雷达接收机综合测试系统设计

雷达接收机综合测试系统设计
钱程;钱叶旺;许亚男
【摘要】针对雷达接收机测试过程高速、实时及数据量大的特点,设计了一种高性能雷达接收机综合测试系统.该系统由真实仪器组和专用虚拟仪器组成,基于FPGA 设计的高速数据采集卡通过光纤接口采集雷达接收机数据,并通过CPCI总线将数据送至工控机,由专用虚拟仪器分析软件对雷达数据进行分析测量,最终完成对接收机工作参数、性能的快速测试.详细介绍了雷达接收机综合测试系统的组成、高速数据采集卡等硬件设计以及专用虚拟仪器分析软件的设计.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2019(036)005
【总页数】3页(P68-70)
【关键词】雷达接收机;虚拟仪器分析软件;高速数据采集卡;FPGA
【作者】钱程;钱叶旺;许亚男
【作者单位】池州学院机电工程学院,安徽池州 247100;池州学院机电工程学院,安徽池州 247100;池州学院机电工程学院,安徽池州 247100
【正文语种】中文
0 引言
随着雷达技术的发展和信号处理技术的进步，现代雷达接收机在数据传输方式、传输速率及工作性能等方面都获得了明显改善。

为了确保雷达接收机工作的稳定性和
精确性，对雷达接收机的测试和维护要求也不断提升。

传统的测试维护通常采用手工操作仪表读数的方式对被测系统进行参数测量。

测试专用性强、测试周期长及兼容性差，且测试过程繁琐，难以保证准确性。

同时，对测试数据的采集、整理、存储及分析都存在不便。

采用真实仪器组与虚拟仪器相结合的基于PC的综合测试系统可以将计算机硬件资源与仪器硬件资源有效结合，更好地完成雷达接收机的测试维护工作。

本文采用基于FPGA的数据采集卡作为桥接部件，将噪声测试仪HP8970B、频谱仪HP71100C及信号源HP83752B等真实仪器与雷达系统专用虚拟仪器分析软件配合工作，构成一套完整的雷达接收机综合测试系统。

使用过程中，可以方便地在工控机上对虚拟测试仪器进行编程设置，且操作灵活、更新周期短，易于实现数据的分析处理与存储，便于实现雷达接收机测试维护的自动化、智能化，更好地掌握雷达接收机的各项性能指标和工作状态。

1 系统设计
虚拟仪器与真实仪器相结合的综合调试及测试系统充分利用了真实仪器的高精度和虚拟仪器的灵活性，实现了雷达接收机参数的综合测量。

雷达接收机综合测试系统主要由工控机、测试仪器组、基于FPGA的高速数据采集卡及专用虚拟仪器分析软件组成。

测试仪器组包括噪声测试仪、功率计、信号源、矢量电压表及频谱仪等[1]。

系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图
真实仪器的工作状态和数据分析可由专用虚拟仪器分析软件控制。

工控机通过GPIB接口模块完成与真实仪器组的交互。

根据测试步骤发出雷达接收机状态控制信号，并用来设置雷达接收机的工作状态、仪表工作状态。

通过数据采集卡采集雷达接收机送来的数据，整理后将数据通过CPCI接口传送到工控机。

综合分析测量结果，产生测试报表，绘制测试曲线，便捷地以自动化方式完成对雷达接收机的调
试和检测[2]。

2 硬件设计
系统设计中，采用LTP-ST11MB光纤接口接收雷达接收机的数据，可实现数据的高速传输。

在数据采集卡中进行整理，然后将数据存入高速RAM。

专用虚拟分析软件通过CPCI总线读取数据，在工控机中进行分析处理，并将处理结果直观显示在终端上。

同时，通过GPIB总线对真实仪器组进行控制。

通过光纤接口接收数据，可以满足雷达接收机高速稳定数据传输的要求；CPCI总线可以满足运行过程中高
可靠性和强通用性的要求[3]。

2.1 高速数据采集卡设计
雷达接收机综合测试系统的关键在于基于CPCI总线的高速数据采集卡设计。

高速数据采集卡用来采集雷达接收机的各类数据信号，并进行整理，其采集的速度及准确度直接影响整个测试系统的工作效率和性能。

高速数据采集卡的硬件设计框图如图2所示[4]。

图2 高速数据采集卡设计框图
雷达接收机综合测试系统工作时，由一个125 MHz的晶振直接为FPGA提供工作时钟。

高速数据采集卡通过CPCI总线与工控机进行交互，工控机发出控制指令为雷达接收机设置本振频率等工作状态。

雷达接收机工作状态稳定后，工控机向高速数据采集卡发送数据采集指令。

经过FPGA内部译码，经由LTPST11MB接口的
集成收发模块向雷达接收机下发指令，并采集数据。

采集到的数据在FPGA内进
行高速处理，完成串并转换、数据缓冲后被存入到高速RAM。

等待工控机继续发出上报数据的指令，高速数据采集卡将处理后的数据送入到工控机。

工控机收到数据后统一送至专用虚拟仪器分析软件进行雷达接收机的工作参数分析。

2.2 主控芯片FPGA设计
高速数据采集卡选用Altera Stratix Ⅱ GX系列的FPGA作为主控核心芯片，主要
完成数据采集过程中的指令控制、时序规划、数据整理以及存储等功能。

