一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統

第37卷 第3期 2020年3月

Experimental Technology and Management Vol.37 No.3 Mar. 2020

ISSN 1002-4956

CN11-2034/T

實 驗 技 術 與 管 理

DOI: 10.16791/.2020.03.026

一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統

王俊嶺，紀經明，鐘 山

（北京理工大學 信息與電子學院，北京 100081）

摘 要：設計了一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統，可根據配置的基本雷達參數自適應地實時采集

4 GHz帶寬下的任意寬帶基帶信號以及窄帶中頻信號，并同時將窄帶中頻信號轉至基帶，便于后續的信號處

理。給出了該自適應數據采集模塊的具體硬件實現，并對該系統的具體功能和性能指標進行了測試，驗證了

該方案的正確性。

關鍵詞：雷達信號；數據采集；自適應采集系統；寬窄帶回波

中圖分類號：TN957.5 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4956(2020)03-0116-04

Data acquisition system of adaptive wideband and

narrowband radar signal

WANG Junling, JI Jingming, ZHONG Shan

(School of Information and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract: A data acquisition system of adaptive wideband and narrowband radar signal is designed. It can acquire

any wideband baband signal and narrowband IF signal in real time adaptively according to the configured basic

radar parameters and transfer the narrowband IF signal to baband at the same time so as to facilitate the

subquent signal processing. The hardware implementation of the adaptive data acquisition module is prented,

and the specific functions and performance indexes of the system are tested to verify the correctness of the scheme.

Key words: radar signal; data acquisition; adaptive acquisition system; wideband and narrowband echo

?

高速數據采集系統是雷達獲取數字信號的關鍵集設備可適用不同體制的雷達信號處理系統，有利于

因此，。。由于觀測場景和信息提取內容差異，雷

雷達信號處理的模塊化和實驗教學時的流程化設備之一

[4][1]

本文設計了一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系達體制靈活多變，這使得高速數據采集系統的設計一

統，通過配置信號的帶寬、頻點等參數信息實現般按雷達系統需求進行定制

3.8 GHz帶寬以下寬窄帶信號的自適應采集與傳輸。

該設計的關鍵在于利用高速ADC先把輸入的基帶或

中頻信號統一采用寬帶采樣，然后在FPGA中根據雷

達配置參數實現寬窄帶信號的分選、預處理以及傳輸。

該實現方式可靈活適應不同雷達體制，且對外接口簡

單，很容易與不同體制雷達實驗設備裝配。

[2-3]

。高分辨探測與成像雷

達系統設計課程中，所用的實驗雷達體制多樣，存在

簡單單頻脈沖、頻率步進信號、寬帶線性調頻信號等

多種信號形式，信號帶寬也分布在由簡單單頻脈沖的

0.1 MHz帶寬到寬帶線性調頻信號的3 GHz帶寬之

間。為每種雷達均定制一套數據采集系統不僅導致實

驗設備成本高昂，多種類數據采集系統配置操作的復

雜性令學生花費大量的精力于雷達設備模塊的組裝配

置上，不利于實際實驗教學。配置靈活的高速信號采

收稿日期: 2019-07-09

基金項目: 國家自然科學基金項目（61701554，61401024）；北京

理工大學基礎研究基金項目（2）

作者簡介: 王俊嶺（1982—），男，山東濟寧，博士，實驗師，碩

士生導師，主要研究方向為雷達信號處理、空間目標探

測與成像。

E-mail: mailwjl@

1 系統總體設計方案

相對而言，窄帶雷達測量距離遠、跟蹤范圍廣，

但目標的距離分辨能力較弱，常用于目標檢測和運動

特性參數測量；而寬帶雷達距離分辨率高，可獲取目

標精細結構特征，用于目標識別，或者利用其高距離

分辨能力提升在雜波或干擾環境下的目標檢測、跟蹤

性能。同時，出于降低寬帶雷達工程實現難度或抗

[5-6]

王俊嶺，等：一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統 117

干擾等目的，頻率步進或者頻率捷變等頻率跳變信號，工作模式可配置

體制在雷達中廣泛應用。此外，出于體制優勢互補為單通道5GSPS采樣，這使得該系統可以通過并行時

[1]

