0 引言

    天地波組網(wǎng)高頻地波雷達采用天波發(fā)射,、地波接收和地波發(fā)射、地波接收的形式實現(xiàn)對海洋表面動力學(xué)參數(shù)(如海洋表面流場,、風(fēng)場等)的監(jiān)測,，具有覆蓋面積廣、回波蘊含信息豐富等特點^[1]。天波發(fā)射,、地波接收的雷達在探測距離和探測精度上可以互補,，天波照射距離遠，精度較低,；地波雷達由于受到波形體制等原因的限制,，使得其探測距離有限，但卻能夠獲取高精度的數(shù)據(jù)^[2-3],，因此,，既有益于探測距離的拓展，也有利于對地波探測區(qū)域?qū)嵤┚毣^測,。

    考慮到天地波組網(wǎng)雷達系統(tǒng)的探測需求,，接收機模擬前端除了要保證較大的線性動態(tài)范圍、較強的抗干擾能力,、適中的靈敏度以及多通道接收之外,，還要保證它具有易于修改參數(shù)、較強的通用性以及較高的穩(wěn)定性等特點^[4]?，F(xiàn)有的高頻地波雷達的模擬前端多為固定增益的模擬前端,，各頻率的回波信號增益也不能分開控制，很難適用于天地波組網(wǎng)模式雷達系統(tǒng)^[5],。為了滿足天地波組網(wǎng)系統(tǒng)的要求,，許多基于軟件無線電思想的模擬前端被設(shè)計出來。文獻[6]使用8個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,，ADC)芯片分別控制8個接收通道，完成對模擬信號的采樣,。文獻[7]采用兩個ADC芯片完成4通道的回波信號采樣,。文獻[8]設(shè)計了8個采樣通道和4個ADC接口模塊，每個ADC接口模塊可以完成２個通道信號處理,。文獻[9]使用6個ADC芯片實現(xiàn)對6路傳感器信號的采集,。文獻[10]使用一個ADC芯片分時對4路通道信號進行采樣。

    基于天地波組網(wǎng)雷達系統(tǒng)的需要,，本文在原有的數(shù)字中頻接收機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)接收機的全數(shù)字化,，接收機工作在雙頻模式下，導(dǎo)致雷達站接收到的雷達回波信號更加復(fù)雜,，不同頻率的電波信號隨距離傳播的衰減特性不一樣,，各頻率回波信號的動態(tài)范圍也不一樣^[5]。在天線和ADC之間只存在預(yù)選濾波器,，使模擬信號更早地變成數(shù)字信號^[11],，并最終完成了雙頻多通道全數(shù)字化高頻雷達模擬前端的設(shè)計。該設(shè)計以一個ADC芯片為核心，實現(xiàn)了對8通道同時雙頻接收信號的放大和采樣,。8路接收信號進入同一個ADC芯片,，這樣就保證了8個通道的一致性，防止因通道不一致對接收信號的影響,，實現(xiàn)對8路接收信號進行相同的采樣操作和增益控制,，同時簡化了電路又獲得了更多的靈活性。

1 雙頻多通道高頻雷達數(shù)字化接收機總體方案設(shè)計

    本文研究和設(shè)計的全數(shù)字化接收機工作在天地波一體化探測模式下,，采用調(diào)頻中斷連續(xù)波體制(Frequency Modulated Interrupt Continuous Wave,，F(xiàn)MICW)以滿足收發(fā)共站的要求^[12]；工作頻率為雙頻以增強接收機抗干擾能力和自校正能力^[13],。接收機主要包括GPS同步,、系統(tǒng)時鐘、本振和發(fā)射信號合成,、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)字下變頻、USB傳輸?shù)饶K,。接收機系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

2 接收機模擬前端的設(shè)計

    模擬前端的功能是對8個通道接收到的回波信號進行濾波、放大和采樣后將數(shù)字信號送入FPGA中完成數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換以及數(shù)字下變頻（Digital Down Convert,，DDC）,。本次模擬前端設(shè)計使用一個ADC芯片同時對8路接收信號進行采樣和增益控制，實現(xiàn)了8個通道高度的一致性,。接收機工作頻段范圍為3 MHz~20 MHz,；掃頻周期和掃頻帶寬可選；采樣頻率需滿足奈奎斯特采樣定理,。接收機模擬前端其中一個通道的系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示,。

    雷達回波信號首先經(jīng)過限幅器進行限幅保護，經(jīng)過收發(fā)隔離開關(guān)（SA630：此開關(guān)利用脈沖控制）后通過功分器被分成兩路,，即頻段1通路和頻段2通路,，頻段1通路的濾波器的頻段為3 MHz~11 MHz，頻段2通路的濾波器的頻段為12 MHz~20 MHz,，之后合路器將兩路信號合為一路,，送入ADC實施增益控制和AD采樣。

