一種大帶寬多通道信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬相宏,肖國堯，全英匯

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

近年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，多通道高速信號(hào)處理的應(yīng)用在雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域越來越廣泛。無論是對(duì)于MIMO(Multiple Input Multiple Output)雷達(dá)，還是相控陣和數(shù)字陣列雷達(dá)，都需要多個(gè)發(fā)射和接收通道進(jìn)行信號(hào)傳輸和處理。為了滿足雷達(dá)信號(hào)處理過程中的相關(guān)功能，信號(hào)處理機(jī)多采用FPGA,DSP,FPGA+DSP,FPGA+CPU以及FPGA+ARM等架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)[1]。文獻(xiàn)[2-4]討論了基于DSP的多通道雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，采用多核通信、多核同步的方法對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理。文獻(xiàn)[5-6]分別討論了基于FPGA的雷達(dá)陣列信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)和雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[7-8]提出了基于FPGA+DSP的雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[9]提出了一種數(shù)字陣列信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)不同的應(yīng)用場景，大多采用分立的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter,DAC)以及射頻前端相關(guān)器件進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射和接收，相關(guān)器件大多只能滿足特定功能和技術(shù)的使用，且當(dāng)信號(hào)通道數(shù)增多時(shí)，分立器件所占用的空間變大、在印制板上走線引出難度增大，同時(shí)還需要考慮通道間的串?dāng)_問題，因此整個(gè)系統(tǒng)的體積也會(huì)相應(yīng)增大。此外，當(dāng)不同的系統(tǒng)所需要的通道數(shù)和工作頻帶不同時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修改變動(dòng)。面對(duì)當(dāng)前日新月異的應(yīng)用場景和信號(hào)處理新技術(shù)，通用化和規(guī)范化的信號(hào)處理設(shè)備無疑可以縮短新技術(shù)的研發(fā)驗(yàn)證周期，確保更快地進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證或投入實(shí)際應(yīng)用。

在雷達(dá)信號(hào)處理的應(yīng)用場景中，無論何種架構(gòu)設(shè)計(jì)，都在不斷致力于將信號(hào)處理功能向標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、低功耗、高集成的方向發(fā)展。

針對(duì)上述問題，面向雷達(dá)信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域，特別是MIMO、數(shù)字陣和相控陣的信號(hào)處理應(yīng)用，研制一種低功耗、低延遲、靈活可配置且具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、可擴(kuò)展能力的多通道數(shù)字信號(hào)處理機(jī)具有重要意義。本文提出了一種多通道通用信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案，以Xilinx公司的Zynq UltraScale+ RFSoC作為核心芯片，采用3U VPX標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)，覆蓋DC-6 GHz工作頻帶，同時(shí)支持軟硬件動(dòng)態(tài)配置功能，該模塊適用于數(shù)字陣列雷達(dá)、相控陣和MIMO雷達(dá)等不同體制雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)。

1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

多通道信號(hào)處理機(jī)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由Zynq UltraScale+ RFSoC芯片、時(shí)鐘芯片、晶振、電源芯片、存儲(chǔ)器芯片、射頻接口、以太網(wǎng)芯片及VPX接口等構(gòu)成。并采用3U VPX的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)架構(gòu)，模塊采用導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼容風(fēng)冷散熱，模塊使用靈活、便捷。

圖1 多通道信號(hào)處理機(jī)架構(gòu)Fig.1 Multi-channel signal processor architecture

硬件系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)的正反面如圖2所示，實(shí)際使用時(shí)去除工藝邊即為標(biāo)準(zhǔn)的3U板卡。

