雷达接收机多通道高速数据采集系统

摘要：介绍了一种用于雷达接收机的驳通道高速数据采集系统。该系统以计算机为采集主控单元，兼容多种模式的数据，可以实现多通道的循环采集。系统采集单元由可编程逻辑器件实现，简化了电路结构，增强了系统设计的灵活性和可靠性，降低了体积与成本。实测结果表明该系统工作稳定、性能良好，目前已应用于多个型号的雷达接收机中。 关键词：雷达接收机 数据采集 可编程逻辑器件 在现代雷达信号处理中，试验数据的获取有着重要意义。实测数据是检验算法有效性的重要依据，也是算法修正的依据。不同型号的雷达接收机，由于其雷达回波信号具有特性和工作模式复杂，这就对信号的数据采集提出了更高的要求，即要求实现高速、高精度的数据采集以及复杂、灵活多变的触发工作模式。 本文介绍一种适用于多种型号雷达接收机的数据采集系统，采用该系统与一台插有PCI数据通信卡的PC机配合，可以实现回波I、Q两路信号的同步采集，采样率最高可达12Mb/s，数据缓冲区为512Kbyte(可扩展)。另外还具有以下功能：（1）支持多种数据格式；（2）程控设备采样时钟和同步方式；（3）程控可变的延迟触发功能；（4）程控设备每次触发后的采样长度；（5）程控设备单次数据采集长度等。 1 系统工作原理及构成 雷达接收机高速数据采集系统框图如图1所示。微型计算机是雷达接收机高速数据采集系统的控制平台和接收终端。PCI数据通信卡采用ADLINK公司的PCI7200卡，置于PC机内部，负责计算机与采集系统之间的通信，主要完成两个功能：（1）计算机通过它发送控制代码至单片机，进而控制数据的采集与时序传送；（2）雷达接收机接收的数据经高速静态存储器（SRAM）缓存后通过它送至计算机内存，用于数据整理和分析，进而验证算法和测试雷达接收机的性能等。 系统由两大功能模块组成：计算机控制模块和数据采集模块。 1．1 计算机控制模块 计算机通过PCI数据采集卡发送控制代码至单片机（AT89C51），单片机接收到的数据经整理后送至数据采集模块以完成数据采集模块的参数配置。其操作流程如图2所示。 本系统中的参数设置包括接收通道选择、并/串选择、数据格式选择、采样时钟选择、时钟边沿选择、时钟延时设置、数据长度设备等。由以上参数按照一定的次序组合成控制代码，再加上数据采集启动命令共需要五个字节的数据，通过PCI数据通信卡按照一定的时序送至单片机。 计算机控制模块与数据采集模块之间的通信必须按照统一的协议进行，因此单片机在接收到控制代码之后需要进行数据编码。相应地，在数据采集模块中也需要进行译码操作。这里按照高半字节为地址、低半字节为数据的原则进行编码，原来五个字节的数据编码后为九个字节的数据（其中采集控制命令单元占用一个字节），再由单片机产生相应的发送时钟将数据传送至数据采集模块。 1．2 数据采集模块 此模块完成采集系统的数据采集功能，由高速静态存储器（SRAM）、时序产生与整理电路、数据采集与传送电路组成。其中，高速SRAM用于采集数据的缓存。 精确的时序控制是数据采集模块的关键所在，时序逻辑的定时准确、稳定性好，对转达系统尤为重要。本系统采用VLSI可编程逻辑器件（如Lattice公司的CPLD器件isLSI-1032）来实现,其具有集成度高、体积小、功耗低、工作稳定、抗干扰性强等优点。 1．2．1 时序产生与整理 采集系统的工作时钟可以使用内时钟，即内部晶振产生的10MHz时钟，也可以使用外时钟，即由雷达接收机本身提供的时钟。对于不同型号的雷达接收机，数据的工作格式可以是并行格式或者串行模式。不同的数据格式所要求的工作时序不同，本文介绍串行工作方式。 串行工作方式下，雷达接收提供串行位时钟（SK）和串行帧时钟（SH1），I、Q支路数据均为24位，先传 送I路数据最高位，最后传送Q路数据最低位。采集系统要正确地完成数据采集，需要具备：（1）串行同步时钟，其频率为位时钟的1/48，相当于SH1：（2）串转并寄存器时钟（SH2），其频率为位时钟的1/24，并且由串行同步时钟同步。本系统使用48进制计数器。当SH1到来时，48进制计数器开始对SK计数，每计至24、48时产生进位信号，即为SH2，其上升沿与SK的上升沿对齐。 