一种自适应宽窄带雷达信号的数据采集系统

王俊岭，纪经明，钟 山

（北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081）

高速数据采集系统是雷达获取数字信号的关键设备之一[1]。由于观测场景和信息提取内容差异，雷达体制灵活多变，这使得高速数据采集系统的设计一般按雷达系统需求进行定制[2-3]。高分辨探测与成像雷达系统设计课程中，所用的实验雷达体制多样，存在简单单频脉冲、频率步进信号、宽带线性调频信号等多种信号形式，信号带宽也分布在由简单单频脉冲的0.1 MHz 带宽到宽带线性调频信号的3 GHz 带宽之间。为每种雷达均定制一套数据采集系统不仅导致实验设备成本高昂，多种类数据采集系统配置操作的复杂性令学生花费大量的精力于雷达设备模块的组装配置上，不利于实际实验教学。配置灵活的高速信号采集设备可适用不同体制的雷达信号处理系统，有利于雷达信号处理的模块化和实验教学时的流程化[4]。因此，本文设计了一种自适应宽窄带雷达信号的数据采集系统，通过配置信号的带宽、频点等参数信息实现3.8 GHz 带宽以下宽窄带信号的自适应采集与传输。该设计的关键在于利用高速ADC 先把输入的基带或中频信号统一采用宽带采样，然后在FPGA 中根据雷达配置参数实现宽窄带信号的分选、预处理以及传输。该实现方式可灵活适应不同雷达体制，且对外接口简单，很容易与不同体制雷达实验设备装配。

1 系统总体设计方案

相对而言，窄带雷达测量距离远、跟踪范围广，但目标的距离分辨能力较弱，常用于目标检测和运动特性参数测量；而宽带雷达距离分辨率高，可获取目标精细结构特征，用于目标识别，或者利用其高距离分辨能力提升在杂波或干扰环境下的目标检测、跟踪性能[5-6]。同时，出于降低宽带雷达工程实现难度或抗干扰等目的，频率步进或者频率捷变等频率跳变信号体制在雷达中广泛应用[1]。此外，出于体制优势互补的目的，研究人员常采用宽窄带雷达组网[7]或者宽窄带交替发射信号[8]的方式充分发挥宽窄带雷达各自的优势。雷达信号体制的复杂化增加了雷达信号采集系统的设计难度[9-10]，通用化的宽窄带雷达信号采集处理系统需要自动根据雷达信号的带宽模式、频点跳变等自适应地采集信号。对此，本文设计了一种自适应宽窄带雷达信号的数据采集系统（见图1），可根据信号的带宽、频点等参数配置信息实现3.8 GHz 带宽以下宽窄带信号的自适应采集与传输。

图1 自适应宽窄带雷达信号采集系统

雷达I、Q 两路射频信号分别通过一片ADC 进行数据采集，然后根据宽窄带配置参数选择宽带通路或窄带通路，并缓存预处理后的数据到DDR3 中，最后由光纤传输模块通过光纤将采样数据传输至数据处理存储接口。该系统中宽带信号与窄带信号具有独立通路，一方面可适应宽带成像雷达中宽窄带交替模式，同时也在实验中直接对比分析不同宽窄带采样模式对雷达信号处理的影响。

对宽带通路，该数据采集系统要求输入信号为零中频信号，数采模块根据宽带信号参数配置采样率采集回波，但采集到回波信号后不做数据预处理，直接传给后续数据处理存储模块。对窄带通路，该系统则无零中频输入要求，但需要窄带信号的载频或频率跳变带宽加上窄带信号带宽后小于数采芯片的最大可配置采样率，在获取窄带数字信号后，根据窄带信号频点和带宽信息，进行数字下变频和抽取滤波处理，获得窄带基带回波信号，然后传输给数据处理存储模块。此外，为保证回波信号的相参性，ADC 的采样率等参数配置在宽窄交替模式或者频率跳变模式下应保持一致，为2 种信号模式所需采样带宽的大值。

2 数据采集系统的硬件实现

按照设计需求，该数据采集系统硬件原理图和根据设计生产好的实物图如图2 所示。该系统使用2 片ADC 芯片实现对回波信号I 路和Q 路的复采样，芯片是e2V 公司生产的EV10AQ190[11]，工作模式可配置为单通道5GSPS 采样，这使得该系统可以通过并行时间交替采样的方式实现5 GHz 带宽以下信号的复采样。使用1 片XC6VSX315T[12]FPGA 芯片负责对整个系统的控制和对数字回波信号的预处理；使用2 个光模块实现原始基带数据的转发；一片DSP C6678 作为拓展处理器；FPGA 和DSP 芯片均配备DDR3 实现高速数据的缓存。

