高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測(cè)試方法研究

苗可可，王 壯，程 翥，王夢(mèng)南

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院ATR國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410073；2.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電子工程所，湖南長(zhǎng)沙 410073)

高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測(cè)試方法研究

苗可可1，王 壯1，程 翥2，王夢(mèng)南1

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院ATR國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410073；2.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電子工程所，湖南長(zhǎng)沙 410073)

在射電天文觀測(cè)中，天文信號(hào)十分微弱，在大部分情況下可以看成是噪聲功率的微小增加，需要長(zhǎng)的積分時(shí)間才能從噪聲中顯現(xiàn)，因此在進(jìn)行射電天文數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)采集系統(tǒng)的性能具有較高的要求。針對(duì)射電天文數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，從噪聲特性、頻率特性和同步特性3方面給出了系統(tǒng)性能的衡量指標(biāo)，圍繞這些指標(biāo)，分別研究了其測(cè)試方法，最后以某個(gè)實(shí)際射電天文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了指標(biāo)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提指標(biāo)的有效性和指標(biāo)測(cè)試方法的合理性。

射電天文；數(shù)據(jù)采集；測(cè)試方法；噪聲特性；頻率特性；同步特性

CN53－1189/P ISSN1672－7673

隨著雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、射電天文等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在各領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用[1－2]。在射電天文中使用采集系統(tǒng)采集來(lái)自射電源的信號(hào)，通常采集的射電信號(hào)都非常微弱。當(dāng)射電天文信號(hào)通過(guò)采集系統(tǒng)時(shí)，采集系統(tǒng)又會(huì)把自身產(chǎn)生的噪聲添加到信號(hào)中，降低了信號(hào)的信噪比，使得在采集數(shù)據(jù)中更加難以觀測(cè)到微弱的射電信號(hào)。因此在對(duì)射電天文信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，采集系統(tǒng)本身的噪聲特性直接影響著所觀測(cè)數(shù)據(jù)的好壞。在地球表面可以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)的10 MHz～300 GHz頻段里，射電天文學(xué)家?guī)缀鯇?duì)這頻段的所有頻率感興趣，因而在對(duì)射電天文信號(hào)采集時(shí)，希望系統(tǒng)能具有較好的頻率特性，這樣便能夠獲得更寬的可觀測(cè)帶寬。在射電天文實(shí)際觀測(cè)和研究中，因?yàn)槌３Ｐ枰邮沼缮潆娫摧椛涞亩嗦沸盘?hào)，所以實(shí)現(xiàn)多通道的同步數(shù)據(jù)采集受到科學(xué)研究的廣泛青睞。這樣以來(lái)，采集通道間的同步性能就顯得尤為重要，它直接決定著所采數(shù)據(jù)間的時(shí)延大小。

射電天文觀測(cè)存在著射電源種類繁多、輻射信號(hào)微弱等特殊性，因此決定了用于射電天文觀測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須具有低噪聲、寬頻帶和高同步的特點(diǎn)[3]。為滿足射電天文觀測(cè)的要求，本文從射電天文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲特性、頻率特性和同步特性3方面入手，給出了衡量每種特性的性能指標(biāo)，并針對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)分別展開了測(cè)試方法的研究。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了指標(biāo)衡量的有效性和指標(biāo)測(cè)試方法的正確性。

1 性能指標(biāo)

1.1 噪聲特性

在表征采集系統(tǒng)的噪聲特性上，使用了噪聲功率這一測(cè)試指標(biāo)，利用噪聲功率可以有效地反應(yīng)采集系統(tǒng)自身的噪聲強(qiáng)度大小。對(duì)于隨機(jī)信號(hào)x[n]而言，其功率譜Px(w)的計(jì)算式為[4]:

