一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(hào)的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。由于觀測(cè)場(chǎng)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(jì)一般按雷達(dá)系統(tǒng)需求進(jìn)行定制[2-3]。高分辨探測(cè)與成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中，所用的實(shí)驗(yàn)雷達(dá)體制多樣，存在簡(jiǎn)單單頻脈沖、頻率步進(jìn)信號(hào)、寬帶線性調(diào)頻信號(hào)等多種信號(hào)形式，信號(hào)帶寬也分布在由簡(jiǎn)單單頻脈沖的0.1 MHz 帶寬到寬帶線性調(diào)頻信號(hào)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(shí)驗(yàn)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(fèi)大量的精力于雷達(dá)設(shè)備模塊的組裝配置上，不利于實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)。配置靈活的高速信號(hào)采集設(shè)備可適用不同體制的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)，有利于雷達(dá)信號(hào)處理的模塊化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)的流程化[4]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過配置信號(hào)的帶寬、頻點(diǎn)等參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號(hào)的自適應(yīng)采集與傳輸。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于利用高速ADC 先把輸入的基帶或中頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)寬窄帶信號(hào)的分選、預(yù)處理以及傳輸。該實(shí)現(xiàn)方式可靈活適應(yīng)不同雷達(dá)體制，且對(duì)外接口簡(jiǎn)單，很容易與不同體制雷達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝配。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

相對(duì)而言，窄帶雷達(dá)測(cè)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(cè)和運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)測(cè)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(shí)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(cè)、跟蹤性能[5-6]。同時(shí)，出于降低寬帶雷達(dá)工程實(shí)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(hào)體制在雷達(dá)中廣泛應(yīng)用[1]。此外，出于體制優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)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(hào)[8]的方式充分發(fā)揮寬窄帶雷達(dá)各自的優(yōu)勢(shì)。雷達(dá)信號(hào)體制的復(fù)雜化增加了雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度[9-10]，通用化的寬窄帶雷達(dá)信號(hào)采集處理系統(tǒng)需要自動(dòng)根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的帶寬模式、頻點(diǎn)跳變等自適應(yīng)地采集信號(hào)。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖1），可根據(jù)信號(hào)的帶寬、頻點(diǎn)等參數(shù)配置信息實(shí)現(xiàn)3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號(hào)的自適應(yīng)采集與傳輸。

圖1 自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)

雷達(dá)I、Q 兩路射頻信號(hào)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(chǔ)接口。該系統(tǒng)中寬帶信號(hào)與窄帶信號(hào)具有獨(dú)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(shí)也在實(shí)驗(yàn)中直接對(duì)比分析不同寬窄帶采樣模式對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理的影響。

對(duì)寬帶通路，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求輸入信號(hào)為零中頻信號(hào)，數(shù)采模塊根據(jù)寬帶信號(hào)參數(shù)配置采樣率采集回波，但采集到回波信號(hào)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(chǔ)模塊。對(duì)窄帶通路，該系統(tǒng)則無零中頻輸入要求，但需要窄帶信號(hào)的載頻或頻率跳變帶寬加上窄帶信號(hào)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(hào)后，根據(jù)窄帶信號(hào)頻點(diǎn)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(hào)，然后傳輸給數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊。此外，為保證回波信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)

按照設(shè)計(jì)需求，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件原理圖和根據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)好的實(shí)物圖如圖2 所示。該系統(tǒng)使用2 片ADC 芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)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(shí)間交替采樣的方式實(shí)現(xiàn)5 GHz 帶寬以下信號(hào)的復(fù)采樣。使用1 片XC6VSX315T[12]FPGA 芯片負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和對(duì)數(shù)字回波信號(hào)的預(yù)處理；使用2 個(gè)光模塊實(shí)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(shí)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(shí)物圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 寬帶采集部分

