電磁頻譜監(jiān)測中的寬帶實時信號采集系統(tǒng)設(shè)計

丁宏毅，柳其許

（中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心，北京100088）

電磁頻譜監(jiān)測中的寬帶實時信號采集系統(tǒng)設(shè)計

丁宏毅，柳其許

（中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心，北京100088）

介紹了一套寬帶實時信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由信號調(diào)理單元、時鐘調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、FPGA、高速緩存單元、PCIE接口以及電源組成。通過采用超高速ADC、優(yōu)化傳輸方式、優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，系統(tǒng)實現(xiàn)了超高速實時寬頻帶信號數(shù)據(jù)的采集、傳輸與記錄。系統(tǒng)軟件針對數(shù)據(jù)采集中的高速數(shù)據(jù)傳輸方式進行優(yōu)化設(shè)計，通過利用雙通道技術(shù)，系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)吞吐量能夠達到5GB/s。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在2GHz帶寬內(nèi)達到了較高的動態(tài)指標，能夠滿足高速頻譜信號的記錄需求。

實時信號；數(shù)據(jù)采集；超高速；寬帶；頻譜記錄；數(shù)據(jù)傳輸

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中的電磁信號十分密集，信號類型復(fù)雜多樣，戰(zhàn)場電磁環(huán)境對戰(zhàn)爭準備和各種軍事斗爭活動，尤其對戰(zhàn)場感知、指揮控制、作戰(zhàn)行動、武器效能、戰(zhàn)場建設(shè)等方面，影響廣泛而深刻。電磁頻譜監(jiān)測能夠?qū)?zhàn)場上無線電發(fā)射的基本參數(shù)進行測量，對信號進行監(jiān)聽，對發(fā)射目標進行識別確定，對頻段利用率和頻道占用度進行統(tǒng)計，對信號使用情況進行分析，以保障己方的電子設(shè)備發(fā)揮其最大的作戰(zhàn)效能，同時獲取敵方電子設(shè)備輻射的相關(guān)信息［1］。

在電磁頻譜監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)中，由于計算機的實時計算能力有限，大量頻譜數(shù)據(jù)不能夠完成實時分析與處理，這種情況下需要對頻譜信號進行采集和記錄，再進行事后分析。為了達到較高的分析帶寬，記錄的信號數(shù)據(jù)速率可能達到GB/s量級，傳統(tǒng)設(shè)備很難保證這種情況下數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與存儲。

為了保證寬帶頻譜信號能夠完整并高速地記錄下來，文中評估介紹了一套寬帶實時信號采集系統(tǒng)。通過采用超高速ADC、優(yōu)化傳輸方式、優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了超高速實時寬頻帶信號數(shù)據(jù)的采集、傳輸與記錄。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由信號調(diào)理單元、時鐘調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、FPGA、高速緩存單元、PCIE接口以及電源組成，如圖1所示。其中信號調(diào)理單元完成信號的匹配接收、增益控制；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元（ADC）由內(nèi)部時鐘或者外部時鐘驅(qū)動，最高采樣速率5Gsps，采樣精度10bit；高速緩存單元采用DDR3，緩存深度2GB；采集單元通過主控服務(wù)器將采樣數(shù)據(jù)存儲至固態(tài)存儲陣列以便后續(xù)的信號處理和分析。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3 子電路設(shè)計

3.1 信號調(diào)理單元

模擬信號調(diào)理單元主要完成輸入模擬信號的端接匹配、放大、衰減、濾波，如圖2所示。信號調(diào)理單元由阻抗匹配模塊，數(shù)控衰減器以及低噪聲運算放大器組成。低噪聲運算放大器采用Hittite公司的HMC460LC5，這是一款GaAs工藝的低噪聲運算放大器，支持直流到20GHz帶寬。HMC460LC5能夠提供14dB的增益，其噪聲系數(shù)只有2.5dB。數(shù)控衰減器采用Hittite公司的HMC424ALP3E，這是一款DC到13GHz的數(shù)控衰減器，能夠提供0.5dB步進的可調(diào)衰減，最大衰減值31.5dB［2］。

