雷達接收機綜合測試系統(tǒng)設計

錢 程，錢葉旺，許亞男

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247100）

0 引 言

隨著雷達技術的發(fā)展和信號處理技術的進步，現(xiàn)代雷達接收機在數(shù)據(jù)傳輸方式、傳輸速率及工作性能等方面都獲得了明顯改善。為了確保雷達接收機工作的穩(wěn)定性和精確性，對雷達接收機的測試和維護要求也不斷提升。傳統(tǒng)的測試維護通常采用手工操作儀表讀數(shù)的方式對被測系統(tǒng)進行參數(shù)測量。測試專用性強、測試周期長及兼容性差，且測試過程繁瑣，難以保證準確性。同時，對測試數(shù)據(jù)的采集、整理、存儲及分析都存在不便。采用真實儀器組與虛擬儀器相結合的基于PC的綜合測試系統(tǒng)可以將計算機硬件資源與儀器硬件資源有效結合，更好地完成雷達接收機的測試維護工作。

本文采用基于FPGA的數(shù)據(jù)采集卡作為橋接部件，將噪聲測試儀HP8970B、頻譜儀HP71100C及信號源HP83752B等真實儀器與雷達系統(tǒng)專用虛擬儀器分析軟件配合工作，構成一套完整的雷達接收機綜合測試系統(tǒng)。使用過程中，可以方便地在工控機上對虛擬測試儀器進行編程設置，且操作靈活、更新周期短，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理與存儲，便于實現(xiàn)雷達接收機測試維護的自動化、智能化，更好地掌握雷達接收機的各項性能指標和工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設計

虛擬儀器與真實儀器相結合的綜合調試及測試系統(tǒng)充分利用了真實儀器的高精度和虛擬儀器的靈活性，實現(xiàn)了雷達接收機參數(shù)的綜合測量。雷達接收機綜合測試系統(tǒng)主要由工控機、測試儀器組、基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集卡及專用虛擬儀器分析軟件組成。測試儀器組包括噪聲測試儀、功率計、信號源、矢量電壓表及頻譜儀等[1]。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

真實儀器的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析可由專用虛擬儀器分析軟件控制。工控機通過GPIB接口模塊完成與真實儀器組的交互。根據(jù)測試步驟發(fā)出雷達接收機狀態(tài)控制信號，并用來設置雷達接收機的工作狀態(tài)、儀表工作狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)采集卡采集雷達接收機送來的數(shù)據(jù)，整理后將數(shù)據(jù)通過CPCI接口傳送到工控機。綜合分析測量結果，產生測試報表，繪制測試曲線，便捷地以自動化方式完成對雷達接收機的調試和檢測[2]。

2 硬件設計

系統(tǒng)設計中，采用LTP-ST11MB光纖接口接收雷達接收機的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。在數(shù)據(jù)采集卡中進行整理，然后將數(shù)據(jù)存入高速RAM。專用虛擬分析軟件通過CPCI總線讀取數(shù)據(jù)，在工控機中進行分析處理，并將處理結果直觀顯示在終端上。同時，通過GPIB總線對真實儀器組進行控制。通過光纖接口接收數(shù)據(jù)，可以滿足雷達接收機高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；CPCI總線可以滿足運行過程中高可靠性和強通用性的要求[3]。

2.1 高速數(shù)據(jù)采集卡設計

雷達接收機綜合測試系統(tǒng)的關鍵在于基于CPCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡設計。高速數(shù)據(jù)采集卡用來采集雷達接收機的各類數(shù)據(jù)信號，并進行整理，其采集的速度及準確度直接影響整個測試系統(tǒng)的工作效率和性能。高速數(shù)據(jù)采集卡的硬件設計框圖如圖2所示[4]。

圖2 高速數(shù)據(jù)采集卡設計框圖

雷達接收機綜合測試系統(tǒng)工作時，由一個125 MHz的晶振直接為FPGA提供工作時鐘。高速數(shù)據(jù)采集卡通過CPCI總線與工控機進行交互，工控機發(fā)出控制指令為雷達接收機設置本振頻率等工作狀態(tài)。雷達接收機工作狀態(tài)穩(wěn)定后，工控機向高速數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令。經過FPGA內部譯碼，經由LTPST11MB接口的集成收發(fā)模塊向雷達接收機下發(fā)指令，并采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)在FPGA內進行高速處理，完成串并轉換、數(shù)據(jù)緩沖后被存入到高速RAM。等待工控機繼續(xù)發(fā)出上報數(shù)據(jù)的指令，高速數(shù)據(jù)采集卡將處理后的數(shù)據(jù)送入到工控機。工控機收到數(shù)據(jù)后統(tǒng)一送至專用虛擬儀器分析軟件進行雷達接收機的工作參數(shù)分析。

2.2 主控芯片F(xiàn)PGA設計

高速數(shù)據(jù)采集卡選用Altera Stratix Ⅱ GX系列的FPGA作為主控核心芯片，主要完成數(shù)據(jù)采集過程中的指令控制、時序規(guī)劃、數(shù)據(jù)整理以及存儲等功能。利用可編程邏輯芯片設計的硬件電路具有高并發(fā)的并行特性，便于實現(xiàn)實時高速運算。Altera Stratix Ⅱ GX系列可以實現(xiàn)大量的片內RAM，便于實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理運算。同時采用FPGA作為主控芯片的設計方式具有功耗低、結構靈活、開發(fā)周期短及易于擴展和移植等優(yōu)點[5]。