2.1 放大及采樣芯片

    綜合考慮數(shù)據(jù)采集的指標(biāo),、特點和要求,，本設(shè)計選用TI公司的AFE5808A芯片對回波信號進行放大和采樣。該芯片是高度集成的,，將之前接收機前端的放大,、自動增益控制、數(shù)據(jù)采樣等功能都集成一起，非常適用于小尺寸,、高性能的雷達系統(tǒng),。它共有8個通道，恰好滿足雷達接收機8個通道的設(shè)計需求,。

2.2 放大及采樣過程

    在使用AFE5808A進行數(shù)據(jù)采集時,，主要分為3個階段。

    階段1（state0）：初始化ADC,。完成芯片復(fù)位,、時鐘啟動、電源啟動等,。

    階段2（state1）：配置寄存器,。由FPGA芯片通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）對ADC,、電壓控制放大器（VCA）等的寄存器組進行配置,。

    階段3（state2）：讀數(shù)據(jù)。完成上述兩個階段后,，AFE5808A開始工作,，每一路回波信號在AFE5808A中的處理過程如圖3所示。

    通過低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,，LNA),、電壓控制衰減器(Voltage Controled Attenuator，VCAT)以及可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,，PGA)可以調(diào)節(jié)對信號的增益,。ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。經(jīng)過放大及采樣后的9路數(shù)字信號(8路數(shù)據(jù)和1路幀時鐘)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后以低壓差分信號(Low Voltage Differential Signal,，LVDS)的形式輸入到FPGA中,。

2.3 芯片配置

    在本設(shè)計中，通過SPI總線由FPGA對AFE5808A的寄存器進行配置,，包括信號的增益控制、采樣后數(shù)字信號的位寬等,。采樣速率由輸入到AFE5808A的時鐘頻率決定,，這里設(shè)為48 MHz（符合奈奎斯特采樣定理），由時鐘芯片產(chǎn)生,。合適的ADC精度可以對系統(tǒng)的性能和功耗進行優(yōu)化,，結(jié)合探測目標(biāo)和需求，考慮到14 bit時具有較好的差分線性和無丟碼現(xiàn)象,，本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度配置為14 bit,。通過修改寄存器值可以改變芯片內(nèi)置的LNA的增益以及VCAT的衰減，提高接收機的動態(tài)范圍。

2.4 串并轉(zhuǎn)換

2.4.1 數(shù)據(jù)形式

    AFE5808A工作頻率設(shè)為48 MHz,，即采樣產(chǎn)生8路數(shù)據(jù)率為48 MS/s,、位寬為14 bit的數(shù)字信號，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換變成8路數(shù)據(jù)率為672 Mb/s的串行信號,。這8路串行信號和1路幀時鐘送入FPGA,，在FPGA中的輸入緩沖器中完成差分到單端的轉(zhuǎn)換，之后需要對此串行數(shù)據(jù)進行解串,，使用Quartus II軟件中的ALTLVDS_RX IP核完成采樣數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換,，以便于完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

2.4.2 ALTLVDS_RX IP核的配置

    對ALTLVDS_RX IP核通道數(shù)目,、解串因子,、輸入時鐘、數(shù)據(jù)速率,、動態(tài)相位對齊(Dynamic Phase Alignment,，DPA)使能等參數(shù)進行配置。AFE5808A共輸出8路數(shù)據(jù),，同時還輸出1路幀時鐘,，該幀時鐘用于后續(xù)錯位數(shù)據(jù)修正的參考，為此,，通道數(shù)設(shè)為9,。配置AFE5808A時設(shè)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為14 bit，而ALTLVDS_RX IP核的解串因子最大值為10,，這里設(shè)置解串因子為7,，所以一個數(shù)據(jù)需要分兩次進行解串。輸入數(shù)據(jù)率設(shè)為串行數(shù)據(jù)速率672 Mb/s,，IP核內(nèi)部的鎖相環(huán)的輸入時鐘設(shè)為AFE5808A輸出的數(shù)據(jù)時鐘Dclk=336 MHz,。由于信號傳輸路徑的不一致性，ADC輸出的隨路時鐘信號和串行數(shù)據(jù)信號在到達FPGA內(nèi)部進行串并轉(zhuǎn)換操作的同步單元之前經(jīng)歷了不同程度的延時,，故該同步單元的建立時間或保持時間并不一定能夠得到滿足,，可能會出現(xiàn)競爭與冒險現(xiàn)象。為此需要使能DPA功能,，使DPA電路自動選擇最佳相位補償源同步時鐘與接收的串行數(shù)據(jù)之間的偏差,。

3 接收機系統(tǒng)的仿真與功能測試

    為了驗證系統(tǒng)的功能是否滿足相關(guān)的設(shè)計需要，需要對接收機前端的模塊進行功能仿真和測試,。

3.1 接收機通道選擇性測試

    在進入AFE5808A進行采樣前,，需要對信號進行預(yù)選濾波，針對預(yù)選濾波進行通道選擇性測試,，高頻通路和低頻通路的測試結(jié)果分別如圖4,、圖5所示,。

    由圖4可以看出，通路1的通帶為3.56 MHz~10.24 MHz,，中心頻率為6.9 MHz,，帶寬約為6.68 MHz。而由圖5可以看出,，通路2的通帶為12.1 MHz~18.4 MHz,，中心頻率為15.8 MHz，帶寬約為6.3 MHz,。