(a) 板卡正面

(b) 板卡背面圖2 板卡實(shí)物Fig.2 Board picture

傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)主要有超外差接收、零中頻接收和低中頻接收3種架構(gòu)，隨著ADC和DAC性能和工藝的提升，數(shù)字信號(hào)已經(jīng)可以直接采樣成射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射接收。Zynq UltraScale+RFSoC系列是Xilinx公司采用16 nm工藝的片上射頻系統(tǒng)，SoC中集成了高性能的ADC和DAC，芯片集成了具有直接RF采樣能力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，在片內(nèi)集成高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，芯片可支持采樣率高達(dá)5 GS/s的14位ADC和10 GS/s的14位DAC進(jìn)行直接RF采樣,模擬輸入/輸出帶寬高達(dá)6 GHz[10-12]。信號(hào)發(fā)射時(shí)，由ZYNQ的PL(Programmable Logic)部分驅(qū)動(dòng)片上集成的DAC，產(chǎn)生中低頻的基帶信號(hào)，然后配置片上射頻前端組件，經(jīng)過一級(jí)或者多級(jí)變頻處理通過天線發(fā)射出去。信號(hào)接收時(shí)，信號(hào)經(jīng)過一級(jí)或者多級(jí)的變頻處理，傳輸?shù)狡霞傻腁DC進(jìn)行采集，再傳輸?shù)絑YNQ的PL端進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

芯片還集成數(shù)字下變頻(Digital Down Conversion，DDC)、數(shù)字上變頻(Digital Up Conversion，DUC)等功能，使用方便、靈活，且與傳統(tǒng)的分立芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用該芯片設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，許多模擬組件可以由數(shù)字部分進(jìn)行替代，可實(shí)現(xiàn)50%～75%的功耗、尺寸削減，可大幅降低硬件成本，從而實(shí)現(xiàn)更小型化的射頻信號(hào)處理系統(tǒng)。外部輸入的高速信號(hào)經(jīng)過片上ADC和DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的處理，使得ZYNQ的PL端可在中低速時(shí)鐘情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)高采樣率的ADC和DAC的數(shù)據(jù)處理。相比傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)，省去了許多模擬組件，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮片上ADC和DAC的通道間的信號(hào)完整性與隔離度以及時(shí)鐘和各個(gè)通道間的隔離度，極大地降低了芯片已覆蓋頻段的射頻系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)難度，減小了系統(tǒng)的工作量，縮短了整體系統(tǒng)的研發(fā)周期。

使用RFSoC芯片進(jìn)行射頻直接采樣，系統(tǒng)頻段覆蓋廣，可在0～6 GHz靈活可配置，可針對(duì)具體需求選擇相應(yīng)的頻段進(jìn)行搭配選擇，8個(gè)通道可配置不同的頻段獨(dú)立使用，每個(gè)通道所配置頻段，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用同時(shí)接收或者分時(shí)接收。

射頻接口采用IPEX封裝接口引出發(fā)射和接收通道信號(hào)，射頻部分采用機(jī)械盲埋孔設(shè)計(jì)，增加走線空間，減小了PCB的體積，控制通道間的信號(hào)串?dāng)_和隔離度。由于射頻系統(tǒng)的高度集成化，不用考慮RFSoC芯片內(nèi)部的通道隔離度，只需將PCB上的各個(gè)收發(fā)通道間隔離度控制在合理范圍內(nèi)，即可反映系統(tǒng)的各個(gè)通道的隔離度。

如圖3所示，為本文所述系統(tǒng)的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的時(shí)鐘部分采用LMK04828芯片和GMD946芯片，LMK04828時(shí)鐘芯片可實(shí)現(xiàn)超低噪聲，且符合JESD204B標(biāo)準(zhǔn)。GMD946時(shí)鐘芯片是超快型時(shí)鐘扇出緩沖器，輸出時(shí)鐘低抖動(dòng)。使用LMK04828芯片為系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘，并且預(yù)留同步時(shí)鐘輸入輸出端口，支持多板間同步，提高了系統(tǒng)的可拓展能力。LMK04828時(shí)鐘電路同時(shí)支持本地板載晶振時(shí)鐘輸入，也支持外部接入差分或者單端時(shí)鐘輸入。GMD946芯片為RFSoC的高速串行總線以及PL端提供參考時(shí)鐘輸入。