寬帶數(shù)據(jù)采集部分需實(shí)現(xiàn)2 項(xiàng)功能：一是根據(jù)信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)，窄帶采集部分需將大采樣帶寬獲得的回波信號(hào)預(yù)處理為窄帶基帶信號(hào)，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(shí)，圖3 中的位寬轉(zhuǎn)換模塊在窄帶信號(hào)采集通道更換為基于多相分解的數(shù)字下變頻模塊，同時(shí)完成窄帶數(shù)字信號(hào)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(hào)頻點(diǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低通濾波和下變頻，而二級(jí)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(shí)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(jí)濾波的數(shù)字下變頻模塊

4 系統(tǒng)功能指標(biāo)測(cè)試

為驗(yàn)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(cè)試平臺(tái)，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(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)物）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理系統(tǒng)以及2 個(gè)信號(hào)源組成。在該測(cè)試平臺(tái)中，信號(hào)源Agilent E8267D 用于生成穩(wěn)定的單頻信號(hào)，作為所研制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考時(shí)鐘源；而AV1411 合成掃頻信號(hào)發(fā)生器作為回波模擬器，生成不同頻點(diǎn)的單頻信號(hào)以及窄帶線性調(diào)頻信號(hào)模擬雷達(dá)的寬窄帶回波；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理系統(tǒng)則實(shí)時(shí)存儲(chǔ)由光纖傳入的數(shù)采信號(hào)，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(cè)試平臺(tái)

圖6 寬帶采集結(jié)果

通過采集不同頻點(diǎn)的單頻信號(hào)，并分析其時(shí)頻特性可驗(yàn)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(hào)并分析其輸出結(jié)果，可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)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(hào)的實(shí)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(duì)頻點(diǎn)為300 MHz 的單頻信號(hào)進(jìn)行采集后的時(shí)域圖（ADC1 為I 路，ADC2 為Q 路），以及對(duì)頻點(diǎn)為1 900 MHz 的單頻信號(hào)進(jìn)行采集后的頻域圖（I 路）。300 MHz 單頻信號(hào)的采樣結(jié)果中，I、Q 兩路信號(hào)在時(shí)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(shí)延已被校正；而對(duì)1 900 MHz 的單頻信號(hào)進(jìn)行采樣并做傅里葉變換后，信號(hào)峰值在頻域的位置正確，表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單路頻偏在1 900 MHz 信號(hào)的寬帶采集功能，從而可實(shí)現(xiàn)3.8 GHz 以下信號(hào)的I、Q 兩路復(fù)采樣。

圖7 為本數(shù)采系統(tǒng)對(duì)載頻為800 MHz、帶寬為3 MHz 的窄帶信號(hào)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(duì)非零中頻的窄帶回波信號(hào)，在進(jìn)行了基于多項(xiàng)抽取的數(shù)字下變頻和兩級(jí)低通濾波后，該回波信號(hào)已搬移至零中頻。驗(yàn)證了本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄帶信號(hào)的自適應(yīng)采集和預(yù)處理功能。

圖7 窄帶信號(hào)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(cè)試結(jié)果。該測(cè)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(hào)，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(hào)相位穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明，在60 s 的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)數(shù)采系統(tǒng)引入的相位抖動(dòng)量在0.5°以內(nèi)。

圖8 采樣時(shí)刻初相與理論值差異

5 結(jié)語

針對(duì)高分辨探測(cè)與成像雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備模塊化和流程化需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)寬窄帶雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2 片ADC 芯片實(shí)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(hào)的帶寬、頻點(diǎn)等參數(shù)配置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)非零中頻窄帶輸入信號(hào)的下變頻和濾波抽取處理，轉(zhuǎn)為基帶信號(hào)。搭建的測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)寬窄帶雷達(dá)回波信號(hào)的自適應(yīng)采集和預(yù)處理，在60 s 的時(shí)間內(nèi)，數(shù)采系統(tǒng)相位抖動(dòng)量在0.5°以內(nèi)。