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、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）