圖3 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Clock network structure

系統(tǒng)的電源部分主要采用開關(guān)模式降壓型 DC/DC穩(wěn)壓器LTM4644和LTM4630。2款芯片內(nèi)置了開關(guān)控制器、功率場效應(yīng)管和電感器等元件。使用LTM4644和LTM4630給RFSoC的各個(gè)部分進(jìn)行供電，通過LTM電源芯片的EN和PGOOD管腳信號(hào)，對(duì)特定電源上電順序進(jìn)行控制。

在RFSoC的PL端和PS端分別掛載一片存儲(chǔ)器芯片。為了實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，滿足高存儲(chǔ)容量需求，硬件設(shè)計(jì)中采用的存儲(chǔ)器芯片為大容量DDR3存儲(chǔ)器芯片，單片DDR3芯片的存儲(chǔ)容量為512 Mb×72 bit，等效9片512 Mb×8 bit DDR3的存儲(chǔ)容量，讀寫速率高達(dá)1 866 Mb/s，支持ECC校驗(yàn)，同時(shí)內(nèi)部集成了ODT終端電阻、參考電壓電路等。在保證存儲(chǔ)容量的情況下大大減小了體積，提高了系統(tǒng)集成度。

通過VPX連接器引出符合VITA46標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外信號(hào)引線，包括高速串行總線、LVDS信號(hào)線、PS_MIO、PL_IO以及LMK04828的時(shí)鐘相關(guān)信號(hào)線。其中高速串行總線的每個(gè)通道的線速率高達(dá)16 Gb/s，解決了高速數(shù)據(jù)傳輸問題。多塊板卡或不同板卡可以通過高速串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)可以通過VPX進(jìn)行拓展板卡功能。

系統(tǒng)整體的布局設(shè)計(jì)，按照模塊功能、信號(hào)速率以及信號(hào)類型進(jìn)行布局規(guī)劃，硬件架構(gòu)框圖基本依據(jù)實(shí)際布局進(jìn)行繪制。首先對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行布局，然后根據(jù)信號(hào)類型和信號(hào)速率進(jìn)行模塊放置。RFSoC芯片位于板卡中心；電源模塊靠近VPX供電引腳進(jìn)行放置；存儲(chǔ)器芯片靠近主控芯片，放置在主控芯片上方；LMK04828和芯片參考鐘的晶振放置在板卡右上方；以太網(wǎng)模塊放置在左上方；射頻收發(fā)通道部分放置在芯片的右側(cè)進(jìn)行正反貼。對(duì)于射頻收發(fā)通道，劃定模擬區(qū)域與數(shù)字區(qū)域進(jìn)行隔離，嚴(yán)格分離模擬和數(shù)字信號(hào)。對(duì)于LMK04828芯片，布局完成后周圍留一定余量空間做包地處理，用于減小時(shí)鐘信號(hào)的串?dāng)_。

系統(tǒng)板卡PCB如圖4所示，為了降低干擾，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加了中間層來進(jìn)行屏蔽，降低信號(hào)間的交叉干擾。最終設(shè)計(jì)的PCB板共24層，第1,3,5,7,9,14,16,20,22層為信號(hào)層，第2，4，6，8，9，10～13,15,17,19,21,23層為電源或地層，采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。板厚為2.85 mm，為滿足高速PCB的傳輸需求，選用M6G的高速板材加工設(shè)計(jì)，M6G板材損耗因子為0.005。

圖4 系統(tǒng)板卡PCBFig.4 System board PCB

2 關(guān)鍵信號(hào)設(shè)計(jì)與仿真

對(duì)于高速信號(hào)，特別是高速數(shù)模混合信號(hào)，信號(hào)完整性、隔離度一直是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本系統(tǒng)中高速信號(hào)的設(shè)計(jì)與處理，參考相關(guān)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方法對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13-14]介紹了高速PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析。文獻(xiàn)[15]介紹了射頻通道隔離度的影響因素，并提出了2種改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[16]從板材、銅箔等方面介紹了高速PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。

