倪文飛，夏 丹，魯長(zhǎng)來(lái)，毛 飛

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 安徽 合肥 230000)

0 引言

雷達(dá)IQ數(shù)據(jù)最后以A顯模式展示于計(jì)算機(jī)界面[1-2]，處理流程包括信號(hào)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及顯示，用戶可直接觀測(cè)A顯波形判斷處理是否正確。文獻(xiàn)[3]闡述了一種S波段信道化數(shù)字接收機(jī)，文獻(xiàn)[4]論述了一種光纖數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[5]通過(guò)C++實(shí)現(xiàn)雷達(dá)顯示設(shè)計(jì)。雷達(dá)回波采集及顯示設(shè)備存在的主要問(wèn)題是計(jì)算機(jī)無(wú)法處理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議光纖數(shù)據(jù)，需通過(guò)昂貴的光纖采集設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以便識(shí)別數(shù)據(jù)，提高了設(shè)備成本，同時(shí)，顯示處理一般通過(guò)C++及開(kāi)發(fā)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)，軟件語(yǔ)法繁瑣，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。針對(duì)以上問(wèn)題，首先方案通過(guò)光吉比特以太網(wǎng)[6]實(shí)現(xiàn)IQ數(shù)據(jù)傳輸，可減少設(shè)備量，其次LabVIEW作為一種高效開(kāi)發(fā)軟件，已應(yīng)用于眾多開(kāi)發(fā)場(chǎng)景，其圖形操作模式減少了方案數(shù)據(jù)接收及顯示軟件設(shè)計(jì)開(kāi)銷。

1 信號(hào)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送

1.1 信號(hào)采集

雷達(dá)時(shí)序周期為2 KHz，回波信號(hào)為中心頻率30 MHz、帶寬2 MHz的脈沖信號(hào)，信號(hào)采集的功能是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字IQ信號(hào)。數(shù)字接收機(jī)[7]通過(guò)ADC芯片以200 MSPS采樣率將模擬回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)，以QDR[8]模式將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片對(duì)所接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，最終輸出采樣率4 MSPS的基帶信號(hào)。通過(guò)數(shù)字下變頻[9-11]可有效縮減輸出數(shù)據(jù)率，節(jié)約傳輸帶寬。

圖1中，NCO產(chǎn)生兩路正交的數(shù)字混頻信號(hào)，ADC輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字混頻轉(zhuǎn)變?yōu)椴蓸勇?00 MSPS的零中頻信號(hào)，通過(guò)FIR抽取濾波器[12]將高頻分量濾除并將采樣率抽成4 MSPS。輸出的IQ信號(hào)傳輸至RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀寫(xiě)。

圖1 數(shù)字接收機(jī)原理框圖

1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

發(fā)送數(shù)據(jù)為數(shù)字下變頻輸出的IQ信號(hào)[13]，二者均為16位數(shù)字信號(hào)，IQ信號(hào)原始數(shù)據(jù)率為128 Mbps。進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，將I信號(hào)與Q信號(hào)拼接為32位IQ數(shù)據(jù)，因此每個(gè)周期具有2 000個(gè)32位IQ數(shù)據(jù)，IQ數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸，傳輸協(xié)議為千兆以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)采樣率為125 MSPS，IQ數(shù)據(jù)采樣率為4 MSPS，異步讀寫(xiě)先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，因此異步讀寫(xiě)可實(shí)現(xiàn)低采樣率數(shù)據(jù)以高采樣率傳輸，F(xiàn)PGA通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)[14]IQ數(shù)據(jù)異步讀寫(xiě)。將每組RAM存儲(chǔ)深度設(shè)為2 048×32 bit以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)而不溢出。首先在第一個(gè)重復(fù)周期，即0～500 μs區(qū)間，A口RAM以4MSPS采樣率對(duì)IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)寫(xiě)操作，數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)于A口RAM地址0～1999存儲(chǔ)寄存器中，同時(shí)在480～500 μs區(qū)間，B口RAM以125 MSPS采樣率依次讀取B口RAM地址0～1999存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)。在下一個(gè)500 μs時(shí)間內(nèi)，B口RAM以4 MSPS采樣率對(duì)IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)寫(xiě)操作，在480～500 μs時(shí)間內(nèi)，A口RAM以125 MSPS采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)讀操作。因此，通過(guò)乒乓讀寫(xiě)便可實(shí)現(xiàn)IQ數(shù)據(jù)的有效傳輸，圖2為雙口RAM的操作流程圖。