圖2 調(diào)理電路

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

為實現(xiàn)寬帶頻譜信號的采集，系統(tǒng)中采用E2V公司的EV10AQ190采樣率5GS/s ADC，EV10AQ190支持的最高采樣率為5Gsps，支持四通道1.25GS/s，雙通道2.5GS/s，單通道5GS/s三種采樣模式，采樣位數(shù)10bit。其－3dB輸入帶寬可達3.2GHz，1.2GHz輸入頻率下動態(tài)無雜散范圍54dBc。芯片具有500mVpp模擬輸入幅度，采用LVDS輸出總線與FPGA通訊。每通道功耗為1.4W。EV10AQ190內(nèi)部有四個獨立的1.25GS/s ADC，具有移相功能的時鐘緩沖器，模擬多路開關(guān)以及采樣保持電路。在四通道交錯采樣模式下，1.25GHz時鐘及其延時90°/180°/270°共四路時鐘，分別提供給四個并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核。此時ADC相當(dāng)于1路5GS/s采樣，可以對2.5GHz以下的帶寬實現(xiàn)全覆蓋采樣［3］。

3.3 高速調(diào)相時鐘發(fā)生單元

高速ADC對于采樣時鐘的要求十分嚴格，時鐘抖動將會制約ADC信噪比的提高。在器件選擇上尤其要關(guān)注芯片引入的抖動（jitter），所以在器件選取和電路設(shè)計上，必須嚴格控制器件抖動，以保證整個時鐘路徑引入的總抖動盡可能小。對于ADC所需的2.5GHz高速時鐘，只有使用鎖相環(huán)才能保證高頻時鐘的穩(wěn)定性，故用鎖相環(huán)芯片產(chǎn)生內(nèi)部采樣時鐘，鎖相環(huán)用于鎖定采樣時鐘頻率，而時鐘選擇芯片用于設(shè)置ADC內(nèi)外時鐘之間的切換。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中鎖相環(huán)（PLL）采用Hittite公司的HMC1034，這是一款高頻時鐘發(fā)生芯片，內(nèi)部集成有低噪聲鎖相環(huán)，其頻率范圍能夠涵蓋125－3000MHz，附加的抖動低于78fs，相位噪聲低至－165dBc/Hz［4］。

3.4 高速傳輸單元

高速傳輸單元由兩塊基于FPGA的高速傳輸卡組成，其中每塊FPGA與ADC后端的FPGA通過光纖相連，其通訊協(xié)議采用AURORA協(xié)議。Aurora8B/10B是一個面向高速串行通信的可擴展輕量級鏈路層協(xié)議，該協(xié)議規(guī)范是開放型規(guī)范，可用于Xilinx芯片器件中。Aurora可以以低成本、高數(shù)據(jù)速率、可擴展、靈活的方式構(gòu)建串行數(shù)據(jù)通道。系統(tǒng)中的FPGA選用XILINX公司的KINTEX－7系列FPGA，具有較高性能和較低功耗。KINTEX－7系列FPGA還支持PCIE2.08X收發(fā)器，適合在系統(tǒng)中用于實現(xiàn)基于PCIE協(xié)議的高速傳輸。傳輸單元還集成有DDR3內(nèi)存顆粒，用于數(shù)據(jù)高速緩存。

圖3 時鐘電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件針對應(yīng)用需求而設(shè)計，主要功能是負責(zé)把ADC采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯﹃嚵兄小＼浖ㄟ^DMA方式，首先把數(shù)據(jù)從采集卡傳輸?shù)缴衔粰C主內(nèi)存，上位機軟件再把內(nèi)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到固態(tài)存儲單元中。系統(tǒng)軟件針對數(shù)據(jù)采集中的高速數(shù)據(jù)傳輸方式進行優(yōu)化設(shè)計，在PCIE 2.0協(xié)議上能夠?qū)崿F(xiàn)2GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過利用雙通道技術(shù)，系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)吞吐量能夠達到5GB/s。