如果SH1的正脉宽较大，则不能很好地同步计数器，系统可对SH1进行边缘提取，窄脉冲能很好地同步SH2。SH既是串转并寄存器的时钟，也是串行数据采集与传送的工作时钟。 考虑到系统存在一定的门延时，SH2与I路最高位SK时钟上升沿可能存在1～3个位时钟间隔，系统中分别设置SK及SH2有0～3个位时钟间隔的延时，这样SH2与I路最高位SK时钟的上升沿可以有-3～3个位时钟间隔，更大限度地兼容了多种型号的转达接收机的数据采集。 此外，某些型号的转达接收机需要主同步脉冲（M0）同步整个数据采集，根据同步采集的数据与M0脉冲的相对关系进行相关参数的分析与计算。串行工作方式下，系统用M0脉冲同步SH2。 1．2．2 数据采集与传送 数据采集与传送电路由有限状态机实现，其时序图3所示。 系统采用带有异步清零端和使能端的同步计数器（计数长度由计算机控制模块设置，图3中以1K个样本点为例，设定异步清零和使能端都是高有效）；计数器的输出端连接存储器的地址端。 有限状态机包括三个主机状态：数据采集、I通道传送、Q通道传送，以及补始态、主要状态间的过渡态。使用三位状态寄存器，其时钟采用系统工作时钟（串行工作方式下为SH2）。 由图3可以看出：启动采集命令之前，系统处于初始态，同步计数器没有时钟输入，清零有效，使能无效。启动采集命令之后，写脉冲使用系统工作时钟，同步计数器使用系统工作时钟，M0正脉冲（或经过窄脉冲提取的M0）到来时，通过RS触发器的置位端使能计数器工作。 图3 计数器产生进位信号（DATAEND），完成数据采集工作，之后关闭同步计数器，进入过渡态，为I、Q通道数据的传送作准备。进位信号（DATAEND）延时一个工作时钟周期后，结束过渡态，进入数据传送状态。系统提供两个控制信号S1、S2，用于I、Q通道使 能。当S1=0、S2=1时，使能I通道：当S1=1、S2=0时，使能Q通道。两个通道的数据传送使用同样的计数器，状态之间的转换条件为计数器的进位信号有效。双通道数据传送完毕后，系统重新进入初始态，等待下次数据采集的启动命令。 2 系统控制软件 系统与插有PCI数据通信卡的PC机配合实现I、Q两路数据的同步采集，PC机作为高速数据采集系统的主控单元，主要完成其与系统之间的状态、数据和命令交换。软件采用Microsoft公司的Visual C++编写，主要包括系统初始化、系统参数设置、数据录入、数据存取以及数据后处理等模块。 系统上电后，软件完成初始化，即加载数据通信卡的驱动程序。在启动采集系统工作之前，必须根据整个系统的工作要求进行相应的参数设置，主要包括采集通道、数据格式、采样时钟、时钟边沿、数据长度、时钟延时等参数的设置，计算机将以上参数按照协议的格式能过串口与采集系统中的单片机控制模块建立通信，进而控制采集系统的工作。软件还可以设置串口通信的串口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等。 参数设置后，启动采集命令即可进行数据的录入，根据采集长度软件可设置一定大小的缓冲区，并将缓冲区的内容实时保到指定的文件中。 数据后处理模块包括时域波形的显示、频谱分析及显示、雷达接收机相关参数的分析等。软件界面缺省显示时域的波形及其频谱。 图4 3 性能测试 在数据采集系统的性能测试中，常用的一种测试方法是FFT分析。雷达接收机测试信号采用单频信号，为了防止频谱泄漏对SNR计算的影响，计算中采用了相位补偿技术。图4是某相控阵雷达的实测结果，其中信号频率为500kHz,采样频率为8MHz，采样点数为2048个，A/D转换器位数为16位。图4中上图为零中频信号两支路的时域波形（只显示64点），下图为信号的幅度谱。由FFT分析可得：SNR为61.6dB，A/D转换器的有效位数（ENOB）为12.3位，达到了良好的性能。 本系统采用可编程逻辑器件实现，简化了电路设计，提高了灵活性。由于使用了高速缓存和基于PCI总线的数据通信卡。可以实现数据的高速和高精度采集。由于对多种格式数据具有兼容性，使得系统适用于多种型号的雷达接收机，这对于雷达接收机的参数测试以及接收机研制有着重要的意义。