3.2 AFE5808配置寄存器讀寫功能的驗證

    在測試中,，利用Quartus II軟件中的嵌入式邏輯分析儀（SignalTap II）去抓取寫操作與回讀操作過程的數(shù)據(jù)，由于配置操作時間很短,，因此設(shè)置第一次抓取為上電觸發(fā),。使能AFE5808A的寄存器回讀功能，這里以地址為8′h04的寄存器為例,，由圖6可以看到寄存器地址為8′h04的寄存器值為16′h0010,，利用SPI總線寫入要回讀的數(shù)據(jù)的地址8′h04到AFE5808A，該芯片就會在SDOUT端口串行輸出該地址存儲的數(shù)據(jù),。使用SignalTap II對寫操作與回讀操作的數(shù)據(jù)進行抓取,。由圖6可以看出對于地址為8′h04的寄存器，它的寫入值和回讀值均為16′h0010,。由此可以驗證,，利用SPI可以正確地配置AFE5808A的寄存器。

3.3 串并轉(zhuǎn)換程序仿真

    利用ModelSim軟件對所設(shè)計的串并轉(zhuǎn)換程序進行仿真以驗證程序能否實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換以及錯位數(shù)據(jù)修正的功能,。使用測試文件以672 Mb/s的速率對8個通道輸入“11111110000000”的循環(huán)串行數(shù)據(jù)到ALTLVDS_RXIP核,。由圖7所示仿真結(jié)果可以看出，ALTLVDS_RX IP核輸出幀數(shù)據(jù)fclk_data=7′b1111000,，說明并行數(shù)據(jù)發(fā)生了錯位,。但通過程序自動識別數(shù)據(jù)的錯位情況并做出相應(yīng)的修正，最終使得8個通道均正確輸出14′b1111111000-0000的并行數(shù)據(jù),。

3.4 串并轉(zhuǎn)換的功能測試

    為了驗證該模擬前端是否能完成8個通道的數(shù)據(jù)采樣功能,，首先使能AFE5808A芯片的自測模式，使該芯片串行輸出8路恒定的14位信號,，信號值為“11111110000000”,，利用SignalTap II對經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換和移位操作后的數(shù)據(jù)進行抓取，抓取結(jié)果如圖8所示,。

    由圖8可以看出，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換和移位操作后得到的8通道數(shù)據(jù)皆為14′h3f80(11111110000000),，說明FPGA能夠正確接收來自于AFE5808A的串行信號,。從而證明在利用SPI配置AFE5808A的相關(guān)寄存器后,，芯片可以正常工作，而ALTLVDS_RX IP核也能正常地進行串并轉(zhuǎn)換得到正確的并行數(shù)據(jù),，所以該設(shè)計和配置都是正確的,。

3.5 單通道采樣測試

    為進一步驗證整個模擬前端設(shè)計的正確性，采用信號源作為該芯片的輸入,，驗證經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號的正確性,。輸入信號分別選取頻率為7.5 MHz以及12.5 MHz的正弦信號。為方便測量,，只對其中一個通道進行測試,。

    (1)頻段1采樣測試

    設(shè)置信號發(fā)生器輸出頻率為7.5 MHz、峰峰值為800 mV的正弦波,，使用頻譜儀測量該信號的頻譜如圖9所示,。

    使用SignalTap II對采樣后的數(shù)字信號進行抓取，抓取頻率設(shè)為48 MHz,，得到數(shù)字信號如圖10所示,。

    將data_out_ch0的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，并對其做FFT變換,，得到其頻譜如圖11所示,。

    (2)頻段2采樣測試

    設(shè)置信號發(fā)生器輸出頻率為12.5 MHz、峰峰值為800 mV的正弦波,，使用頻譜儀測量該信號的頻譜如圖12所示,。

    使用SignalTap II對采樣后的數(shù)字信號進行抓取，抓取頻率設(shè)為48 MHz,，得到數(shù)字信號如圖13所示,。

    將data_out_ch0的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，并對其做FFT變換,，得到其頻譜如圖14所示,。

    通過對所設(shè)計的模擬前端進行信號源測量的結(jié)果可以看出，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號頻譜是正確的,。

4 結(jié)論

    本文介紹了高頻雷達全數(shù)字化接收機的整體方案,，提出了一種雙頻多通道高頻雷達全數(shù)字化接收機的模擬前端的系統(tǒng)設(shè)計思路及方法，該設(shè)計實現(xiàn)了使用一個ADC芯片對8通道同時雙頻接收信號進行增益控制和采樣,，保證了各通道的一致性,，簡化電路同時加強了接收機的靈活性。最終通過系統(tǒng)仿真和功能測試,，驗證了硬件電路和程序設(shè)計的正確性,，且ADC轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號信噪比達到了50 dB，表明該模擬前端可以滿足雷達接收機對接收的海洋回波的處理要求,。

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作者信息：

李世界,，陳章友，張  蘭,，楊山山

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,，湖北 武漢430072）