多通道实时阵列信号处理系统的设计

多通道实时阵列信号处理系统的设计

由judyzhong于星期三, 11/11/2015 - 14:06 发表

作者：杨欣然,吴琼之,范秋香来源：电子科技

摘要：以全数字化信号产生和数字波束形成处理为基础的数字化阵列雷达已成为当代相控阵雷达技术发展的一个重要趋势，本文针对现代数字化阵列雷达对多通道数据采集和实时处理的需求，设计了一种基于FPGA的多通道实时阵列信号处理系统。可完成对20通道的中频数据采集，实时波束合成和数据传输功能，实验结果表明系统工作稳定、性能良好，具有良好的信噪比和通道一致性。

随着数字信号处理技术的不断进步和相应处理能力的不断提高，数字化阵列雷达以其动态范围大、扫描波束多、设计灵活性高的特点，已经逐步取代传统模拟阵列雷达成为高性能阵列雷达的主要研究方向。数字化阵列雷达需要将各个阵列天线接收的信号经过模拟下变频后经过AD采样并在数字域内进行信号处理，其典型的信号处理的方法包括数字波束形成(DBF)技术和波达方向估计(DOA)技术等。对于数字阵列雷达而言，对模拟下变频后的信号完成多

通道数据采集、数据处理和传输是系统的关键部分，对处理系统的同步性能、通道间幅相一致性均提出了很高要求，如进行DBF处理中通道间的不一致性将会影响波束合成后天线的方向图的特性，使增益下降、旁瓣电平升高。同时数字阵列雷达需要对各个通道采集下的数据实时地完成信号处理和数据传输功能，对处理系统的实时处理能力和信号吞吐能力提出了一定挑战。

本文介绍了一种针对DBF处理的多通道阵列信号处理系统的设计方案，以Xilinx的

XC7K325T FPGA为核心，完成了20通道的中频数据采集，并在FPGA内完成数字波束合成功能，可以同时完成8个波束指向的合成，并且将合成后的数据通过RapidIO结果传输至实时处理机进行进一步的处理。

1 系统设计原理和组成

本系统由数据采集模块和波束合成与传输模块两部分组成，系统框图如图1所示。

20路模拟中频输入通过SSMC连接器输入，由5片四通道A/D芯片AD9653采样后，通过LVDS接口串行输出到到FPGA的ISERDES输入模块中完成串并转换，并在FPGA内完

成数字下变频、I/Q变换、低通滤波以及数字波束合成功能。波束合成后的数据在FPGA中封装成RapidI/O协议的数据帧，通过QSFP接口传输至相应的信号处理系统或存储记录系统中。数字波束合成及数字切副瓣处理中需要的权值由上位机通过RS-422接口输入到FPGA。同时软件部分还可提供幅度和相位补偿参数接口。FPGA外接1个256MBx16bit 的DDR3 SDRAM，以缓存一定量的原始数据和波束合成处理后的数据。

1.1 数据采集模块设计

数据采集模块是系统设计的关键部分和主要困难所在，该模块需要完成20通道的数据采集，并在保证信噪比的同时使AD各通道间串扰和通道间的不一致性尽可能低。这需要在AD的选型、AD前端耦合电路设计，AD电源的去耦和滤波，PCB布局布线等方面做精心的设计。考虑到本模块中数据采集部分中通道数量多，与使用许多个单通道ADC相比，使用单片内多通道ADC具有提高系统集成度、降低系统实施难度、减少系统功耗等诸多优势，在经过初期调研和选型后，决定采用ADI公司的4通道、16bit、高速ADC—AD9653。

AD9653主要性能指标如下：

采样通道数：4

最大采样率：125 Msps

模拟带宽：650 MHz

位数：16 bit

信噪比：76.5 dBFS

无杂散动态范围：90 dbc

针对本模块中要求的20路中频数据采集，使用5片AD9653即可满足需求，极大地简化了系统设计。其优越的信噪比和动态范围可满足绝大部分中频接收机对采样精度的要求。

在选定AD芯片的同时，需要根据AD所要求达到的信噪比选定相应的时钟分发芯片，这是由于AD的信噪比不只由AD本身及其外围电路决定，也和AD输入时钟的抖动有关。图2显示了理想ADC输入时钟抖动与信噪比的关系，通过ADC位数和输入时钟抖动两条线的交点处确定给定模拟输入信号频率时ADC最多可容忍的总时钟抖动量，即考虑抖动因素的具有无限的分辨率的理想ADC的信噪比，SNRided 应大于等于指定位数的理想ADC的量化噪声SNRbit=6.02N+1.76，对于16位ADC，其量化噪声为98dBFS，可以得到在输入时钟抖动小于50fs的情况下，ADC的信噪比不会发生恶化。但目前受时钟分发芯片性能的限制，目前时钟扇出超过5路的时钟分发芯片可达到的最小抖动都超过50fs，故本设计中采用用于要求低抖动的高速应用的时钟分发芯片ADCLK948，时钟抖动为75fs，最大输出频率4.8 GHz，以最大程度的保证ADC的有效位数尽可能少的收到时钟抖动的影响。

由于AD9653采用差分输入，而中频接收机输出为单端信号，故采用高频变压器耦合方式完成单端信号到差分信号的转换，变压器耦合前端能够驱动较高频率而无明显的插入损耗，

多匝比率变压器还能提供无噪声增益，相对于使用运放进行耦合有明显的优势。为保证模拟输入信号的信号完整性，需要在变压器的副边进行端接，对于匝数比为1：1的变压器而言，为了获得在原边侧50 Ω的阻抗，需考虑变压器的插入损耗和回波损耗，根据回波损耗

计算出副边所需要的匹配的阻抗大小。在进行PCB布线时需保证单端模拟信号到高频变压器的走线尽可能短，使其尽快转换为差分信号，提高信号的抗干扰性能。

AD芯片的电源部分是系统噪声基底的重要影响因素，为了减小从电源部分引入的噪声每个电源管脚和地之间均加入多个不同容值退耦电容提高电源抑制比，在PCB中尽量靠近供电管脚放置。为了减小不同容值的电容并联后产生的反谐振影响电容的去耦性能，在不同容值的电容间串联铁氧体磁珠，构成pi型滤波电路。为了尽可能旁路高频噪声，在靠近模拟电源管脚处放置使用了在高频段有很高插入损耗的三端子穿心电容。在PCB叠层设计时让电源平面层和地平面层尽量靠近，通过平面层之间的层间耦合电容使得PCB本身具备高频去耦能力，进一步提高电源部分的抗干扰能力。

同时AD芯片的数字电源和模拟电源分开供电，各片ADC芯片的模拟电源也采用单独供电，从而减小数字端对模拟端的干扰和芯片间的串扰，提高通道间的隔离度。

1.2 波束合成与传输模块设计

系统的信号处理、传输流程如图3所示，FPGA中ISerdes模块完成对通过LVDS接口输入的AD采样信号的串并转换，转换得到16 bit位宽的数字信号;DDC模块对每个通道的中频信号进行数字下变频和低通滤波处理得到正交基带信号(I、Q两路);DBF模块对16路信号进行数字波束合成，同时完成8个方向的数字波束合成;Rapid IO模块将8路数字波束合成后的信号通过QSFP接口传输至实时处理机完成信号的进一步处理或存储。