的目的，研究人員常采用寬窄帶雷達組網或者寬窄

[7]

帶交替發射信號

[8][12]

的方式充分發揮寬窄帶雷達各自的樣。使用1片XC6VSX315T

優勢。雷達信號體制的復雜化增加了雷達信號采集系系統的控制和對數字回波信號的預處理；使用2個光

統的設計難度模塊實現原始基帶數據的轉發；一片DSP C6678作為

[9-10]

，通用化的寬窄帶雷達信號采集處

理系統需要自動根據雷達信號的帶寬模式、頻點跳變

等自適應地采集信號。對此，本文設計了一種自適應

寬窄帶雷達信號的數據采集系統（見圖1），可根據信

號的帶寬、頻點等參數配置信息實現3.8 GHz帶寬以

下寬窄帶信號的自適應采集與傳輸。

圖1 自適應寬窄帶雷達信號采集系統

雷達I、Q兩路射頻信號分別通過一片ADC進行

數據采集，然后根據寬窄帶配置參數選擇寬帶通路或

窄帶通路，并緩存預處理后的數據到DDR3中，最后

由光纖傳輸模塊通過光纖將采樣數據傳輸至數據處理

存儲接口。該系統中寬帶信號與窄帶信號具有獨立通

路，一方面可適應寬帶成像雷達中寬窄帶交替模式，

同時也在實驗中直接對比分析不同寬窄帶采樣模式對

雷達信號處理的影響。

對寬帶通路，該數據采集系統要求輸入信號為零

中頻信號，數采模塊根據寬帶信號參數配置采樣率采

集回波，但采集到回波信號后不做數據預處理，直接

傳給后續數據處理存儲模塊。對窄帶通路，該系統則

無零中頻輸入要求，但需要窄帶信號的載頻或頻率跳

變帶寬加上窄帶信號帶寬后小于數采芯片的最大可配

置采樣率，在獲取窄帶數字信號后，根據窄帶信號頻

點和帶寬信息，進行數字下變頻和抽取濾波處理，獲

得窄帶基帶回波信號，然后傳輸給數據處理存儲模塊。

此外，為保證回波信號的相參性，ADC的采樣率等參

數配置在寬窄交替模式或者頻率跳變模式下應保持一

致，為2種信號模式所需采樣帶寬的大值。

2 數據采集系統的硬件實現

按照設計需求，該數據采集系統硬件原理圖和根

據設計生產好的實物圖如圖2所示。該系統使用2片

ADC芯片實現對回波信號I路和Q路的復采樣，芯片

是e2V公司生產的EV10AQ190

[11]

間交替采樣的方式實現5 GHz帶寬以下信號的復采

FPGA芯片負責對整個

拓展處理器；FPGA和DSP芯片均配備DDR3實現高

速數據的緩存。

圖2 數據采集系統原理圖與實物圖

3 數據采集系統的軟件設計

3.1 寬帶采集部分

寬帶數據采集部分需實現2項功能：一是根據信

號參數配置信息由SPI接口配置ADC芯片的工作模

式；二是通過FPGA內部的數據接收模塊將ADC采

集到的高速數據進行接收。圖3給出了寬帶數據采集

部分FPGA程序的功能框圖。因ADC的數據輸出順

序和采集順序不同，所以需通過順序轉換模塊調整數

據順序；因采樣數據位寬和高速緩存的接口位寬不匹

配，還需位寬轉換模塊對數據進行位寬轉換；數據拼

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接打包模塊則是將數采波門等信息與原始回波信號進源；而AV1411合成掃頻信號發生器作為回波模擬器，