式中，rx(m)為x[n]的自相關(guān)函數(shù)。當(dāng)x[n]為噪聲數(shù)據(jù)時(shí)，其自相關(guān)函數(shù)rx(m)是強(qiáng)度為的單位取樣序列，其中是噪聲數(shù)據(jù)的方差，因此噪聲功率的值又可以通過(guò)噪聲的方差求得。為了能夠采集更多的射電源，采集系統(tǒng)的噪聲功率必須非常低，這意味著采集系統(tǒng)只能產(chǎn)生方差非常小的噪聲[5]。

1.2 頻率特性

為了衡量采集系統(tǒng)的頻率特性，提出采集通道3 dB帶寬B和通帶紋波α兩個(gè)測(cè)試指標(biāo)。利用采集通道的3 dB帶寬可以衡量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集的頻段大小，其中B的值可以利用通道信號(hào)功率衰減至1/2時(shí)信號(hào)的上－3 dB頻率fup與下－3 dB頻率flow相減求得。在理想情況下，通帶幅度為1，但是在采集通道實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，通帶幅度在1附近總有起伏，在整個(gè)通道內(nèi)最大的起伏，稱為通帶紋波。利用通帶紋波α可以衡量經(jīng)過(guò)系統(tǒng)采集后信號(hào)的衰減程度，其中α的值可通過(guò)通帶波動(dòng)與通頻幅度的比值求得。

1.3 同步特性

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采樣與觸發(fā)的同步是準(zhǔn)確采集到信號(hào)點(diǎn)的關(guān)鍵[5]。系統(tǒng)同步性的好壞直接決定著高速數(shù)據(jù)采集的信噪比[6－8]。針對(duì)系統(tǒng)的同步特性，主要提出了兩個(gè)測(cè)試指標(biāo)，一個(gè)指標(biāo)是各路通道間的固定時(shí)間延遲Δt[9]，利用固定時(shí)延可以衡量通道之間同步性的大小，其中Δt的值可以利用通道之間的信號(hào)相位差Δφ求得；另一個(gè)指標(biāo)是各路通道間的固定時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)偏差σt，利用固定時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)偏差可以衡量通道之間同步性的穩(wěn)定性，其中σt的值是通過(guò)對(duì)Δt統(tǒng)計(jì)得到。

2 測(cè)試方法

2.1 噪聲特性的測(cè)試方法

測(cè)試噪聲方差的原理是:通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采集的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，使用(2)式對(duì)所得到的每個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行均值估計(jì)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，最后利用(3)式得到各個(gè)數(shù)據(jù)段的方差估計(jì)值。具體方法如下:假設(shè)對(duì)M段長(zhǎng)度分別為N的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，它們經(jīng)過(guò)AD采集后的轉(zhuǎn)換值分別為Aij(1≤i≤N，1≤j≤M)，其統(tǒng)計(jì)均值為，實(shí)驗(yàn)方差為(1≤j≤M)，計(jì)算公式如下:

2.2 頻率特性的測(cè)試方法

測(cè)試采集通道3 dB帶寬的原理是:通過(guò)采集系統(tǒng)對(duì)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的不同頻率的信號(hào)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)分成M段，對(duì)每段數(shù)據(jù)作N點(diǎn)快速傅里葉變換，以最大幅值處的頻率作為每段數(shù)據(jù)的頻率值fN1、fN2、…fNM；將所有對(duì)應(yīng)于同一頻率的數(shù)據(jù)段內(nèi)的極值作為該頻率所對(duì)應(yīng)的峰峰值；將對(duì)應(yīng)于同一頻率的數(shù)據(jù)段中的所有點(diǎn)求均方值，即得到該頻率所對(duì)應(yīng)的功率；然后計(jì)算該處峰峰值平方或功率在整個(gè)輸入頻率范圍內(nèi)衰減至1/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值fup和flow，即可得出采集通道的3 dB帶寬B:

最后利用通帶內(nèi)的峰峰值平方或功率，計(jì)算出紋波衰減α:

