1 引言

雷達(dá)高度表在飛機和導(dǎo)彈等的慣性導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航中有著廣泛的應(yīng)用。雷達(dá)高度表是雷達(dá)向地面發(fā)射無線電電波，根據(jù)其反射回波的滯后時間來測量距離，用來取得距離地面的相對高度的一種裝置。另外通過對雷達(dá)回波的分析處理可以了解地形情況。由于機載彈載雷達(dá)的外場試驗組織實施難度大，試驗費用昂貴，而且隨著對雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的提高，對雷達(dá)測試設(shè)備提出了更高的要求。例如要求系統(tǒng)的數(shù)字化小型化，要求系統(tǒng)具有獨立性和靈活性等，而且為了不丟失數(shù)據(jù)，測試設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠連續(xù)長時間的紀(jì)錄雷達(dá)的狀態(tài)和信號。

CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點，可以極大的降低系統(tǒng)開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，而且易于實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化小型化。Altera公司的CPLD器件具有布線能力強，延遲可預(yù)測等優(yōu)點，適合于完成各類算法和組合邏輯。其MAX系列器件性價比高，傳播延遲小，邏輯資源豐富，電路設(shè)計簡單等特點使其特別適合用作邏輯控制電路控制。硬盤作為存儲介質(zhì)具有很高的容量價格比，且易于擴充，數(shù)據(jù)利于轉(zhuǎn)存和后期數(shù)字處理。普通IDE硬盤受限于總線速率，其持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率在15MBps左右。目前15000轉(zhuǎn)的小型計算機系統(tǒng)接口SCSI（Small Computer System Interface）硬盤，總線數(shù)據(jù)傳輸速率為80-320MBps，持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率大于40MBps，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IDE硬盤。鑒于此，雷達(dá)高度表數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計采用可編程邏輯器件和總線技術(shù)，利用高速SCSI硬盤作存儲介質(zhì)，并且脫離微機平臺，實現(xiàn)了雷達(dá)信號的靈活采集和連續(xù)存儲。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)需要記錄兩路雷達(dá)脈沖回波信號，六路雷達(dá)狀態(tài)信號（為緩變電壓信號，輸入幅度不同），以及雷達(dá)系統(tǒng)同步脈沖和雷達(dá)信號波門之間的時間間隔。要求采集脈沖回波信號時采集起點可選為信號波門前沿或同步脈沖后延遲一定時間，且延遲時間手動可調(diào)（調(diào)節(jié)范圍5～200us），采樣頻率可調(diào)。要求存儲數(shù)據(jù)具有固定的幀結(jié)構(gòu)，利于事后分析處理。

兩個同步脈沖之間為一個數(shù)據(jù)采集周期：根據(jù)用戶設(shè)定的采集起點和采樣頻率采集一定點數(shù)的回波信號，計算目標(biāo)距離，采集六路中速電壓，將上述數(shù)據(jù)按照一定的格式打包，加上幀標(biāo)志后組成一幀數(shù)據(jù)，送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待SCSI控制卡將數(shù)據(jù)寫入SCSI硬盤。

3 系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

3.1數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路分高速和低速兩個部分。兩路雷達(dá)回波信號采用高速數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國AD公司生產(chǎn)的AD9058雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。AD9058在片內(nèi)集成了兩個獨立的高性能并行8位ADC，其單路最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)50MSps，模擬帶寬達(dá)175MHz；每個ADC有單獨時鐘及參考電壓輸入；AD9058本身帶有高穩(wěn)定的2V電壓參考源，可大大簡化電路設(shè)計；其數(shù)字地和模擬地分開，有利于設(shè)計優(yōu)秀的接地方案以消除干擾。

由于低速電壓有六路需要采集而且輸入幅度不同，但是要求的采樣率較低，只需每個采集周期采樣一次即可，所以低速數(shù)據(jù)采集電路采用了MAXIM公司的MAX196。MAX196為6路12位可編程ADC，每路模擬輸入幅度程序可控，最高輸入時鐘2MHz，滿足系統(tǒng)要求。