图2 数据采集系统原理图与实物图

3 数据采集系统的软件设计

3.1 宽带采集部分

宽带数据采集部分需实现2 项功能：一是根据信号参数配置信息由SPI 接口配置ADC 芯片的工作模式；二是通过FPGA 内部的数据接收模块将ADC 采集到的高速数据进行接收。图3 给出了宽带数据采集部分FPGA 程序的功能框图。因ADC 的数据输出顺序和采集顺序不同，所以需通过顺序转换模块调整数据顺序；因采样数据位宽和高速缓存的接口位宽不匹配，还需位宽转换模块对数据进行位宽转换；数据拼接打包模块则是将数采波门等信息与原始回波信号进行拼接打包处理；然后由数据缓存模块写入DDR3 缓存并通过光纤发送出去。

图3 宽带采集部分FPGA 程序功能框图

3.2 窄带预处理部分

由于输入为非零中频信号，窄带采集部分需将大采样带宽获得的回波信号预处理为窄带基带信号，因此，窄带数据需进行数字下变频和多相滤波预处理。此时，图3 中的位宽转换模块在窄带信号采集通道更换为基于多相分解的数字下变频模块，同时完成窄带数字信号的下变频和滤波操作。变频模块框图如图4 所示。该模块在进行M倍多相分解后，根据窄带信号频点同时实现信号的低通滤波和下变频，而二级滤波后N倍抽取的处理方式则可以降低整体所需滤波器阶数，以较少的乘法器资源实现更高性能的窄带滤波处理。

图4 基于多相结构和两级滤波的数字下变频模块

4 系统功能指标测试

为验证所涉及数据采集系统的功能和性能指标，搭建了数据采集系统功能指标测试平台，如图5 所示。该系统由工控机、数据采集板（本文设计的信号采集系统实物）、数据存储处理系统以及2 个信号源组成。在该测试平台中，信号源Agilent E8267D 用于生成稳定的单频信号，作为所研制数据采集系统的参考时钟源；而AV1411 合成扫频信号发生器作为回波模拟器，生成不同频点的单频信号以及窄带线性调频信号模拟雷达的宽窄带回波；数据存储处理系统则实时存储由光纤传入的数采信号，并进行事后分析处理。

图5 数据采集系统功能指标测试平台

图6 宽带采集结果

通过采集不同频点的单频信号，并分析其时频特性可验证该数据采集系统的宽带采集功能。采集非零中频的窄带调制信号并分析其输出结果，可以验证数据采集系统对窄带回波采集和预处理功能。数据采集系统的相位相参性指标则可通过比较所采集单频信号的实际相位与理论值之间的差异来获得。

图6 给出了使用4 GHz 的采样率分别对频点为300 MHz 的单频信号进行采集后的时域图（ADC1 为I 路，ADC2 为Q 路），以及对频点为1 900 MHz 的单频信号进行采集后的频域图（I 路）。300 MHz 单频信号的采样结果中，I、Q 两路信号在时域的平滑性和正交性表明该数据采集系统各数据通道的时延已被校正；而对1 900 MHz 的单频信号进行采样并做傅里叶变换后，信号峰值在频域的位置正确，表明该数据采集系统可实现单路频偏在1 900 MHz 信号的宽带采集功能，从而可实现3.8 GHz 以下信号的I、Q 两路复采样。

图7 为本数采系统对载频为800 MHz、带宽为3 MHz 的窄带信号先进行宽带采样，再进行窄带预处理的结果。图7 表明，对非零中频的窄带回波信号，在进行了基于多项抽取的数字下变频和两级低通滤波后，该回波信号已搬移至零中频。验证了本数据采集系统实现了对窄带信号的自适应采集和预处理功能。

图7 窄带信号频谱和抽取结果（I 路）

图8 为本数据采集系统的相位稳定性指标测试结果。该测试中，I、Q 两路均通过50 Hz 的波门采样间隔采集载频为1 GHz 的单频信号，然后由各采样波门前沿的初相与理论值的差异来度量数据采集系统信号相位稳定性。测试结果表明，在60 s 的时间内，整个数采系统引入的相位抖动量在0.5°以内。

图8 采样时刻初相与理论值差异

5 结语

针对高分辨探测与成像雷达系统实验教学中设备模块化和流程化需求，本文设计并实现了一种自适应宽窄带雷达信号的数据采集系统。该系统采用2 片ADC 芯片实现了雷达回波I、Q 两路数据的宽带复采样，并可根据信号的带宽、频点等参数配置信息实现对非零中频窄带输入信号的下变频和滤波抽取处理，转为基带信号。搭建的测试平台验证了所开发的数据采集系统可实现宽窄带雷达回波信号的自适应采集和预处理，在60 s 的时间内，数采系统相位抖动量在0.5°以内。