式中，Pmax和Pmin分別表示整個(gè)通帶內(nèi)信號(hào)峰峰值平方或功率的最大值和最小值。

2.3 同步特性的測(cè)試方法

測(cè)試各路通道之間固定時(shí)延的原理是:讓兩路待測(cè)通道對(duì)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行同步采集，對(duì)采集存儲(chǔ)的兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換。此時(shí)信號(hào)的快速傅里葉變換頻譜上的主峰位置所對(duì)應(yīng)的頻率即為所輸入正弦信號(hào)的頻率，然后比較這兩路數(shù)據(jù)主峰處對(duì)應(yīng)的相位差，即可折算這兩路通道之間的固定時(shí)延。最后利用多次固定時(shí)延，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差，即可近似代表固定時(shí)延的晃動(dòng)[10]。

3 測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上所提性能指標(biāo)的有效性和指標(biāo)測(cè)試方法的正確性，以一個(gè)實(shí)際的射電天文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例進(jìn)行驗(yàn)證分析。圖1為利用采集系統(tǒng)搭建的指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

測(cè)試平臺(tái)由信號(hào)發(fā)生器模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊以及PC機(jī)模塊3部分組成。平臺(tái)的核心是射電天文數(shù)據(jù)多通道采集系統(tǒng)模塊，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)8通道、16通道以及通道可擴(kuò)展，250 MHz最高采樣率，14 bit、8 bit、4 bit等不同位數(shù)的高速同步連續(xù)采樣，持續(xù)記錄容量2 T，并可支持包括鍵盤觸發(fā)、全球定位系統(tǒng)信號(hào)觸發(fā)、信號(hào)幅度觸發(fā)、外接信號(hào)觸發(fā)、單穩(wěn)觸發(fā)、自恢復(fù)觸發(fā)、自恢復(fù)再觸發(fā)等在內(nèi)的多種復(fù)雜觸發(fā)模式下的采集。通過(guò)實(shí)際采集的驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較好的性能特性。從圖1可以看出在實(shí)際測(cè)試時(shí)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)直接輸出到采集系統(tǒng)輸入端，而未經(jīng)過(guò)接收機(jī)前端(低噪聲放大器LNA、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器等組成)處理，因此，本文所測(cè)試的系統(tǒng)噪聲指的是由采集系統(tǒng)自身以及傳輸線這一級(jí)產(chǎn)生的噪聲。接下來(lái)使用上文所述的性能測(cè)試方法在測(cè)試平臺(tái)上對(duì)所提出的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并給出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

3.1 噪聲特性測(cè)試

將采樣位數(shù)設(shè)定為14 bit，采樣點(diǎn)數(shù)N＝20萬(wàn)，采集頻率fs1分別設(shè)為200 MHz和100 MHz，對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)分為采集系統(tǒng)信號(hào)輸入端連接數(shù)據(jù)傳輸線和采集系統(tǒng)信號(hào)輸入端未連接數(shù)據(jù)傳輸線(懸空)兩種情況。表1是對(duì)測(cè)試過(guò)程中得到的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值進(jìn)行數(shù)字統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，圖2是經(jīng)過(guò)分析2塊采集板、每板8路通道所得到的噪聲功率特性曲線。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)Fig.1 A block diagram of the test platform for the performance of the data-acquisition system

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)噪聲功率特性曲線Fig.2 Characteristic curves of noise power in the data-acquisition system

表1 估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)字特征Table 1 The mean values and standard deviations of the

表1 估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)字特征Table 1 The mean values and standard deviations of the

10次估計(jì)統(tǒng)計(jì)100點(diǎn)數(shù)據(jù)1 000點(diǎn)數(shù)據(jù)1萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)10萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)100萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)1 000萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)方差估計(jì)的均值3.875 73.629 73.620 23.688 73.669 23.675 8方差估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差0.616 20.175 40.095 70.092 30.030 70.009 9