1.3 三速以太網(wǎng)IP核設(shè)計(jì)

雙口RAM輸出的IQ數(shù)據(jù)需封裝以太網(wǎng)幀頭才能以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議傳輸，幀頭包括目的MAC地址、源MAC地址、IPV4版本協(xié)議、源IP地址、目的IP地址及UDP端口號(hào)。首先將目的地址設(shè)為組播地址230.0.17.1，并將UDP[15]目的端口號(hào)設(shè)為5 060，封裝后的數(shù)據(jù)幀包含42 Byte以太網(wǎng)幀頭、2 Byte幀編號(hào)值及8 000 ByteIQ數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為8 044。數(shù)據(jù)幀通過(guò)三速以太網(wǎng)[16]內(nèi)核輸出并經(jīng)光纖傳輸至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，由于數(shù)據(jù)幀經(jīng)光纖傳輸，需將以太網(wǎng)內(nèi)核工作模式設(shè)置為1000BASE-X/SGMII-PCS，緩存深度設(shè)為2 048×32 bit。將數(shù)據(jù)輸入三速以太網(wǎng)內(nèi)核時(shí)，在輸入第一個(gè)32位數(shù)據(jù)時(shí)，需將以太網(wǎng)內(nèi)核起始使能信號(hào)設(shè)置為高，當(dāng)輸入最后一個(gè)32位數(shù)據(jù)時(shí)，需將以太網(wǎng)內(nèi)核結(jié)束使能信號(hào)設(shè)置為低電平，當(dāng)檢測(cè)到起始使能信號(hào)時(shí)，開(kāi)始將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖接口發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到結(jié)束使能信號(hào)時(shí)，結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。雙口RAM操作流程如圖2所示。

圖2 雙口RAM操作流程

2 數(shù)據(jù)接收及顯示

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀通過(guò)光纖傳輸至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，然后被轉(zhuǎn)發(fā)至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)需要解析出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含的IQ數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收及解析通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)幀封裝協(xié)議為UDP，因此需調(diào)用UDP多點(diǎn)傳送控件、UDP數(shù)據(jù)讀取控件及UDP關(guān)閉控件，如圖3所示。UDP多點(diǎn)傳送控件的作用是偵聽(tīng)并接收與所設(shè)封裝信息一致的數(shù)據(jù)幀，因此將偵聽(tīng)地址設(shè)置為230.0.17.1，偵聽(tīng)端口號(hào)設(shè)為5 060，與數(shù)據(jù)幀封裝信息保持一致。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，控件將其傳送至UDP數(shù)據(jù)讀取控件。由于數(shù)據(jù)幀字節(jié)長(zhǎng)度為8 044，為防止數(shù)據(jù)溢出，將數(shù)據(jù)讀取控件緩存深度設(shè)為9 000，使緩存深度大于數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，否則控件將輸出錯(cuò)誤指示。其次將超時(shí)毫秒設(shè)為-1，即在空閑時(shí)間，UDP數(shù)據(jù)讀取控件處于無(wú)限等待狀態(tài)，否則控件等待超時(shí)，將返回錯(cuò)誤指示而中斷操作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包偵聽(tīng)解析時(shí)，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤指示，此時(shí)需要調(diào)用UDP關(guān)閉控件，在產(chǎn)生錯(cuò)誤指示時(shí)，軟件將會(huì)執(zhí)行關(guān)閉操作，操作處理流程如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收及顯示軟件框圖

圖4 數(shù)據(jù)接收處理

2.2 數(shù)據(jù)顯示

設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)，UDP控件接收到數(shù)據(jù)后，將42 Byte以太網(wǎng)幀頭去除，只輸出2 Byte幀計(jì)數(shù)值及8 000 ByteIQ數(shù)據(jù)。UDP解析控件按每8位輸出數(shù)據(jù)，原始IQ數(shù)據(jù)為32位，即I信號(hào)與Q信號(hào)分別為16位，所以需將輸出數(shù)據(jù)按每16位拼接以還原I、Q信號(hào)。LabVIEW提供出色的腳本編輯功能，通過(guò)調(diào)用Matlab腳本控件可實(shí)現(xiàn)高效科學(xué)運(yùn)算[17]。去除2 Byte幀計(jì)數(shù)值，每4 Byte長(zhǎng)度數(shù)據(jù)組成一組IQ數(shù)據(jù)，排列順序依次為I信號(hào)高8位數(shù)據(jù)、I信號(hào)低8位數(shù)據(jù)、Q信號(hào)高8位數(shù)據(jù)及Q信號(hào)低8位數(shù)據(jù)。I信號(hào)計(jì)算如式(1)所示：