采用自上而下的設計方式，在Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境中將Altera Stratix Ⅱ GX FPGA配置成以下主要模塊：總線接口模塊、光纖接口模塊、時鐘分配模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊，其設計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA結構設計框圖

外部晶振為FPGA工作提供125 MHz時鐘，時鐘分配模塊根據(jù)外部時鐘輸入對信號進行整形。為了優(yōu)化設計，時鐘分配模塊中直接采用Stratix Ⅱ GX芯片提供的時鐘管理解決方案。利用FPGA內部的鎖相環(huán)（PLL）電路為FPGA各模塊配置時鐘。

指令控制模塊是FPGA設計的核心，用來協(xié)調各模塊之間的配合工作。通過與光纖接口和總線接口的信息交互，對當前指令操作進行譯碼解析，在合適的時鐘下對數(shù)據(jù)進行采樣、整理，并進行格式轉換。

數(shù)據(jù)存儲模塊主要負責FPGA將處理好的數(shù)據(jù)存儲到外部高速RAM。根據(jù)控制模塊給出的存入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)的操作指令及地址對高速RAM進行讀寫操作。

總線接口模塊主要負責高速數(shù)據(jù)采集卡與工控機的通信工作。協(xié)調工控機與高速數(shù)據(jù)采集卡的工作時序，完成數(shù)據(jù)與指令的傳輸。

Stratix Ⅱ GX系列的FPGA兼容光纖通道，內部具有嵌入式千兆位收發(fā)器功能塊，該功能塊具有4個全雙工通道。光纖接口模塊直接采用Stratix Ⅱ GX內部的高速收發(fā)通道。本次設計中主要使用其8B/10B編解碼模塊及光纖通道協(xié)議。

3 虛擬儀器分析軟件設計

雷達接收機綜合測試系統(tǒng)的專用虛擬儀器分析軟件采用C++語言在Visual Studio 2010開發(fā)平臺上完成設計。頂層采用MFC框架為使用虛擬分析軟件提供了一套圖像化可視界面，可以方便地進行操作選擇和結果觀測。該軟件系統(tǒng)設計框圖如圖4所示[6]。

圖4 虛擬儀器分析軟件設計框圖

參數(shù)測試模塊是虛擬儀器分析軟件的核心部分，負責系統(tǒng)軟件的控制與數(shù)據(jù)處理。通過CPCI總線獲取高速數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)，在該模塊中進行整理分析，計算出雷達接收機的工作參數(shù)，如雷達接收機單通道幅頻特性、單通道工作帶寬內噪聲系數(shù)、通道間信號帶寬內幅相一致性及各通道信噪比SNR等。

儀器控制模塊用來控制測試中用到的真實儀器組，包括頻譜儀、噪聲系數(shù)測試儀及功率計等。程序設計中通過調用各儀器設備提供的dll實現(xiàn)接口對接。儀器控制模塊通過GPIB總線向測試儀器發(fā)出指令，測試儀器按照指令要求進行參數(shù)設置，并返回指令所要求的返回值。

系統(tǒng)設置模塊實現(xiàn)了雷達接收機綜合測試系統(tǒng)的初始化工作，負責設置雷達接收的工作參數(shù)、真實儀器組的工作狀態(tài)及高速數(shù)據(jù)采集卡的工作參數(shù)等。此外，該模塊還負責設置雷達接收機的工作頻點和待測試的接收機通道等。

數(shù)據(jù)存取模塊通過ADO的方式對ACCESS數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作。主鍵約束在程序中實現(xiàn)，兩次測試參數(shù)相同時，覆蓋上一次測試結果。數(shù)據(jù)庫中包括用戶管理信息數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)庫中包括各個測試指標表單、I路和Q路原始數(shù)據(jù)表單及測試指標參考值表單等。

數(shù)據(jù)采集控制模塊用來控制高速數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)時的采樣時鐘、數(shù)據(jù)格式及采樣長度等參數(shù)。結果顯示模塊用于將系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)通過表格或曲線的方式顯示在控制臺，便于直觀形象的展示。

以單通道幅頻特性測試為例，其實現(xiàn)過程如圖5所示。

根據(jù)圖5連接好雷達接收機綜合測試系統(tǒng)的硬件設備。專用虛擬儀器測試系統(tǒng)設置好信號源、接收機工作狀態(tài)及雷達接收機的工作頻點，指令將測試系統(tǒng)設置為測試通道幅頻特性的狀態(tài)。信號源為雷達接收機提供測試用模擬信號，在指定的信號帶寬內，按照步長改變信號源頻率。高速數(shù)據(jù)采集卡通過光纖接口采集雷達接收機數(shù)據(jù)，并通過CPCI總線送至工控機。專用虛擬儀器分析軟件對測試數(shù)據(jù)進行分析，測出接收機對應信號帶內每一頻率點的增益。

圖5 單通道幅頻特性測試原理圖

4 結 論

本文設計的雷達接收機綜合測試系統(tǒng)將真實儀器組和專用虛擬儀器分析軟件結合，以自動化、智能化的方式完成對雷達接收機工作性能的測試工作。系統(tǒng)具有設計靈活、可靠性高、開發(fā)周期短及實時性高的優(yōu)點，對于數(shù)據(jù)處理要求高、數(shù)據(jù)量大及算法多變的雷達接收機的測試和維護工作具有重要實際意義。