射頻的發(fā)射和接收通道設(shè)計(jì)是系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。將射頻收發(fā)通道放置在靠近RFSoC片上ADC和DAC的一側(cè)，盡量縮短射頻收發(fā)通道的布線長度。同時(shí)，為了保證通道間的隔離度，降低各個(gè)通道間的串?dāng)_，將ADC和DAC進(jìn)行隔離處理，對(duì)于ADC和DAC各個(gè)通道的射頻接口也進(jìn)行隔離處理，圖5為射頻收發(fā)通道的PCB處理，圖5左邊正反表貼的8個(gè)通道為射頻接收ADC通道，右邊正反表貼的8個(gè)通道射頻發(fā)射DAC通道。

圖5 射頻收發(fā)通道PCBFig.5 RF transceiver channel PCB

布線設(shè)計(jì)時(shí)使用圓弧走線，同時(shí)在射頻接口的周圍增加地孔隔離，并進(jìn)行盲埋孔設(shè)計(jì)，可以在一定程度上改善串?dāng)_。經(jīng)過仿真測試，對(duì)頂層的射頻收發(fā)通道增加L1～L9層的盲埋孔，對(duì)改善串?dāng)_的效果最優(yōu)；對(duì)底層的射頻收發(fā)通道增加L14～L24層的盲埋孔，對(duì)改善串?dāng)_的效果最優(yōu)。為了保證發(fā)射和接收各個(gè)通道的一致性，使用蛇形走線和圓弧布線的方式，確保高速信號(hào)的傳輸線等長。

差分信號(hào)大多采用45°轉(zhuǎn)角布線的方式，以滿足等長等距的要求。對(duì)時(shí)鐘信號(hào)、高速總線信號(hào)和LVDS信號(hào)等信號(hào)提供專門的布線層，以保證其最小的回路面積。該設(shè)計(jì)中，ADC和DAC的時(shí)鐘信號(hào)線在2個(gè)布線層進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，高速串行總線信號(hào)和LVDS信號(hào)與ADC時(shí)鐘信號(hào)共用一個(gè)布線層。同時(shí)，時(shí)鐘線和高速信號(hào)線用地線進(jìn)行包圍，并在地線周圍打地孔減少分布電容，從而減少串?dāng)_。

此外，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)檢查多余焊盤并將其刪除，可以減小信號(hào)反射。布線時(shí)，保證線間距不小于走線的線寬，并盡可能增大了走線之間的距離，可以減小串?dāng)_。同時(shí)為保證高速信號(hào)質(zhì)量，減小過孔多余殘樁對(duì)高速信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高速信號(hào)的過孔進(jìn)行背鉆處理。

完成系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)的ADC和DAC通道信號(hào)之間的串?dāng)_及隔離度進(jìn)行仿真；對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘與ADC和DAC之間的串?dāng)_及隔離度進(jìn)行仿真，并簡要分析仿真結(jié)果。

對(duì)ADC輸入通道和DAC輸出通道的串?dāng)_和隔離度進(jìn)行仿真，選擇ADC某一通道輸入信號(hào)或者DAC的某一通道輸出信號(hào)，信號(hào)帶寬9 GHz，測試其他通道的隔離度情況。ADC各個(gè)通道之間的隔離度結(jié)果如圖6(a)所示，DAC輸出各個(gè)通道之間的隔離度結(jié)果如圖6(b)所示。

對(duì)時(shí)鐘與ADC通道和DAC通道之間的串?dāng)_及隔離度進(jìn)行仿真。將時(shí)鐘信號(hào)輸入，測試ADC各個(gè)通道間和DAC各個(gè)通道間的隔離度情況。時(shí)鐘對(duì)ADC之間的隔離度仿真結(jié)果如圖6(c)所示，時(shí)鐘對(duì)DAC之間的隔離度仿真結(jié)果如圖6(d)所示。