利用可编程逻辑芯片设计的硬件电路具有高并发的并行特性，便于实现实时高速运算。

Altera Stratix Ⅱ GX系列可以实现大量的片内RAM，便于实现大数据量的处理运算。

同时采用FPGA作为主控芯片的设计方式具有功耗低、结构灵活、开发周期
短及易于扩展和移植等优点[5]。

采用自上而下的设计方式，在Quartus Ⅱ开发环境中将Altera Stratix Ⅱ GX FPGA配置成以下主要模块：总线接口模块、光纤接口模块、时钟分配模块、数据处理控制模块及数据存储模块，其设计框图如图3所示。

图3 FPGA结构设计框图
外部晶振为FPGA工作提供125 MHz时钟，时钟分配模块根据外部时钟输入对信号进行整形。

为了优化设计，时钟分配模块中直接采用Stratix Ⅱ GX芯片提供的
时钟管理解决方案。

利用FPGA内部的锁相环（PLL）电路为FPGA各模块配置时钟。

指令控制模块是FPGA设计的核心，用来协调各模块之间的配合工作。

通过与光
纤接口和总线接口的信息交互，对当前指令操作进行译码解析，在合适的时钟下对数据进行采样、整理，并进行格式转换。

数据存储模块主要负责FPGA将处理好的数据存储到外部高速RAM。

根据控制模块给出的存入数据或读出数据的操作指令及地址对高速RAM进行读写操作。

总线接口模块主要负责高速数据采集卡与工控机的通信工作。

协调工控机与高速数据采集卡的工作时序，完成数据与指令的传输。

Stratix Ⅱ GX系列的FPGA兼容光纤通道，内部具有嵌入式千兆位收发器功能块，该功能块具有4个全双工通道。

光纤接口模块直接采用Stratix Ⅱ GX内部的高速收发通道。

本次设计中主要使用其8B/10B编解码模块及光纤通道协议。

3 虚拟仪器分析软件设计
雷达接收机综合测试系统的专用虚拟仪器分析软件采用C++语言在Visual Studio 2010开发平台上完成设计。

顶层采用MFC框架为使用虚拟分析软件提供了一套图像化可视界面，可以方便地进行操作选择和结果观测。

该软件系统设计框图如图4所示[6]。

图4 虚拟仪器分析软件设计框图
参数测试模块是虚拟仪器分析软件的核心部分，负责系统软件的控制与数据处理。

通过CPCI总线获取高速数据采集卡传送的数据，在该模块中进行整理分析，计算出雷达接收机的工作参数，如雷达接收机单通道幅频特性、单通道工作带宽内噪声系数、通道间信号带宽内幅相一致性及各通道信噪比SNR等。

仪器控制模块用来控制测试中用到的真实仪器组，包括频谱仪、噪声系数测试仪及功率计等。

程序设计中通过调用各仪器设备提供的dll实现接口对接。

仪器控制模块通过GPIB总线向测试仪器发出指令，测试仪器按照指令要求进行参数设置，并返回指令所要求的返回值。

系统设置模块实现了雷达接收机综合测试系统的初始化工作，负责设置雷达接收的工作参数、真实仪器组的工作状态及高速数据采集卡的工作参数等。

此外，该模块还负责设置雷达接收机的工作频点和待测试的接收机通道等。

数据存取模块通过ADO的方式对ACCESS数据库进行读写操作。

主键约束在程序中实现，两次测试参数相同时，覆盖上一次测试结果。

数据库中包括用户管理信息数据和测试数据。

测试数据库中包括各个测试指标表单、I路和Q路原始数据表单及测试指标参考值表单等。

数据采集控制模块用来控制高速数据采集卡采集数据时的采样时钟、数据格式及采样长度等参数。

结果显示模块用于将系统中的各类数据通过表格或曲线的方式显示在控制台，便于直观形象的展示。

以单通道幅频特性测试为例，其实现过程如图5所示。

根据图5连接好雷达接收机综合测试系统的硬件设备。

专用虚拟仪器测试系统设
置好信号源、接收机工作状态及雷达接收机的工作频点，指令将测试系统设置为测试通道幅频特性的状态。

信号源为雷达接收机提供测试用模拟信号，在指定的信号带宽内，按照步长改变信号源频率。

高速数据采集卡通过光纤接口采集雷达接收机数据，并通过CPCI总线送至工控机。

专用虚拟仪器分析软件对测试数据进行分析，测出接收机对应信号带内每一频率点的增益。

图5 单通道幅频特性测试原理图
4 结论
本文设计的雷达接收机综合测试系统将真实仪器组和专用虚拟仪器分析软件结合，以自动化、智能化的方式完成对雷达接收机工作性能的测试工作。

系统具有设计灵活、可靠性高、开发周期短及实时性高的优点，对于数据处理要求高、数据量大及算法多变的雷达接收机的测试和维护工作具有重要实际意义。

【相关文献】
[1] 李波，张兴敢，魏耀.基于CPCI和光纤接口的数据采集卡设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（5）：95-98.
[2] 吴福富，王志云，韩壮志.雷达信号处理系统建模方法研究[J].信息技术，2011，（2）：32-34.
[3] 杨峰辉，姜云.基于虚拟仪器技术的雷达测试系统研究[J].现代电子技术，2011，34（7）：56-58.
[4] 龚小年，张兴敢.雷达接收机测试系统数据采集卡的实现[J].军事测量技术，2005，13（11）：1245-1247.
[5] 鲁帆，刘治甬.一种超外差接收机的射频前端设计[J].舰船电子对抗，2013，（4）：110-112.
[6] 邹晨，高云.FPGA内嵌处理器的SOPC系统设计与分析[J].航空计算技术，2013，（5）：
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