3.2 頻率特性測(cè)試

由于當(dāng)采集頻率一定時(shí)，隨著測(cè)試頻率的增加，每個(gè)分段中所包含的信號(hào)周期數(shù)會(huì)隨之增多，噪聲對(duì)測(cè)試的影響更加不明顯，但會(huì)導(dǎo)致每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的減少，這樣便使得對(duì)信號(hào)幅度估計(jì)的誤差增加。因此在實(shí)際頻率特性測(cè)試時(shí)是采取將整個(gè)測(cè)試頻帶劃分為多個(gè)頻帶進(jìn)行測(cè)試的方法，然后針對(duì)各個(gè)頻段分別使用不同的采樣率進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)分析，將輸入信號(hào)頻率1 KHz～100 MHz的測(cè)試頻帶劃分為1 KHz～1 MHz和1 MHz～100 MHz兩個(gè)測(cè)試頻帶分別進(jìn)行測(cè)試。

1 KHz～1 MHz頻帶的測(cè)試:將信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)峰峰值設(shè)置為1 V，將掃頻范圍設(shè)置為1 KHz～1 MHz，掃描周期設(shè)置為Tc＝2 s，掃頻間隔為Δf＝1 KHz，即每個(gè)頻率的持續(xù)時(shí)間為Tf＝2 ms。系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定為fs＝2.5 MHz，這樣即使在最低頻fmin＝1 KHz時(shí)仍有兩個(gè)周期的信號(hào)會(huì)被采集，且每個(gè)周期能夠采到2 500個(gè)點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)的峰峰值誤差為1/2 500/2＝2×10－4，采集數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝5×106個(gè)點(diǎn)。

將采集的數(shù)據(jù)從頭至尾依次取N點(diǎn)為段長(zhǎng)并作N點(diǎn)的快速傅里葉變換，為能夠滿足每個(gè)輸入頻率會(huì)至少出現(xiàn)一次完整的掃描周期，因此每段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度N的大小為2500。測(cè)試結(jié)果如圖3。

由圖3可以分析得到系統(tǒng)頻率特性的下－3 dB頻率flow≈49 KHz。

1 MHz～100 MHz頻帶的測(cè)試:將掃頻范圍設(shè)置為1 MHz～100 MHz；掃描周期為Tc＝20 ms，掃頻間隔為Δf＝1 MHz，即每個(gè)頻率的持續(xù)時(shí)間為Tf＝0.2 ms；采樣率為fs＝250 MHz，這樣即使在最低頻1 MHz時(shí)仍有200個(gè)周期的信號(hào)會(huì)被采集，且每個(gè)周期能夠采到250個(gè)點(diǎn)，那么對(duì)應(yīng)的峰峰值誤差為1/250/2＝2×10－3；采集數(shù)據(jù)長(zhǎng)度定為L(zhǎng)＝5×106點(diǎn)。

圖3 1 KHz～1 MHz頻帶的頻率特性曲線Fig.3 The power-spectrum curve in the 1KHz to 1MHz band

為能夠滿足每個(gè)輸入頻率至少出現(xiàn)一次完整的掃描周期，因此每段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度N為250點(diǎn)，其他步驟均與上面1 KHz～1 MHz測(cè)試時(shí)相同。經(jīng)過(guò)測(cè)試得到如圖4的測(cè)試結(jié)果。

在得到了1 KHz～1 MHz和1 MHz～100 MHz兩分段頻帶的頻率特性之后，經(jīng)整合得到整個(gè)1 KHz～100 MHz頻帶的頻率特性曲線，如圖5。綜合圖3和圖5可以看出，B大致在49 KHz～100 MHz；利用(5)式可算出α等于0.46 dB。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，B與實(shí)際系統(tǒng)的通帶范圍相符，α滿足小于1 dB的要求，可見通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)能夠有效地衡量系統(tǒng)的頻率特性，驗(yàn)證了指標(biāo)測(cè)試方法的可行性。

