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李方慧 龙 腾 田黎育 王洪波
摘 要 目的 研究单脉冲制导雷达信号采集系统的设计实现以及测试方法和测试参数的最佳选择。方法 根据信号采集系统的特点对系统进行分解优化，比较多种实现方案，对照FFT中参数对结果的影响，分析传统A/D测试下存在的问题。结果 提出了一种最优的系统实现方案。给出了性能测试中有关参数的选取方法，尤其是输入信号频率的选取算法。结论 该系统已应用于某型号雷达中，整机使用证明该系统工作稳定，实测结果与理论分析相吻合。
关键词 单脉冲雷达；信号采集；可擦除可编程逻辑器件(EPLD)；A/D测试
分类号 TN958.4
The Realization of Data Acquisition for Monopulse
Guidance Radar and It's Test
Li Fanghui Long Teng Tian Liyu Wang Hongbo
(Department of Electronics Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)
Abstract Aim To study the realization of data acquisition system in a monopulse guidance radar and how to design a proper test method and test parameters. Methods The system was decomposed and several schemes were compaed. On the test of system performance, the influence of input signal's frequency was studied. Results An optimized solution was promoted for the data acquisition sysytem, and also a method was introduced in the test parameter design. Conclusion This data acquistion system has been proved stable and excellent in the whole radar system.
Key words monopulse radar; data acquisition; erasable programmable logic device
(EPLE); A/D testing
1 单脉冲制导雷达信号采集系统的特点
①多通道。当前的单脉冲雷达多采用和通道、方位差、俯仰差三通道体制［1］，同时每个通道又是I，Q双路采样［1］，因此该体制雷达信号采集系统至少具有6个信号通道。
②多种采样率、多种数据量和占空比。由于不同通道上信号处理的方式不同，导致单脉冲制导雷达信号采集系统一般需满足搜索数据的较低采样率、大数据量、大占空比和支路跟踪数据的较高采样率、较低数据量、较低占空比以及差支路跟踪数据的高采样率、低数据量、极低占空比［2，3］。
③多种工作模式。现代雷达应具有MTD、参差PRF、多重PRF等多种工作模式［1］，同时信号采集系统必须能够与处理机的多种模式密切配合。
2 单脉冲制导雷达信号采集系统的设计与实现
2.1 系统结构的确定
首先应对系统进行划分，划分准则主要有以下几点：
①满足不同信号通道中信号带宽、采样速率、占空比、数据量的要求；②满足处理机任务独立性的要求，实现设计的模块化、可扩充性；③满足与后续处理机的接口及时序控制的逻辑要求；④尽量提高性能价格比及硬件利用率。
划分方案如图1、图2所示。考虑到搜索支路的独立性，将其单独列为一个支路。
方案1的优点是各支路及DSP共享一块RAM，体积较小，但是其数据的存储及调度复杂，需有额外的总线仲裁机构，因此实现困难。此外，其多路ADC共享一个RAM，控制时序耦合严重，系统模块化、可扩充性不好。与此相比，方案2中各个支路具有自己的RAM，互相独立，数据存储及调度易于实现，而且多路ADC之间没有耦合关系，因此具有良好的模块化和可扩充性。
图1 划分方案1 |