上位機軟件負責(zé)與驅(qū)動程序交互，設(shè)計統(tǒng)一應(yīng)用程序訪問接口和用戶程序界面，監(jiān)視采集卡的狀態(tài)和通信鏈路狀態(tài)。為保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率，本系統(tǒng)程序采用多線程方式設(shè)計，支持不同通道乒乓操作。應(yīng)用程序通過DMA方式把數(shù)據(jù)傳到客戶機的主存當(dāng)中，同時把主存中的數(shù)據(jù)通過DMA方式傳輸?shù)酱鎯ā榱吮ＷC傳輸速率，存儲過程為主線程，采集過程開辟新線程，實現(xiàn)多線程操作，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲速率。此外，上位機軟件可以配置DMA控制/狀態(tài)寄存器控制DMA操作。DMA控制/狀態(tài)寄存器映射于PCIExpress Memory BAR0空間，客戶端軟件通過Memory Write和Read周期訪問寄存器。上位機軟件通過初始化DMA控制寄存器發(fā)起DMA傳輸，而通過狀態(tài)寄存器，以中斷方式通知Root Complex DMA傳輸完成［2］。

4.1 多線程高速傳輸技術(shù)

從軟件上來講，該系統(tǒng)由驅(qū)動程序、上位機控制程序、存儲設(shè)備接口程序組成。數(shù)據(jù)從采集卡流入，進入內(nèi)存，然后數(shù)據(jù)再從內(nèi)存進入存儲設(shè)備。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存時，不能同時讀出該內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)。從而使內(nèi)存成為了互斥資源，制約了數(shù)據(jù)傳輸效率。用戶通過虛擬內(nèi)存對內(nèi)存空間進行管理，實際上的物理內(nèi)存空間可能是分散并且不連續(xù)的?，F(xiàn)在的高速采集卡都支持Scatter－Gather技術(shù)，由于需要不斷的在不同內(nèi)存空間中切換，DMA的效率不高。針對以上問題，運用一種超大緩存流水線DMA傳輸與存儲技術(shù)，其基本架構(gòu)如圖4所示。

圖4 超大緩存流水線傳輸與存儲技術(shù)

在該方案中，數(shù)據(jù)通過DMA方式從采集卡傳輸?shù)絻?nèi)存，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)再通過DMA方式存入存儲卡。由于采集卡的數(shù)據(jù)是實時輸出的，如果傳輸速度稍慢，就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)累積，從而出現(xiàn)丟數(shù)［6］。高性能存儲卡或存儲陣列一般都基于閃存，其存儲速度也具有一定的波動性。為了保證數(shù)據(jù)能夠完整的存下來，設(shè)計了如圖4中的超大緩存方案。首先，該緩存空間很大，通常是GB這個級別；其次，該空間是在初始化卡的時候，由驅(qū)動程序負責(zé)申請，該空間在物理上是連續(xù)的，能夠保證DMA傳輸?shù)男阅?。把該空間分割成許多存儲節(jié)點，形成一個環(huán)結(jié)構(gòu)。采集卡的數(shù)據(jù)從環(huán)尾寫入，數(shù)據(jù)再從環(huán)頭讀出，寫和讀都分別有獨立的線程操作。在寫入數(shù)據(jù)過程中，只要環(huán)中間還有剩余空間，就會持續(xù)寫入。負責(zé)讀出的線程只要發(fā)現(xiàn)環(huán)中還有數(shù)據(jù)，就會持續(xù)讀出并存入存儲卡中。兩個線程都是基于DMA進行數(shù)據(jù)傳輸，它們實際占用的CPU計算資源很少，線程切換不存在沖突。

該方法具有以下優(yōu)點：第一，寫入與讀出分離，兩個線程獨立，減少了線程切換開銷；第二，大緩存能夠有效緩沖數(shù)據(jù)，克服存儲卡速度不穩(wěn)定因素；第三，能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，若緩存空間占用比例太大，達到百分之百，說明存儲速度慢，可能丟數(shù)；第四，由于物理空間連續(xù)，能夠保證最高的DMA傳輸效能。

4.2 驅(qū)動程序開發(fā)

驅(qū)動程序負責(zé)上位機與采集卡之間的指令傳送、DMA傳輸控制、緩存空間的管理，它是保證整個傳輸系統(tǒng)性能的關(guān)鍵［7］，其基本架構(gòu)如圖5所示。

