雷達接收機綜合測試系統設計

錢 程，錢葉旺，許亞男

（池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247100）

0 引 言

隨著雷達技術的發展和信號處理技術的進步，現代雷達接收機在數據傳輸方式、傳輸速率及工作性能等方面都獲得了明顯改善。為了確保雷達接收機工作的穩定性和精確性，對雷達接收機的測試和維護要求也不斷提升。傳統的測試維護通常采用手工操作儀表讀數的方式對被測系統進行參數測量。測試專用性強、測試周期長及兼容性差，且測試過程繁瑣，難以保證準確性。同時，對測試數據的采集、整理、存儲及分析都存在不便。采用真實儀器組與虛擬儀器相結合的基于PC的綜合測試系統可以將計算機硬件資源與儀器硬件資源有效結合，更好地完成雷達接收機的測試維護工作。

本文采用基于FPGA的數據采集卡作為橋接部件，將噪聲測試儀HP8970B、頻譜儀HP71100C及信號源HP83752B等真實儀器與雷達系統專用虛擬儀器分析軟件配合工作，構成一套完整的雷達接收機綜合測試系統。使用過程中，可以方便地在工控機上對虛擬測試儀器進行編程設置，且操作靈活、更新周期短，易于實現數據的分析處理與存儲，便于實現雷達接收機測試維護的自動化、智能化，更好地掌握雷達接收機的各項性能指標和工作狀態。

1 系統設計

虛擬儀器與真實儀器相結合的綜合調試及測試系統充分利用了真實儀器的高精度和虛擬儀器的靈活性，實現了雷達接收機參數的綜合測量。雷達接收機綜合測試系統主要由工控機、測試儀器組、基于FPGA的高速數據采集卡及專用虛擬儀器分析軟件組成。測試儀器組包括噪聲測試儀、功率計、信號源、矢量電壓表及頻譜儀等[1]。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

真實儀器的工作狀態和數據分析可由專用虛擬儀器分析軟件控制。工控機通過GPIB接口模塊完成與真實儀器組的交互。根據測試步驟發出雷達接收機狀態控制信號，并用來設置雷達接收機的工作狀態、儀表工作狀態。通過數據采集卡采集雷達接收機送來的數據，整理后將數據通過CPCI接口傳送到工控機。綜合分析測量結果，產生測試報表，繪制測試曲線，便捷地以自動化方式完成對雷達接收機的調試和檢測[2]。

2 硬件設計

系統設計中，采用LTP-ST11MB光纖接口接收雷達接收機的數據，可實現數據的高速傳輸。在數據采集卡中進行整理，然后將數據存入高速RAM。專用虛擬分析軟件通過CPCI總線讀取數據，在工控機中進行分析處理，并將處理結果直觀顯示在終端上。同時，通過GPIB總線對真實儀器組進行控制。通過光纖接口接收數據，可以滿足雷達接收機高速穩定數據傳輸的要求；CPCI總線可以滿足運行過程中高可靠性和強通用性的要求[3]。

2.1 高速數據采集卡設計

雷達接收機綜合測試系統的關鍵在于基于CPCI總線的高速數據采集卡設計。高速數據采集卡用來采集雷達接收機的各類數據信號，并進行整理，其采集的速度及準確度直接影響整個測試系統的工作效率和性能。高速數據采集卡的硬件設計框圖如圖2所示[4]。

圖2 高速數據采集卡設計框圖

雷達接收機綜合測試系統工作時，由一個125 MHz的晶振直接為FPGA提供工作時鐘。高速數據采集卡通過CPCI總線與工控機進行交互，工控機發出控制指令為雷達接收機設置本振頻率等工作狀態。雷達接收機工作狀態穩定后，工控機向高速數據采集卡發送數據采集指令。經過FPGA內部譯碼，經由LTPST11MB接口的集成收發模塊向雷達接收機下發指令，并采集數據。采集到的數據在FPGA內進行高速處理，完成串并轉換、數據緩沖后被存入到高速RAM。等待工控機繼續發出上報數據的指令，高速數據采集卡將處理后的數據送入到工控機。工控機收到數據后統一送至專用虛擬儀器分析軟件進行雷達接收機的工作參數分析。

2.2 主控芯片FPGA設計

高速數據采集卡選用Altera Stratix Ⅱ GX系列的FPGA作為主控核心芯片，主要完成數據采集過程中的指令控制、時序規劃、數據整理以及存儲等功能。利用可編程邏輯芯片設計的硬件電路具有高并發的并行特性，便于實現實時高速運算。Altera Stratix Ⅱ GX系列可以實現大量的片內RAM，便于實現大數據量的處理運算。同時采用FPGA作為主控芯片的設計方式具有功耗低、結構靈活、開發周期短及易于擴展和移植等優點[5]。