為產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定度、低噪聲、低抖動的系統(tǒng)時鐘，時鐘分系統(tǒng)采用高精度低相噪的溫補、時鐘分路器、分頻器以及ET轉(zhuǎn)換（PECL電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換）和TE轉(zhuǎn)換（TTL電平到PECL電平的轉(zhuǎn)換）來設(shè)計完成。高精度晶振作為時鐘源，輸出的純凈時鐘信號送到高精度單端轉(zhuǎn)差分時鐘芯片，輸出PECL差分信號經(jīng)分頻和變換后用作高速采集電路的采樣時鐘，時間延時的計數(shù)時鐘。PECL信號和器件在良好匹配的情況下其信號速度、對外輻射、器件延遲以及輸出信號抖動有著TTL和CMOS器件所無法比擬的優(yōu)勢，是設(shè)計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時鐘電路的理想選擇［3］。

3.2邏輯控制電路

邏輯控制需要使用外部提供的同步和波門信號，這兩個信號的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)邏輯的正確性和時間延時計數(shù)的準(zhǔn)確性。對同步、波門信號調(diào)理的關(guān)鍵是將十幾伏的模擬脈沖衰減到5伏以下，并保證衰減器與輸入阻抗的匹配，避免信號反射。信號衰減后，送入高速比較器，獲得TTL脈沖信號。由于采用高速比較器，調(diào)理后信號的上升和下降時間要比調(diào)理前模擬脈沖信號小得多，小于4ns。信號上升和下降沿的改善提高了CPLD的對信號脈寬、脈沖間隔的測量精度，為AD轉(zhuǎn)換和時間延時計數(shù)提供了一個準(zhǔn)確的時間起點。

在本系統(tǒng)中，ADC采集結(jié)果緩存采用多體存儲結(jié)構(gòu)，將存儲器芯片分為多個體，各體之間并行工作，從而滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲速度的要求。另外，SCSI硬盤的直接讀寫主要有SCSI硬盤適配器通過DMA方式法完成。由于SCSI硬盤在尋找扇區(qū)的過程中有2～9ms的間隔，在這段時間內(nèi)不能對SCSI硬盤進(jìn)行讀寫。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)計錄和回放，必須有足夠深度的數(shù)據(jù)緩存，因此在設(shè)計中采用兩級緩存方式。在系統(tǒng)中，由AD轉(zhuǎn)換電路送出的兩路高速數(shù)據(jù)流，被存入到兩個緩沖鎖存器中，接著又被并行寫入到兩個高速異步FIFO中，這樣FIFO的平均寫周期為AD轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)更新周期的1/2，從而可使用相對低速的芯片來滿足系統(tǒng)要求。另外多路模擬信號采集后，不同速率的數(shù)據(jù)流要按一定順序，一定格式打包成幀，進(jìn)行SCSI硬盤存儲，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)流的連貫。所有高速、低速的數(shù)據(jù)流要通過一個SCSI控制器進(jìn)入SCSI硬盤或硬盤陣列大量數(shù)據(jù)存入硬盤，為了便于軟件處理，數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)有一定格式，組成幀結(jié)構(gòu)。因此采用時序和控制邏輯電路協(xié)調(diào)多路模擬信號采集，進(jìn)行總線隔離控制、FIFO讀寫控制等。

由于本系統(tǒng)控制邏輯的復(fù)雜性和使用的輸入輸出管腳較多，因此選擇了Altera公司MAX7000系列中容量較大的EPM7192SQC160［4］。設(shè)計采用模塊化設(shè)計，每一個子控制模塊生成子模塊后組成整個完整的系統(tǒng)。這種設(shè)計方法極大地提高了設(shè)計效率，并且有利于閱讀和修改?？刂坪诵腅PM7192S內(nèi)部邏輯模塊結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。

其中定時/測時控制模塊完成采集起點控制和時間間隔記錄；回波信號采樣控制模塊完成按照用戶設(shè)定的采集起始點、采樣頻率和采樣點數(shù)采集回波信號；中速電壓采樣控制模塊完成每個采集周期內(nèi)對MAX196寫入6次控制字和讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；FIFO寫時鐘控制模塊提供數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)（異步FIFO）所需的寫入時鐘；總線緩沖控制器完成CPLD，高速A/D，低速A/D，F(xiàn)IFO間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計時采用同步電路設(shè)計，使用一個時鐘作為全局時鐘，最后實現(xiàn)的系統(tǒng)控制邏輯時序波形如圖4所示。圖中僅列出了完成一幀數(shù)據(jù)采集存儲所需的幾路關(guān)鍵信號：fifowclk1為異步FIFO的寫信號，swen為高速A/D數(shù)據(jù)鎖存器的輸出使能信號，adcen是中速A/D控制字的輸出使能信號。