(a) ADC通道隔離度仿真

(b) DAC隔離度通道仿真

(c) 時(shí)鐘與ADC隔離度仿真

(d) 時(shí)鐘與DAC隔離度仿真圖6 隔離度仿真Fig.6 Isolation simulation

從仿真分析圖中可以看出，在9 GHz帶寬范圍內(nèi)仿真輸入信號(hào)，ADC和DAC的各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-60 dB；將時(shí)鐘輸入，ADC和DAC的各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-60 dB。滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期的通道隔離度和串?dāng)_要求，保證了ADC和DAC多個(gè)通道同時(shí)工作時(shí)的信號(hào)質(zhì)量。

經(jīng)過對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)以及相關(guān)優(yōu)化，并由仿真測試結(jié)果可知，當(dāng)前設(shè)計(jì)滿足期望的串?dāng)_和隔離度目標(biāo)范圍，即ADC和DAC各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-60 dB；時(shí)鐘與ADC和DAC各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-60 dB。

3 關(guān)鍵指標(biāo)測試

本節(jié)首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行ADC和DAC的串?dāng)_和隔離度測試，然后對(duì)ADC和DAC性能進(jìn)行測試，并分析該系統(tǒng)的ADC和DAC通道的性能。

對(duì)系統(tǒng)中的ADC和DAC進(jìn)行串?dāng)_和隔離度的測試，測試方法和仿真設(shè)計(jì)時(shí)保持一致，選擇ADC某一通道輸入信號(hào)或者DAC的某一通道輸出信號(hào)，測試其他通道的隔離度情況。測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果顯示，DAC各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-70 dB，ADC各個(gè)通道之間的串?dāng)_均小于-60 dB。達(dá)到預(yù)期的仿真設(shè)計(jì)效果，通道間的隔離度良好。

表1 通道隔離度測試Tab.1 Channel isolation test

根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]介紹的高速ADC性能參數(shù)的測試相關(guān)方法，進(jìn)行ADC和DAC性能測試。ADC的主要指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，同時(shí)隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，晶體管最大頻率越來越高，相比傳統(tǒng)的ADC指標(biāo)，噪聲頻譜密度(Noise Spectral Density，NSD)、三階互調(diào)失真(Third-Order Intermodulation Distortion，IM3)、相鄰信道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR)更能表征射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能。根據(jù)現(xiàn)有的測試環(huán)境，主要對(duì)系統(tǒng)中ADC的動(dòng)態(tài)指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)和噪聲頻譜密度(NSD)進(jìn)行測試。

ADC的采樣頻率設(shè)置為4.8 GS/s，不做抽取處理，計(jì)算點(diǎn)頻信號(hào)100,500,1 000,1 420 MHz的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range，SFDR)、信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)、信噪失真比(Signal-Noise Distortion Ratio，SNDR)、有效位數(shù)(Effective Number of Bits，ENOB)以及NSD，測試結(jié)果如表2所示。

表2 ADC通道性能測試Tab.2 ADC channel performance test

表2中的數(shù)據(jù)是將ADC采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算分析得出，圖7為ADC采集的信號(hào)頻譜測試圖。

(a) 100 MHz信號(hào)頻譜圖

(b) 500 MHz信號(hào)頻譜圖

(c) 1 000 MHz信號(hào)頻譜圖

(d) 1 420 MHz信號(hào)頻譜圖圖7 ADC信號(hào)頻譜圖Fig.7 ADC signal spectrogram

使用該系統(tǒng)的ADC采集信號(hào)源輸出的100,500,1 000,1 420 MHz信號(hào)，測試使用的信號(hào)源諧波較大，信號(hào)源的諧波會(huì)影響ADC性能參數(shù)的測試結(jié)果，對(duì)相關(guān)參數(shù)測試的影響較大，實(shí)際性能要優(yōu)于本文測試環(huán)境下的相關(guān)測試指標(biāo)。