I_data=I_l+I_h×28。

(1)

同理，Q信號(hào)的計(jì)算為：

Q_data=Q_l+Q_h×28。

(2)

式(1)和式(2)計(jì)算所得為補(bǔ)碼，需要將其轉(zhuǎn)換為原碼。以I_data為例，當(dāng)I_data最高位為1時(shí)，即大于32 767時(shí)，表示該值為負(fù)數(shù)，則I_data原碼計(jì)算如式(3)所示：

I_data=I_data-216。

(3)

當(dāng)I_data最高位為0時(shí)，表示該值為正數(shù)，則原碼為其本身。Q_data原碼計(jì)算過(guò)程與I_data類似。圖形界面顯示的為IQ數(shù)據(jù)幅值，幅值X計(jì)算如式(4)所示：

X=10lg(I_data2+Q_data2)。

(4)

幅值顯示通過(guò)調(diào)用波形顯示控件實(shí)現(xiàn)，由于幅值顯示是實(shí)時(shí)的，需調(diào)用While循環(huán)結(jié)構(gòu)以保證進(jìn)程一直執(zhí)行，對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)而言，在無(wú)中斷條件產(chǎn)生時(shí)，程序一直執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行停止中斷時(shí)，程序?qū)⑼Ｖ埂?/p>

3 光纖通信硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)幀通過(guò)FPGA芯片EP4SGX230KF40I3產(chǎn)生，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)光纖模塊USOT12F21I實(shí)現(xiàn)，該光模塊最大通信速率為2.5 Gbps，滿足光吉比特以太網(wǎng)通信速率需求。圖5為光纖通信原理圖，D1為FPGA，AC34為FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘管腳，該管腳為FPGA提供系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，D1通過(guò)時(shí)鐘管腳AC11及AC10輸出差分時(shí)鐘REF_CLK至光纖時(shí)鐘輸入管腳AN38及AN39，該時(shí)鐘為FPGA光纖接口提供工作時(shí)鐘，由于是差分時(shí)鐘，因此需在時(shí)鐘接收處端接100 Ω電阻。D2為光纖模塊，1腳及3腳為光纖數(shù)據(jù)發(fā)送管腳，7腳及9腳為光纖數(shù)據(jù)接收引腳，1、3腳與D1的AT36、AT37對(duì)接，7、9腳與D1的AT38、AT39對(duì)接，D2采用3.3 V電壓驅(qū)動(dòng)，VCC_RX為D2接收驅(qū)動(dòng)提供供電，VCC_RX為D2發(fā)送驅(qū)動(dòng)提供供電，均通過(guò)磁珠與電源VCC_3P3連接。為使數(shù)據(jù)傳輸具有良好耦合特性，須在數(shù)據(jù)串接100 nF電容，如C7，C8，C9，C10，C11，C12。C1，C2，C3為濾波電容，容值分別為47，10，0.1 μF。

圖5 光纖通信原理

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6中，通過(guò)信號(hào)源輸出模擬回波信號(hào)至數(shù)字接收機(jī)信號(hào)輸入口，數(shù)字接收機(jī)通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)顯示，設(shè)計(jì)通過(guò)穩(wěn)壓電源供電。計(jì)算機(jī)界面顯示的為最終通過(guò)LabVIEW顯示輸出的信號(hào)時(shí)域圖，可知設(shè)計(jì)準(zhǔn)確顯示了脈沖回波信號(hào)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)方式靈活高效，顯示開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可進(jìn)一步擴(kuò)展對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單明了。由于采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的光吉比特以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，因此該設(shè)計(jì)方案也可以運(yùn)用到其他數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，在硬件設(shè)備量及軟件設(shè)計(jì)方法上均有優(yōu)勢(shì)。但是，隨著相控陣體制雷達(dá)的深入應(yīng)用及多脈沖信號(hào)處理技術(shù)的產(chǎn)生，光以太網(wǎng)技術(shù)需要面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率上升的問(wèn)題，需要后續(xù)做更深入的思考和研究。