行拼接打包處理；然后由數據緩存模塊寫入DDR3緩生成不同頻點的單頻信號以及窄帶線性調頻信號模擬

存并通過光纖發送出去。 雷達的寬窄帶回波；數據存儲處理系統則實時存儲由

圖3 寬帶采集部分FPGA程序功能框圖

3.2 窄帶預處理部分

由于輸入為非零中頻信號，窄帶采集部分需將大

采樣帶寬獲得的回波信號預處理為窄帶基帶信號，因

此，窄帶數據需進行數字下變頻和多相濾波預處理。此

時，圖3中的位寬轉換模塊在窄帶信號采集通道更換

為基于多相分解的數字下變頻模塊，同時完成窄帶數

字信號的下變頻和濾波操作。變頻模塊框圖如圖4所

示。該模塊在進行M倍多相分解后，根據窄帶信號頻

點同時實現信號的低通濾波和下變頻，而二級濾波后

N倍抽取的處理方式則可以降低整體所需濾波器階數，

以較少的乘法器資源實現更高性能的窄帶濾波處理。

圖4 基于多相結構和兩級濾波的數字下變頻模塊

4 系統功能指標測試

為驗證所涉及數據采集系統的功能和性能指標，

搭建了數據采集系統功能指標測試平臺，如圖5所示。

該系統由工控機、數據采集板（本文設計的信號采集

系統實物）、數據存儲處理系統以及2個信號源組成。

在該測試平臺中，信號源Agilent E8267D用于生成穩

定的單頻信號，作為所研制數據采集系統的參考時鐘

光纖傳入的數采信號，并進行事后分析處理。

圖5 數據采集系統功能指標測試平臺

通過采集不同頻點的單頻信號，并分析其時頻特

性可驗證該數據采集系統的寬帶采集功能。采集非零

中頻的窄帶調制信號并分析其輸出結果，可以驗證數

據采集系統對窄帶回波采集和預處理功能。數據采集

系統的相位相參性指標則可通過比較所采集單頻信號

的實際相位與理論值之間的差異來獲得。

圖6給出了使用4 GHz的采樣率分別對頻點為

300 MHz的單頻信號進行采集后的時域圖（ADC1為

I路，ADC2為Q路），以及對頻點為1 900 MHz的

圖6 寬帶采集結果

王俊嶺，等：一種自適應寬窄帶雷達信號的數據采集系統 119

單頻信號進行采集后的頻域圖（I路）。300 MHz單頻

信號的采樣結果中，I、Q兩路信號在時域的平滑性和

正交性表明該數據采集系統各數據通道的時延已被

校正；而對1 900 MHz的單頻信號進行采樣并做傅里

葉變換后，信號峰值在頻域的位置正確，表明該數據

采集系統可實現單路頻偏在1 900 MHz信號的寬帶

采集功能，從而可實現3.8 GHz以下信號的I、Q兩

路復采樣。

圖7為本數采系統對載頻為800 MHz、帶寬為

3 MHz的窄帶信號先進行寬帶采樣，再進行窄帶預處

理的結果。圖7表明，對非零中頻的窄帶回波信號，

在進行了基于多項抽取的數字下變頻和兩級低通濾波

后，該回波信號已搬移至零中頻。驗證了本數據采集

系統實現了對窄帶信號的自適應采集和預處理功能。

圖7 窄帶信號頻譜和抽取結果（I路）

圖8為本數據采集系統的相位穩定性指標測試結

果。該測試中，I、Q兩路均通過50 Hz的波門采樣間

隔采集載頻為1 GHz的單頻信號，然后由各采樣波門

前沿的初相與理論值的差異來度量數據采集系統信號

相位穩定性。測試結果表明，在60 s的時間內，整個

數采系統引入的相位抖動量在0.5°以內。

圖8 采樣時刻初相與理論值差異

5 結語

針對高分辨探測與成像雷達系統實驗教學中設備

模塊化和流程化需求，本文設計并實現了一種自適應

寬窄帶雷達信號的數據采集系統。該系統采用2片

ADC芯片實現了雷達回波I、Q兩路數據的寬帶復采

樣，并可根據信號的帶寬、頻點等參數配置信息實現

對非零中頻窄帶輸入信號的下變頻和濾波抽取處理，

轉為基帶信號。搭建的測試平臺驗證了所開發的數據

采集系統可實現寬窄帶雷達回波信號的自適應采集和

預處理，在60 s的時間內，數采系統相位抖動量在0.5°

以內。

參考文獻

(References)

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McGraw-Hill Education, 2008.

[2] 郇浩. 多通道模擬信息轉換器壓縮采樣實驗平臺開發[J]. 實

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