图2 划分文案2 |
2.2 差支路的特殊考虑
差支路的特殊性主要在于其采样数据的极低占空比［2，3］。但是由于发射脉冲宽度决定了差支路信号的带宽较宽，而且精度要求通常也是较高的，因此必须解决系统性能要求(大带宽、高精度)与设备利用率(低占空比)之间的矛盾。一种最优的解决方案是采用多路高速采样保持器、电子开关和低速高精度ADC构成［2，3］，这样可以将方位差、俯仰差的采集在一块电路板上实现，且体积小、成本低、效率高、精度高。实现框图如图3所示。
图3 差支路信号采集方案
2.3 EPLD技术的应用
可擦除可编程逻辑器件(erasable programmable logic device 简称EPLD)的优势在于硬件设计的软件化［4］，这种技术具有器件集成度高、性能可靠、灵活度大等优点［4］，而且可以进行输出波形预仿真，便于调试和维护。图3的差支路信号采集方案中，时序控制部分一般需要多片中小规模芯片，若采用EPLD技术，则仅需1片就可完成控制任务，而且便于功能扩充。
2.4 在线自检测功能
系统设计时还应考虑便于日常调试维护及故障检测定位。对于ADC的故障检测，可以将ADC输出直接送DAC，通过监测DAC的输出判断其工作是否正常。对于数据存储的故障检测，可以在存储器固定位置插入测试码，处理机从数据流中分离出测试码作判别，一旦发现码字有误，便可给出信号触发该电路板上的信号灯告警。另外在电路设计时应留出测试孔，以增加电路的可测性。
3 系统的实现
采用以上原则设计并实现的某单脉冲制导雷达的信号采集系统，可完成多作用距离、变PRF、正常及MTD等模式下的三通道雷达回波信号采集，并能够实现在线自检测。系统采用了图2的体系结构，搜索支路ADC选用AD337A，跟踪和支路ADC选用AD9007；差支路采用图3的方案，其中采样保持器选用AD684(单片上封装了4个采样保持器)，电子开关采用AD7501，ADC采用AD1671，控制时序的EPLD采用ALTERA公司的FLEX8282。
4 系统性能测试
4.1 测试方法
信号采集系统的测试一般可分为静态测试和动态测试［3］，两者都是输入已知信号，通过对采集的结果数据分析，从而获得系统的性能指标。
静态测试中常用的算法是对数据求均值和标准差。
均值
 (1)
标准差
 (2)
其中 xi为样本值；n表示样本数。
在动态测试中最关心的指标是动态有效位数ηENOB［5］：
 (3)
其中 S/N表示ADC输出的信噪比。
4.2 动态测试中的主要问题及解决方案
通常动态测试是利用FFT获得信噪比，进而得到ηENOB。输入交流信号频率的选取受到多方面的约束：①采样频率fs应为输入频率fin的整数倍m(m≥2)，FFT结果才会不受频率泄漏影响；②输入信号应该让ADC的输出数据尽量覆盖每一种可能的数值；③输入信号频率要尽可能高，系统在高频输入下的指标会降低，但往往更能体现系统的性能；④当n个样本中包含的信号周期数越多时，测试的结果才会越趋于一致。
这样显然出现了矛盾：在保证fin=fs/m的前提下，输入信号频率越高，ADC输出数据的变化会越少，在极限情况fin=fs/2时，ADC将只会采在两个固定的电平上。相反，对于有限的n个样点，如果想要ADC输出数据的变化增多，输入信号的频率需要降低，当fin=fs/n时，ADC将有n种输出数据，在数量上达到最多，而输入信号的频率也降至允许的最小值。另外，对于n个固定的样本数，样本中包含的信号周期数与ADC经历的转换状态数同样是成反比的。
对于信号高频率与转换状态数的矛盾，作者引入一种高整频点偏移法(见式(4))来选取信号频率，即使ADC的输出数据覆盖尽可能多的数值，又能够反映系统的高频特性。至于样本中周期数与转换状态数的矛盾，可以通过增加测试的组数，用统计学的方法来解决。
fin=fs/2-kfs/n， (4)
式中 fin为输入信号频率；fs为采样频率；n为样本数；k=1，2，3…。
4.3 实测结果及分析
图4和图5是动态测试中对搜索支路两组测试数据的时域波形，信号幅度为3V(峰-峰值)，采样频率fs=2.5MHz。图4中对应测试数据a，输入信号fin=625kHz，fin=fs/4，因此ADC采在信号的每个周期内固定的4个电平上。图5对应测试数据b，fin=1055kHz，对应式(4)中k/n=5/64，这样ADC总共采到64个不同的电平。从波形上可以清楚地看到这点差别。 | 
