一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統

王俊嶺，紀經明，鐘 山

（北京理工大學 信息與電子學院，北京 100081）

高速數據采集系統是雷達獲取數字信號的關鍵設備之一[1]。由于觀測場景和信息提取內容差異，雷達體制靈活多變，這使得高速數據采集系統的設計一般按雷達系統需求進行定制[2-3]。高分辨探測與成像雷達系統設計課程中，所用的實驗雷達體制多樣，存在簡單單頻脈沖、頻率步進信號、寬帶線性調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 帶寬到寬帶線性調頻信號的3 GHz 帶寬之間。為每種雷達均定制一套數據采集系統不僅導致實驗設備成本高昂，多種類數據采集系統配置操作的復雜性令學生花費大量的精力于雷達設備模塊的組裝配置上，不利于實際實驗教學。配置靈活的高速信號采集設備可適用不同體制的雷達信號處理系統，有利于雷達信號處理的模塊化和實驗教學時的流程化[4]。因此，本文設計了一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統，通過配置信號的帶寬、頻點等參數信息實現3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號的自適應采集與傳輸。該設計的關鍵在于利用高速ADC 先把輸入的基帶或中頻信號統一采用寬帶采樣，然后在FPGA 中根據雷達配置參數實現寬窄帶信號的分選、預處理以及傳輸。該實現方式可靈活適應不同雷達體制，且對外接口簡單，很容易與不同體制雷達實驗設備裝配。

1 系統總體設計方案

相對而言，窄帶雷達測量距離遠、跟蹤范圍廣，但目標的距離分辨能力較弱，常用于目標檢測和運動特性參數測量；而寬帶雷達距離分辨率高，可獲取目標精細結構特征，用于目標識別，或者利用其高距離分辨能力提升在雜波或干擾環境下的目標檢測、跟蹤性能[5-6]。同時，出于降低寬帶雷達工程實現難度或抗干擾等目的，頻率步進或者頻率捷變等頻率跳變信號體制在雷達中廣泛應用[1]。此外，出于體制優勢互補的目的，研究人員常采用寬窄帶雷達組網[7]或者寬窄帶交替發射信號[8]的方式充分發揮寬窄帶雷達各自的優勢。雷達信號體制的復雜化增加了雷達信號采集系統的設計難度[9-10]，通用化的寬窄帶雷達信號采集處理系統需要自動根據雷達信號的帶寬模式、頻點跳變等自適應地采集信號。對此，本文設計了一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統（見圖1），可根據信號的帶寬、頻點等參數配置信息實現3.8 GHz 帶寬以下寬窄帶信號的自適應采集與傳輸。

圖1 自適應寬窄帶雷達信號采集系統

雷達I、Q 兩路射頻信號分別通過一片ADC 進行數據采集，然后根據寬窄帶配置參數選擇寬帶通路或窄帶通路，并緩存預處理后的數據到DDR3 中，最后由光纖傳輸模塊通過光纖將采樣數據傳輸至數據處理存儲接口。該系統中寬帶信號與窄帶信號具有獨立通路，一方面可適應寬帶成像雷達中寬窄帶交替模式，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信號處理的影響。

對寬帶通路，該數據采集系統要求輸入信號為零中頻信號，數采模塊根據寬帶信號參數配置采樣率采集回波，但采集到回波信號后不做數據預處理，直接傳給后續數據處理存儲模塊。對窄帶通路，該系統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采芯片的最大可配置采樣率，在獲取窄帶數字信號后，根據窄帶信號頻點和帶寬信息，進行數字下變頻和抽取濾波處理，獲得窄帶基帶回波信號，然后傳輸給數據處理存儲模塊。此外，為保證回波信號的相參性，ADC 的采樣率等參數配置在寬窄交替模式或者頻率跳變模式下應保持一致，為2 種信號模式所需采樣帶寬的大值。