對(duì)DAC的各個(gè)通道進(jìn)行性能測試，主要測試DAC的SFDR和線性調(diào)頻信號(hào)的平坦度。DAC的采樣頻率設(shè)置為9.6 GS/s，不做插值處理，輸出6個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)，將信號(hào)接入頻譜儀中，進(jìn)行頻譜分析并計(jì)算相關(guān)性能指標(biāo)，測試結(jié)果如表3所示。

圖8為DAC輸出信號(hào)頻率為1 GHz和1.5 GHz的信號(hào)頻譜測試圖，從測試圖中可看出，諧波的大小影響了DAC的SFDR等關(guān)鍵指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求，在需要的頻帶周圍使用帶通濾波器，進(jìn)一步提升DAC的工作性能，從而更好地適配實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境。

(a) 1 GHz信號(hào)頻譜圖

(b) 1.5 GHz信號(hào)頻譜圖圖8 DAC信號(hào)頻譜圖(1)Fig.8 DAC signal spectrogram (1)

使用DAC輸出線性調(diào)頻信號(hào)，將輸出信號(hào)接入頻譜儀，進(jìn)行線性調(diào)頻信號(hào)的平坦度分析和計(jì)算。在當(dāng)前測試環(huán)境下，線型調(diào)頻信號(hào)在0-3Fs/4的頻帶范圍平坦度均小于±2 dB，其中在0-Fs/4的頻帶范圍輸出信號(hào)的平坦度小于±1.5 dB。圖9為DAC輸出的帶寬500 MHz、中心頻率1 GHz和帶寬1 GHz、中心頻率為3.6 GHz的線型調(diào)頻信號(hào)。經(jīng)測試分析和計(jì)算，帶寬500 MHz、中心頻率1 GHz的線型調(diào)頻波信號(hào)平坦度小于±0.8 dB，帶寬1 GHz、中心頻率3.6 GHz的線型調(diào)頻波信號(hào)平坦度小于±1.5 dB。

(a) 帶寬500 MHz信號(hào)頻譜圖

(b) 帶寬1 GHz信號(hào)頻譜圖圖9 DAC信號(hào)頻譜圖(2)Fig.9 DAC signal spectrogram (2)

經(jīng)過測試分析，該系統(tǒng)的DAC和ADC串?dāng)_、隔離度符合預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，能正常滿足RFSoC的工作需求；RFSoC內(nèi)部集成的DAC和ADC的性能良好，可滿足多種復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)處理的應(yīng)用需求。

4 應(yīng)用場景測試

該系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，可以滿足多種雷達(dá)信號(hào)處理的應(yīng)用需求。本節(jié)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用背景，使用該系統(tǒng)進(jìn)行多通道模擬間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的測試。

使用該處理機(jī)的兩路ADC和四路DAC進(jìn)行兩路模擬間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的應(yīng)用。系統(tǒng)測試環(huán)境如圖10所示，使用電源用于板卡供電，示波器、頻譜儀和信號(hào)發(fā)生器等儀器用于測試板卡的相關(guān)數(shù)據(jù)，筆記本電腦用于程序燒寫和板卡狀態(tài)監(jiān)視。

圖10 系統(tǒng)測試環(huán)境Fig.10 System test environment

使用兩路DAC進(jìn)行發(fā)射模擬的雷達(dá)信號(hào)，兩路ADC進(jìn)行切片采樣，再通過兩路DAC將間歇采樣后的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將間歇采樣前后的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理，進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)ADC和DAC采集轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行延遲分析，使用Matlab程序產(chǎn)生一個(gè)雷達(dá)信號(hào)波形數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ROM中,通過DAC輸出信號(hào)。并將該信號(hào)接入ADC通道，把采集到的數(shù)據(jù)保存，進(jìn)行延時(shí)分析。實(shí)驗(yàn)測試得出兩路ADC和DAC進(jìn)行采集轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)均在110 ns以下。