3.3 同步特性測(cè)試

將所輸入的正弦信號(hào)頻率設(shè)為f＝1 MHz，峰值A(chǔ)＝1 V，采樣頻率fs＝200 MHz，每路通道采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N＝300萬(wàn)，進(jìn)行快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)M＝10點(diǎn)，在頻域內(nèi)利用極值搜索法得到信號(hào)的頻率值，最后再求取信號(hào)頻率處兩者的相位差，即為相位延遲。圖6為在板內(nèi)(1號(hào)采集板)進(jìn)行的不同通道號(hào)(CH6和CH7通道)間的同步特性測(cè)試曲線；圖7為板間(0號(hào)與1號(hào)采集板)進(jìn)行的不同通道號(hào)(CH6和CH7通道)間的同步特性測(cè)試曲線。由圖6可以分析得到其固定時(shí)鐘延遲Δt＝－0.279 8 ns，固定時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)偏差σt＝6.049 1×10－7。由圖7可以分析得到其固定時(shí)鐘延遲Δt＝－0.069 3 ns，固定時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)偏差σt＝6.457 7×10－7。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，時(shí)鐘信號(hào)彼此間的時(shí)延滿足納秒量級(jí)的要求，時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足10－7量級(jí)的要求，驗(yàn)證了所提指標(biāo)Δt和σt能夠有效地衡量系統(tǒng)的同步特性以及指標(biāo)測(cè)試方法的可靠性。

圖4 1 MHz～100 MHz頻帶的頻率特性曲線Fig.4 The power-spectrum curve in the 1MHz to 100MHz band

圖5 1 KHz～100 MHz頻帶的頻率特性曲線Fig.5 The power-spectrum curve in the 1KHz to 100MHz band

圖6 1＃CH6與1＃CH7之間的同步特性曲線Fig.6 Characteristics of synchronization between 1＃CH6 and 1＃CH7

圖7 0＃CH6與1＃CH7之間的同步特性曲線Fig.7 Characteristics of synchronization between 0＃CH6 and 1＃CH7

4 結(jié) 論

本文結(jié)合射電天文信號(hào)的特點(diǎn)和射電天文觀測(cè)的需要，對(duì)射電天文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲特性、頻率特性、同步特性提出了相應(yīng)的性能測(cè)試指標(biāo)，并針對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)分析給出了具體的測(cè)試方法，最后基于某實(shí)際系統(tǒng)，對(duì)所提指標(biāo)和測(cè)試方法進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)的實(shí)際性能相吻合，驗(yàn)證了性能指標(biāo)在衡量系統(tǒng)性能上的有效性以及指標(biāo)測(cè)試方法的合理性。

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Yang Junfeng，Wu Jie，Tang Shiyue，et al.The design and test of 64-channel synchronous radar high-speed data acquisition system[J].Journal of Circuits and Systems，2007，12(4):147－150.

A Study of Test Methods for the Performance of a High-Speed Synchronous Data-Acquisition System

Miao Keke1，Wang Zhuang1，Cheng Zhu2，Wang Mengnan1
(1.Key Laboratory of ATR，College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China，Email:kekemiao211＠gmail.com；2.Research Institution of Electronic Engineering，College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Astronomical radio signals are usually weak enough that they merely appear as slight enhancements over noise，and need to be integrated for rather long periods to be distinguished from noise.This imposes high standards on the performances of data-acquisition systems in radio astronomy.By analyzing data characteristics of radio astronomy we propose performance indices of a data-acquisition system.These indices are for three aspects，i.e.noise characteristics，power-spectrum characteristics，and synchronization characteristics.We further study methods of measuring these indices and establish a test platform based on the methods.We use the platform to test a practical data-acquisition system.Our test results show the effectiveness of the proposed indices and their measurement methods.

Radio astronomy；Data acquisition；Test methods；Noise characteristics；Power-spectrum characteristics；Synchronization characteristics

TP274.2

A

1672－7673(2014)04－0417－06

2014－04－28；

2014－05－14

苗可可，男，碩士.研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理.Email:kekemiao211＠gmail.com