3.3軟件設(shè)計

事后分析軟件主要負(fù)責(zé)將存放在SCSI硬盤中的測量數(shù)據(jù)通過SCSI轉(zhuǎn)接卡，利用動態(tài)鏈接庫轉(zhuǎn)存到微機內(nèi)存，顯示并分析測量數(shù)據(jù)。事后分析軟件首先尋找到存儲數(shù)據(jù)的SCSI硬盤，依次讀取所有存儲數(shù)據(jù)文件屬性，包括文件大小、存儲時間、在SCSI硬盤中的初始扇區(qū)和終止扇區(qū)以及文件句柄等，并將采集數(shù)據(jù)文件名列出，供用戶選擇。用戶選出要顯示分析的文件，事后分析程序從中讀取一定數(shù)量的測量數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，并連續(xù)尋找兩個數(shù)據(jù)幀頭，將兩個幀頭之間的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定處理后顯示出兩路雷達(dá)回波波形、同步信號和波門信號之間的時間間隔、6路中速電壓值以及采集時設(shè)置的參數(shù)。

4 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

系統(tǒng)性能測試主要分兩部分。首先是對多路模擬信號數(shù)據(jù)采集的測試，包括轉(zhuǎn)換有效位數(shù)、諧波失真等。其次是測試SCSI硬盤數(shù)據(jù)存儲的正確性和持續(xù)存儲速度。

模數(shù)轉(zhuǎn)換性能測試是對系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能的測試，主要包括信噪比、總諧波失真、信噪失真比和有效位數(shù)的測試。實際的ADC存在噪聲和失真，從而影響了ADC的實際分辨率，降低了ADC的位數(shù)，ADC實際可達(dá)到的位數(shù)稱為有效位數(shù)［3］。采用FFT相關(guān)頻譜分析方法對本系統(tǒng)進(jìn)行了測試。選擇DOFED &SCHWARZ DIGITALUHR CLOCK 銫原子時鐘輸出5MHz純正正弦信號作為模擬輸入，采樣時鐘來自系統(tǒng)板上晶體，對分辨率八位的ADC，采樣的點數(shù)選擇為1024點，采樣頻率是40MHz，頻譜分辨率為0.125MHz。故此時滿足相關(guān)采樣的條件，采樣為相關(guān)采樣，根據(jù)采集數(shù)據(jù)和相關(guān)公式計算，最后測試結(jié)果表明ADC有效位為7.16bit，諧波失真約為44.92dB。

對高速數(shù)據(jù)流直接SCSI硬盤存儲性能測試使用的是Seagate公司生產(chǎn)的ST336752LW型硬盤。測試時，在連續(xù)、高速存儲過程中，監(jiān)測異步FIFO的空滿標(biāo)志。若FIFO出現(xiàn)空標(biāo)志有效的狀態(tài)，表明SCSI硬盤持續(xù)存儲速度高于數(shù)據(jù)流的速度；若FIFO出現(xiàn)滿標(biāo)志有效的狀態(tài)，則表明數(shù)據(jù)流的速度高于SCSI硬盤持續(xù)存儲速度，即表明系統(tǒng)不具備該速度的持續(xù)存儲能力。測試表明，在單個SCSI硬盤、數(shù)據(jù)流速度在30MBps的情況下，沒有出現(xiàn)FIFO滿標(biāo)志有效的狀態(tài)，系統(tǒng)具備最高36MBps持續(xù)存儲能力。另外，對確知數(shù)據(jù)流的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比測試，通過近2G字節(jié)數(shù)據(jù)的比對，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)，表明該系統(tǒng)的高速持續(xù)存儲具有很高的可靠性。

本系統(tǒng)先后應(yīng)用于多種雷達(dá)系統(tǒng)測試分析和外場試驗，有效地記錄和分析了雷達(dá)系統(tǒng)的動態(tài)特性、目標(biāo)回波特性及干擾特性。特別是在機載雷達(dá)外場試驗和雷達(dá)抗干擾試驗中，獲得大量以往難以連續(xù)記錄的雷達(dá)中頻回波信號。并且大大提高試驗測試效率，節(jié)省大量的實驗時間和費用，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，采用CPLD器件和總線技術(shù)，縮短了開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采樣點數(shù)、采樣頻率、采樣起始時刻可以靈活設(shè)置，可以脫離微機環(huán)境獨立使用，能夠廣泛地應(yīng)用于各種雷達(dá)測試、雷達(dá)目標(biāo)和環(huán)境特性分析、雷達(dá)外場試驗和驗收鑒定。

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