采用自上而下的設計方式，在Quartus Ⅱ開發環境中將Altera Stratix Ⅱ GX FPGA配置成以下主要模塊：總線接口模塊、光纖接口模塊、時鐘分配模塊、數據處理控制模塊及數據存儲模塊，其設計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA結構設計框圖

外部晶振為FPGA工作提供125 MHz時鐘，時鐘分配模塊根據外部時鐘輸入對信號進行整形。為了優化設計，時鐘分配模塊中直接采用Stratix Ⅱ GX芯片提供的時鐘管理解決方案。利用FPGA內部的鎖相環（PLL）電路為FPGA各模塊配置時鐘。

指令控制模塊是FPGA設計的核心，用來協調各模塊之間的配合工作。通過與光纖接口和總線接口的信息交互，對當前指令操作進行譯碼解析，在合適的時鐘下對數據進行采樣、整理，并進行格式轉換。

數據存儲模塊主要負責FPGA將處理好的數據存儲到外部高速RAM。根據控制模塊給出的存入數據或讀出數據的操作指令及地址對高速RAM進行讀寫操作。

總線接口模塊主要負責高速數據采集卡與工控機的通信工作。協調工控機與高速數據采集卡的工作時序，完成數據與指令的傳輸。

Stratix Ⅱ GX系列的FPGA兼容光纖通道，內部具有嵌入式千兆位收發器功能塊，該功能塊具有4個全雙工通道。光纖接口模塊直接采用Stratix Ⅱ GX內部的高速收發通道。本次設計中主要使用其8B/10B編解碼模塊及光纖通道協議。

3 虛擬儀器分析軟件設計

雷達接收機綜合測試系統的專用虛擬儀器分析軟件采用C++語言在Visual Studio 2010開發平臺上完成設計。頂層采用MFC框架為使用虛擬分析軟件提供了一套圖像化可視界面，可以方便地進行操作選擇和結果觀測。該軟件系統設計框圖如圖4所示[6]。

圖4 虛擬儀器分析軟件設計框圖

參數測試模塊是虛擬儀器分析軟件的核心部分，負責系統軟件的控制與數據處理。通過CPCI總線獲取高速數據采集卡傳送的數據，在該模塊中進行整理分析，計算出雷達接收機的工作參數，如雷達接收機單通道幅頻特性、單通道工作帶寬內噪聲系數、通道間信號帶寬內幅相一致性及各通道信噪比SNR等。

儀器控制模塊用來控制測試中用到的真實儀器組，包括頻譜儀、噪聲系數測試儀及功率計等。程序設計中通過調用各儀器設備提供的dll實現接口對接。儀器控制模塊通過GPIB總線向測試儀器發出指令，測試儀器按照指令要求進行參數設置，并返回指令所要求的返回值。

系統設置模塊實現了雷達接收機綜合測試系統的初始化工作，負責設置雷達接收的工作參數、真實儀器組的工作狀態及高速數據采集卡的工作參數等。此外，該模塊還負責設置雷達接收機的工作頻點和待測試的接收機通道等。

數據存取模塊通過ADO的方式對ACCESS數據庫進行讀寫操作。主鍵約束在程序中實現，兩次測試參數相同時，覆蓋上一次測試結果。數據庫中包括用戶管理信息數據和測試數據。測試數據庫中包括各個測試指標表單、I路和Q路原始數據表單及測試指標參考值表單等。

數據采集控制模塊用來控制高速數據采集卡采集數據時的采樣時鐘、數據格式及采樣長度等參數。結果顯示模塊用于將系統中的各類數據通過表格或曲線的方式顯示在控制臺，便于直觀形象的展示。

以單通道幅頻特性測試為例，其實現過程如圖5所示。

根據圖5連接好雷達接收機綜合測試系統的硬件設備。專用虛擬儀器測試系統設置好信號源、接收機工作狀態及雷達接收機的工作頻點，指令將測試系統設置為測試通道幅頻特性的狀態。信號源為雷達接收機提供測試用模擬信號，在指定的信號帶寬內，按照步長改變信號源頻率。高速數據采集卡通過光纖接口采集雷達接收機數據，并通過CPCI總線送至工控機。專用虛擬儀器分析軟件對測試數據進行分析，測出接收機對應信號帶內每一頻率點的增益。

圖5 單通道幅頻特性測試原理圖

4 結 論

本文設計的雷達接收機綜合測試系統將真實儀器組和專用虛擬儀器分析軟件結合，以自動化、智能化的方式完成對雷達接收機工作性能的測試工作。系統具有設計靈活、可靠性高、開發周期短及實時性高的優點，對于數據處理要求高、數據量大及算法多變的雷達接收機的測試和維護工作具有重要實際意義。