電子固態(tài)硬盤，讀取速度達到400 MB/s，寫盤速度可達90 MB/s，完全滿足記錄和導出的要求[3-4]。

圖4 系統(tǒng)硬件模塊交聯(lián)關系Fig.4 Cross-linking relationship between system hardware modules

GPS 模塊采用U-blox NEO-M8T 高精度精密授時模塊，內(nèi)部接收機完成信號處理后通過UART 總線和中斷為系統(tǒng)提供定位、時間以及1PPS 脈沖信息，模塊與FPGA 系統(tǒng)主要有兩部分通信，一部分是通過UART 讀取實時時間和位置信息，另一部分為Time-pulse 接口，通過0．25 Hz～40 MHz 脈沖進行時間校正以及精確計時。

AD 模塊為系統(tǒng)獨立設計模塊，其硬件結構框架如圖5 所示。

圖中，主芯片采用Altera FPGA（型號EP4CGX75 CF23I7N），負責數(shù)字信號獲取、標記及傳輸。在通信方式上，除PCIe 部分需要FPGA 內(nèi)部專用接口采用DMA 方式傳輸外，其余接口均為通用IO[5-6]。電源采用四通道BUCK 芯片（型號ADP5054），4．5～15 V 寬范圍輸入，250 kHz～2 MHz 開關頻率可設，低噪聲，輸出時序可控?？紤]到雜波及抗干擾與阻抗匹配，在前端將AD8065 放大器作為調(diào)理濾波電路，同時也對AD 芯片端口起到基本防護作用。AD 部分將選用使用AD9226，采用通用并行數(shù)據(jù)接口，具有12 位精度，采樣率60 MS/s。上位機主要包含采集卡驅動、接口調(diào)用函數(shù)、調(diào)試操作界面等3 個模塊。驅動層為內(nèi)部接口，負責完成板卡與PC 系統(tǒng)之間基礎通信，PC則可對板卡實時相關指令控制以及采集數(shù)據(jù)讀取。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件從功能架構劃分了4 個模塊，分別為系統(tǒng)管理和交互模塊、AD 數(shù)據(jù)處理模塊、位置信息處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。其中，系統(tǒng)管理和交互模塊是整個系統(tǒng)的主控模塊，同時還通過以太網(wǎng)接口對外提供交互。系統(tǒng)軟件結構如圖6 所示。

圖5 AD 模塊硬件框架Fig.5 AD module hardware framework

圖6 軟件結構Fig.6 Software structure

1）系統(tǒng)管理和交互模塊 負責整個系統(tǒng)的調(diào)度和控制，其主要由4 個子模塊組成。①主控模塊，負責整個系統(tǒng)的控制，其運行流程如圖7 所示。該模塊在完成系統(tǒng)的啟動和初始化工作后，長期阻塞在事件循環(huán)（Eventloop）中，等待并處理用戶交互權限、操作系統(tǒng)事件、功能模塊狀態(tài)、啟停處理各類控制事件[7]。②事務接口模塊，作為整個系統(tǒng)的外部通信接口，以網(wǎng)絡服務器的形式為用戶提供數(shù)據(jù)導出、系統(tǒng)控制等交互服務。同時，它也是主控模塊的控制接口，用來下達各類控制指令，此外該模塊還負責人機交互。③事務處理模塊，與各個功能模塊進行交互，協(xié)調(diào)各功能模塊具體處理事務請求。事務接口模塊與事務處理模塊共同構成一個并發(fā)服務器模型，兩個模塊中后者在結構上是一個事務處理線程池，而前者負責快速分類和響應各項事務請求。④系統(tǒng)管理模塊，負責對計算機系統(tǒng)產(chǎn)生交互，完成系統(tǒng)管理的相關工作。

圖7 主控模塊的流程Fig.7 Flow chart of main control module

2）AD 數(shù)據(jù)處理模塊 負責處理從應答機獲取的詢問脈沖和應答脈沖數(shù)據(jù)，用于AD 調(diào)度控制模塊設備控制和功能調(diào)度，并對原始數(shù)據(jù)進行條件篩選。該模塊分為前半部和后半部2 個部分：AD 事件處理前半部模塊，具有應用軟件系統(tǒng)內(nèi)部最高的執(zhí)行優(yōu)先級，其主要作用是等待AD 采樣通知的達到，并立即推送至緩存管道；AD 事件處理后半部模塊則按一般優(yōu)先級，（在稍后） 通過FIFO 管道獲取前半部生成的數(shù)據(jù)送達信息，并以三級流水線方式分步對數(shù)據(jù)進行讀取、預處理、標記及結構化等工作，最后將采集數(shù)據(jù)推送給數(shù)據(jù)管理模塊。

3）位置信息處理模塊 主要負責系統(tǒng)時鐘和位置信息獲取和維護等功能。其中，控制模塊一方面負責外部設備控制，另一方面控制協(xié)調(diào)內(nèi)部各相關子模塊的運行；位置信息維護模塊和位置信息獲取模塊協(xié)同完成位置信息的獲取和刷新，并以“讀優(yōu)先”Cache 的形式提供最新的位置信息獲取接口。

4）數(shù)據(jù)管理模塊 負責數(shù)據(jù)的存儲、導出，以及數(shù)據(jù)庫的管理。其底層的數(shù)據(jù)庫操作模塊為其它功能模塊提供同步的操作支持，數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)提取模塊則分別負責具體的存儲和導出操作，數(shù)據(jù)服務控制模塊對其它模塊進行控制調(diào)度。

4 系統(tǒng)測試

4.1 脈沖信號采集測試

采用信號注入法使用同軸線纜連接信號源和應答脈沖采集接口，信號源產(chǎn)生幅值范圍為3 V，寬度為10 μs 的脈沖信號。系統(tǒng)采集信號篩選條件設置為幅值3.5～4 V，脈寬9～11 μs。系統(tǒng)采集得到的射頻脈沖顯示畫面如圖8 所示，采集結果與信號源設置信號參數(shù)完全一致。

圖8 系統(tǒng)采集脈沖顯示界面Fig.8 System acquisition pulse display interface

4.2 脈沖信號時序記錄測試

利用圖1 所示交聯(lián)關系，連接信號時序記錄系統(tǒng)與應答脈沖模擬器，使應答脈沖模擬器發(fā)射100個應答脈沖串信號，設置系統(tǒng)采集信號篩選條件為幅值0.2～5 V，脈寬20～22 μs。系統(tǒng)采集到應答脈沖信號為100 次，采集脈沖時序部分原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 系統(tǒng)采集脈沖時序數(shù)據(jù)Tab.1 Pulse time sequence data collected by system

表中，離散水平discreteLevel 一列的“1”表示脈沖上升沿，“0”表示脈沖下降沿。由表可知該系統(tǒng)所記錄的脈沖時序非常精確。

5 結語

針對二次雷達信號測試需求，設計研制了一種二次雷達詢問/應答射頻脈沖時序記錄系統(tǒng)，系統(tǒng)可以記錄射頻脈沖的發(fā)生時序，幫助檢查二次雷達信號鏈路的時序關系是否正確。目前該系統(tǒng)已在某型二次雷達系統(tǒng)性能測試外場試驗中得到應用，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)速度快、精確高，對目標信號捕捉的概率可達到100%。通過更改系統(tǒng)的信號篩選條件，該系統(tǒng)可以應用于其他類型射頻脈沖信號時序記錄，具有一定的推廣應用價值。