將測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析，信號(hào)產(chǎn)生和采集延遲分析如圖11所示。分析可知，系統(tǒng)中相應(yīng)通道的ADC采集到DAC輸出的信號(hào)延時(shí)為105.5 ns。

圖11 模擬雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生和采集延時(shí)分析Fig.11 Analysis of the generation and acquisition delay of analog radar signals

對(duì)其中一路DAC模擬的雷達(dá)信號(hào)以及切片采樣后轉(zhuǎn)發(fā)的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分析，將DAC模擬產(chǎn)生的雷達(dá)信號(hào)和ADC間歇采樣處理后的雷達(dá)信號(hào)接入示波器，并在軟件中抓取相應(yīng)的DAC通道數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行時(shí)頻分析。

DAC的時(shí)頻分析如圖12所示，圖12(a)表示模擬雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生和間歇采樣后的雷達(dá)信號(hào)的時(shí)域圖，圖12(b)和圖12(c)表示模擬雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生和間歇采樣后的雷達(dá)信號(hào)的頻域圖。在該模擬間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)測試中，對(duì)DAC輸出的模擬雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行間歇采樣，每個(gè)脈沖采樣4次，采樣后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。

(a) 間歇采樣前后時(shí)域圖

(b) 原始信號(hào)頻域圖

(c) 間歇采樣后頻域圖圖12 間歇采樣時(shí)頻分析Fig.12 Time-frequency analysis of intermittent sampling

圖13為其中一路信號(hào)的經(jīng)過間歇采樣前后的信號(hào)脈沖壓縮結(jié)果，圖13(a)為模擬雷達(dá)信號(hào)在未進(jìn)行間歇采樣處理的脈沖壓縮結(jié)果；圖13(b)為模擬雷達(dá)信號(hào)在經(jīng)過間歇采樣處理后的脈沖壓縮結(jié)果。

(a) 原始信號(hào)脈沖壓縮圖

(b) 切片轉(zhuǎn)發(fā)后脈沖壓縮圖圖13 轉(zhuǎn)發(fā)輸出的雷達(dá)信號(hào)脈沖壓縮結(jié)果Fig.13 Radar signal pulse compression result of forwarding output

經(jīng)過切片采樣的模擬雷達(dá)信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)輸出之后可以使信號(hào)產(chǎn)生徑向?qū)ΨQ的假目標(biāo)信號(hào)，假目標(biāo)的功率由對(duì)稱中心向兩邊衰減，且衰減速度較快。從上述測試可知，該系統(tǒng)可以很好地對(duì)模擬雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行間歇采樣處理，并且切片采樣處理后的信號(hào)能較好地產(chǎn)生關(guān)于主峰對(duì)稱的假目標(biāo)信號(hào)。

5 結(jié)束語

本文提出的一種多通道通用信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)的集成度，采用3U VPX標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了模塊的通用性和實(shí)用性，可滿足多種雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)。通過對(duì)硬件的仿真測試以及板卡性能的相關(guān)指標(biāo)測試，驗(yàn)證了本模塊設(shè)計(jì)具有優(yōu)越的性能。通過舉例多通道間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了系統(tǒng)在多通道信號(hào)處理應(yīng)用的可行性。上述測試和應(yīng)用實(shí)例綜合驗(yàn)證了本文的多通道通用信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性和可行性。

本文介紹的多通道信號(hào)處理機(jī)不止局限于上述應(yīng)用實(shí)例，在數(shù)字陣列雷達(dá)、相控陣和MIMO雷達(dá)等不同體制雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)都有很強(qiáng)的使用價(jià)值?？梢钥焖俨渴鸲嗤ǖ赖男盘?hào)處理系統(tǒng)，降低系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)驗(yàn)證的開發(fā)周期；并且系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以滿足在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中通用性、規(guī)范性、低功耗和可靈活配置的應(yīng)用需求。對(duì)比同類信號(hào)處理機(jī)，該架構(gòu)設(shè)計(jì)在提高性能的同時(shí)，可大大降低系統(tǒng)的體積和功耗。