2 數據采集系統的硬件實現

按照設計需求，該數據采集系統硬件原理圖和根據設計生產好的實物圖如圖2 所示。該系統使用2 片ADC 芯片實現對回波信號I 路和Q 路的復采樣，芯片是e2V 公司生產的EV10AQ190[11]，工作模式可配置為單通道5GSPS 采樣，這使得該系統可以通過并行時間交替采樣的方式實現5 GHz 帶寬以下信號的復采樣。使用1 片XC6VSX315T[12]FPGA 芯片負責對整個系統的控制和對數字回波信號的預處理；使用2 個光模塊實現原始基帶數據的轉發；一片DSP C6678 作為拓展處理器；FPGA 和DSP 芯片均配備DDR3 實現高速數據的緩存。

圖2 數據采集系統原理圖與實物圖

3 數據采集系統的軟件設計

3.1 寬帶采集部分

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

圖3 寬帶采集部分FPGA 程序功能框圖

3.2 窄帶預處理部分

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處理為窄帶基帶信號，因此，窄帶數據需進行數字下變頻和多相濾波預處理。此時，圖3 中的位寬轉換模塊在窄帶信號采集通道更換為基于多相分解的數字下變頻模塊，同時完成窄帶數字信號的下變頻和濾波操作。變頻模塊框圖如圖4 所示。該模塊在進行M倍多相分解后，根據窄帶信號頻點同時實現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，以較少的乘法器資源實現更高性能的窄帶濾波處理。

圖4 基于多相結構和兩級濾波的數字下變頻模塊

4 系統功能指標測試

為驗證所涉及數據采集系統的功能和性能指標，搭建了數據采集系統功能指標測試平臺，如圖5 所示。該系統由工控機、數據采集板（本文設計的信號采集系統實物）、數據存儲處理系統以及2 個信號源組成。在該測試平臺中，信號源Agilent E8267D 用于生成穩定的單頻信號，作為所研制數據采集系統的參考時鐘源；而AV1411 合成掃頻信號發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頻信號模擬雷達的寬窄帶回波；數據存儲處理系統則實時存儲由光纖傳入的數采信號，并進行事后分析處理。

圖5 數據采集系統功能指標測試平臺

圖6 寬帶采集結果

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據采集系統的寬帶采集功能。采集非零中頻的窄帶調制信號并分析其輸出結果，可以驗證數據采集系統對窄帶回波采集和預處理功能。數據采集系統的相位相參性指標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 的單頻信號進行采集后的頻域圖（I 路）。300 MHz 單頻信號的采樣結果中，I、Q 兩路信號在時域的平滑性和正交性表明該數據采集系統各數據通道的時延已被校正；而對1 900 MHz 的單頻信號進行采樣并做傅里葉變換后，信號峰值在頻域的位置正確，表明該數據采集系統可實現單路頻偏在1 900 MHz 信號的寬帶采集功能，從而可實現3.8 GHz 以下信號的I、Q 兩路復采樣。

圖7 為本數采系統對載頻為800 MHz、帶寬為3 MHz 的窄帶信號先進行寬帶采樣，再進行窄帶預處理的結果。圖7 表明，對非零中頻的窄帶回波信號，在進行了基于多項抽取的數字下變頻和兩級低通濾波后，該回波信號已搬移至零中頻。驗證了本數據采集系統實現了對窄帶信號的自適應采集和預處理功能。

圖7 窄帶信號頻譜和抽取結果（I 路）

圖8 為本數據采集系統的相位穩定性指標測試結果。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據采集系統信號相位穩定性。測試結果表明，在60 s 的時間內，整個數采系統引入的相位抖動量在0.5°以內。

圖8 采樣時刻初相與理論值差異

5 結語

針對高分辨探測與成像雷達系統實驗教學中設備模塊化和流程化需求，本文設計并實現了一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統。該系統采用2 片ADC 芯片實現了雷達回波I、Q 兩路數據的寬帶復采樣，并可根據信號的帶寬、頻點等參數配置信息實現對非零中頻窄帶輸入信號的下變頻和濾波抽取處理，轉為基帶信號。搭建的測試平臺驗證了所開發的數據采集系統可實現寬窄帶雷達回波信號的自適應采集和預處理，在60 s 的時間內，數采系統相位抖動量在0.5°以內。