二次雷達射頻脈沖信號時序記錄系統

李寶鵬，王守權，高偉亮，張凱旋

（海軍航空大學 青島校區，青島266041）

二次雷達在民用上主要用于空中交通管制ATC 系統，獲取目標的高度、批號；在軍事上主要用于敵我識別IFF 系統，獲取目標的“敵我”屬性信息[1]。二次雷達采用“一問一答”方式，通過詢問機發射詢問脈沖和應答機發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詢問信號、應答信號的時序（脈沖串發生時間）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據記錄裝置（簡稱“信號時序記錄系統”），可以采集二次雷達詢問/應答脈沖串發生時刻，并進行“值守式”記錄存儲，可提供人機交互和記錄時序數據導出功能，為二次雷達的日常檢測、現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，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過信號處理后天線發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 系統與應答機交聯關系Fig.1 Cross-linking relationship between system and transponder

系統功能具體如下：

1）記錄詢問和應答事件發生次數及時刻。通過記錄詢問信號和應答信號脈沖以及發生時刻，判斷脈沖串碼型，獲取詢問和應答時間的時刻及次數，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，可節省系統存儲空間。存儲容量為128 GB，持續記錄時間大于3 個月。

3）數據導出功能。記錄數據結果可以通過USB接口導出，用于事后分析和處理。

4）支持網絡通訊，可以對地面監測站系統進行遠程控制，網口為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 系統設計

2.1 總體架構

信號時序記錄系統總體設計方案如圖2 所示。系統主要由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，并通過內置GPS 授時的高精度計時器給采集數據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 轉換數據直接寫入主控制器內存。

主控制器模塊是數據記錄系統的控制核心，負責對各類數據進行融合和記錄。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，以及處理以太網通信，協調人機交互控制等。其內部集成了存儲單元用于對數據進行有效保存；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 模塊為系統提供準確的時間數據，為采樣數據標定時間戳提供精確時間，同時提供系統當前地理位置信息。

存儲單元負責安全、高速、可靠的存儲數據信息。

人機交互面板包括顯示器和鍵盤，用于現場控制及應答事件顯示，系統控制參數的輸入等。

該系統采用監守式對數據進行采集，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，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，才進行后續數據采集存儲處理。這種實現方式。系統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，對數據接口接收的信號進行檢波，提取脈沖的幅度和脈寬等參數；

步驟2檢波信號經AD 轉換成數字信號，并交由FPGA 數據處理模塊進行信號類型判斷處理；

步驟3當脈沖參數不符合篩選特征時剔除數據，重復步驟1；

步驟4當脈沖參數符合篩選特征時，保留數據進行采集，FPGA 將為所有的采樣數據標定一個時間戳，采集到的原始數據都將被封裝成具有時間信息的數據幀；

步驟5具有時間戳信息的數據幀會按照FIFO（first-in first-out）的順序，經過CPCI 總線傳輸到主控制器，主控制器會將數據進行結構化之后寫入存儲單元執行存儲。

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

這種實現方式下，可以進行靈活的篩選條件設置，在很大程度上增強數據記錄的有效性、靈活性，以適應不同類型詢問/應答脈沖信號的采集，同時節省了數據存儲空間。一般采用門限值進行篩選，也可根據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據記錄結果帶來不同的影響。

2.2 硬件設計

系統硬件交聯關系如圖4 所示。主控器選用型號UFO6388 貨架產品，內置Intel I5 四核處理器，主頻為2．1 GHz 搭載2 GB 及以上內存，板載10 M/100 M/1000 Mbit·s-1自適應以太網接口及其它常用接口。內置的存儲單元采用電子固態硬盤，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 系統硬件模塊交聯關系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，內部接收機完成信號處理后通過UART 總線和中斷為系統提供定位、時間以及1PPS 脈沖信息，模塊與FPGA 系統主要有兩部分通信，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），負責數字信號獲取、標記及傳輸。在通信方式上，除PCIe 部分需要FPGA 內部專用接口采用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。考慮到雜波及抗干擾與阻抗匹配，在前端將AD8065 放大器作為調理濾波電路，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，采用通用并行數據接口，具有12 位精度，采樣率60 MS/s。上位機主要包含采集卡驅動、接口調用函數、調試操作界面等3 個模塊。驅動層為內部接口，負責完成板卡與PC 系統之間基礎通信，PC則可對板卡實時相關指令控制以及采集數據讀取。

3 軟件設計

系統軟件從功能架構劃分了4 個模塊，分別為系統管理和交互模塊、AD 數據處理模塊、位置信息處理模塊、數據管理模塊。其中，系統管理和交互模塊是整個系統的主控模塊，同時還通過以太網接口對外提供交互。系統軟件結構如圖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）系統管理和交互模塊 負責整個系統的調度和控制，其主要由4 個子模塊組成。①主控模塊，負責整個系統的控制，其運行流程如圖7 所示。該模塊在完成系統的啟動和初始化工作后，長期阻塞在事件循環（Eventloop）中，等待并處理用戶交互權限、操作系統事件、功能模塊狀態、啟停處理各類控制事件[7]。②事務接口模塊，作為整個系統的外部通信接口，以網絡服務器的形式為用戶提供數據導出、系統控制等交互服務。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，協調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系統管理模塊，負責對計算機系統產生交互，完成系統管理的相關工作。

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

2）AD 數據處理模塊 負責處理從應答機獲取的詢問脈沖和應答脈沖數據，用于AD 調度控制模塊設備控制和功能調度，并對原始數據進行條件篩選。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，具有應用軟件系統內部最高的執行優先級，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先級，（在稍后） 通過FIFO 管道獲取前半部生成的數據送達信息，并以三級流水線方式分步對數據進行讀取、預處理、標記及結構化等工作，最后將采集數據推送給數據管理模塊。

3）位置信息處理模塊 主要負責系統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，另一方面控制協調內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同完成位置信息的獲取和刷新，并以“讀優先”Cache 的形式提供最新的位置信息獲取接口。

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

4 系統測試

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，信號源產生幅值范圍為3 V，寬度為10 μs 的脈沖信號。系統采集信號篩選條件設置為幅值3.5～4 V，脈寬9～11 μs。系統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完全一致。

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

4.2 脈沖信號時序記錄測試

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

表1 系統采集脈沖時序數據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，系統可以記錄射頻脈沖的發生時序，幫助檢查二次雷達信號鏈路的時序關系是否正確。目前該系統已在某型二次雷達系統性能測試外場試驗中得到應用，系統采集數據速度快、精確高，對目標信號捕捉的概率可達到100%。通過更改系統的信號篩選條件，該系統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。