控制指令主要用來監(jiān)測采集卡狀態(tài)、配置卡工作模式，如卡的工作狀態(tài)、溫度信息、卡上的內(nèi)存空間使用情況、卡的采集模式等。應(yīng)用程序發(fā)送指令，然后經(jīng)過驅(qū)動程序翻譯，轉(zhuǎn)變?yōu)锽AR空間的寄存器讀寫操作，最后反饋相應(yīng)的信息給應(yīng)用程序［5］。DMA操作時由應(yīng)用程序發(fā)起，經(jīng)過驅(qū)動程序轉(zhuǎn)變成DMA請求，驅(qū)動程序配置相應(yīng)參數(shù)，其中包括設(shè)置DMA大小，DMA的地址，數(shù)據(jù)傳輸方式等。當(dāng)DMA請求完成后，采集卡會給驅(qū)動程序發(fā)送中斷請求，接收到中斷請求后完成整個DMA操作，通知上位機應(yīng)用程序。緩存管理的工作主要是監(jiān)測緩存狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲隊列，保證不出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。驅(qū)動程序申請連續(xù)的物理空間，把物理空間劃分成一連串存儲節(jié)點，構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲隊列。新數(shù)據(jù)從隊列首進入，舊數(shù)據(jù)從隊列尾讀出。當(dāng)隊列快滿時，向應(yīng)用程序發(fā)出警報，調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略，進行數(shù)據(jù)存儲。

圖5 驅(qū)動程序架構(gòu)

5 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)性能，采用了多種手段對系統(tǒng)性能進行測試。為測試系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)，搭建如圖6所示的測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)中使用高精度射頻信號源產(chǎn)生一個單頻正弦電壓信號（0dB，10MHz到2GHz），經(jīng)過ADC電路采集到FPGA，F(xiàn)PGA將存儲下來的數(shù)字化波形通過Chipscope進行觀測，采集結(jié)果送到計算機進行FFT變換，最后根據(jù)前述公式計算出SNR，THD，SINAD，SFDR等指標。表1列出了系統(tǒng)的主要測試指標和實測結(jié)果。

圖6 測試系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)主要指標和實測結(jié)果

從表1可以看出，系統(tǒng)在2GHz帶寬內(nèi)達到了較高的動態(tài)指標，能夠滿足高速頻譜信號的記錄需求。

6 結(jié)束語

為了保證在電磁頻譜監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)中保證寬帶頻譜信號能夠完整并高速地記錄下來，系統(tǒng)設(shè)計通過采用超高速ADC、優(yōu)化傳輸方式、優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)等手段實現(xiàn)了超高速實時寬頻帶信號數(shù)據(jù)采集、傳輸與記錄。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，在2GHz帶寬下，系統(tǒng)達到了較高的動態(tài)性能（SNR＞40dB，SFDR＞48dB），能夠有效滿足寬帶頻譜監(jiān)測的需要，具有很高的實用價值。

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Design on a High speed Real－time W ide Band Spectrum Signal Acquisition System

Ding Hongyi，Liu Qixu
（China National Administrations of Gnss and Applications，Beijing 100088，China）

This paper introduces a novel wide－band real time signal acquisition system which is consist of signal conditioning unit，clock generating unit，ADC unit，F(xiàn)PGA，high speed buffering unit，PCIE interface and powermodules.Bymeans of ultra－h(huán)igh speed ADC，optimized transferring strategy，and optimized data storage architecture，the system realizes high speed wideband signal recording，transferring and storage.The software of system applies dual－channel technology which achieves 5GB/s data throughput.The test results show that the system achieves the satisfied dynamic performance in 2GHz bandwidth and meets the requirements of high speed spectrum signal recording.

Real－time signal；Data acquisition；Ultra high speed；Wide band；Spectrum recording；Data transferring

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.023

TP274

A

1002－2279（2015）05－0088－04

丁宏毅（1974－），男，遼寧省興城市人，學(xué)士，工程師，主研方向：衛(wèi)星導(dǎo)航定位、信號分析處理。

2014－10－23