集成簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)—基于凌華科技PCI-9846H高速數(shù)字化儀的某型數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

張福貴，成都信息工程學(xué)院

作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成，傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)接收機(jī)主要采用瞬時(shí)自動(dòng)增益控制擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，利用模擬I、Q解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬解調(diào)，對(duì)接收機(jī)硬件依賴性強(qiáng)，信號(hào)適應(yīng)能力差，而軟件無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了無(wú)線電接收機(jī)的革新。隨著器件水平的迅速發(fā)展，作為軟件無(wú)線電的重要內(nèi)容，數(shù)字接收機(jī)日益成熟并已經(jīng)在雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通訊接收機(jī)中普遍應(yīng)用。

軟件無(wú)線電較終目標(biāo)是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC) 緊接在電臺(tái)天線,直接在信號(hào)射頻進(jìn)行采樣,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),射頻以下其他的所有處理功能全部采用軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，數(shù)字接收機(jī)在氣象雷達(dá)中已經(jīng)得到較大范圍的推廣，實(shí)際運(yùn)行效果顯著，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在體積變小、成本降低、系統(tǒng)復(fù)雜程度降低，表現(xiàn)突出的是靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍性能有較大提升。

這些數(shù)字接收機(jī)基本上采用如圖1設(shè)計(jì)框圖，主要由三大部分構(gòu)成，即高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換（采集）、超大規(guī)�？删幊踢壿嬈骷�實(shí)現(xiàn)數(shù)字變頻功能和數(shù)據(jù)傳輸。這類設(shè)計(jì)不足之處在于，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要精心設(shè)計(jì)，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)或系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，尋找一種高集成度數(shù)據(jù)采集平臺(tái)以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)無(wú)疑成為亟待解決的問(wèn)題。

圖1 通用數(shù)字接收機(jī)框圖

凌華PCI-9846H高速數(shù)字化儀，可提供高精度、低噪音及高動(dòng)態(tài)范圍性能，高密度且高精準(zhǔn)度，那么基于該板卡特點(diǎn)，是否可以成功設(shè)計(jì)出一種風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)字中頻接收機(jī)，從而簡(jiǎn)化數(shù)字接收機(jī)的冗長(zhǎng)、繁瑣且易出錯(cuò)的設(shè)計(jì)研制工作呢？

簡(jiǎn)化系統(tǒng)的機(jī)會(huì)

結(jié)合某型風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)特點(diǎn)，中頻頻點(diǎn)為50MHz,帶寬為5MHz，數(shù)字中頻接收機(jī)采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換方法。該方法不僅不需要正交本振，且后續(xù)的數(shù)字濾波器階數(shù)可以很低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單。對(duì)ADC的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接下變頻，ADC采樣后數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)兩路分離處理后，通過(guò)半帶濾波、降速率、數(shù)字濾波較終得到兩路正交的雷達(dá)基數(shù)據(jù)輸出。

分析PCI-9846H高速數(shù)字化儀資源及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)按圖2搭建系統(tǒng)仿真平臺(tái)。

圖2 數(shù)字中頻接收機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)

為方便描述操作過(guò)程，將按如下步驟進(jìn)行：

（1） 將PCI-9846板卡插入PC機(jī)的PCI槽中。啟動(dòng)電腦，裝入凌華科技提供的技術(shù)資料光盤，將建立系統(tǒng)必須的驅(qū)動(dòng)和相關(guān)開(kāi)發(fā)工具安裝完畢。

（2） 將外部信號(hào)源設(shè)置兩路全相參輸出，模擬雷達(dá)提供的中頻和采樣時(shí)鐘，一路設(shè)置為40MHz作為板卡外部時(shí)鐘使用，接入板卡的“CLK IN”端，另一路設(shè)置為50MHz作為中頻輸入，接入PCI-9846的4個(gè)輸入通道中一路CH0。

（3） 凌華科技在軟件支持部分也投入大量的精力。針對(duì) PCI-9816/9826/9846 的軟件解決方案，凌華科技提供了傳統(tǒng)的WD-DASK 與任務(wù)導(dǎo)向型的 DAQPilot 驅(qū)動(dòng)程序與開(kāi)發(fā)鏈接庫(kù)。打開(kāi)LabVIEW軟件，找到控件ADLink DAQpilot。

（4） 設(shè)置ADLink DAQpilot，使用0號(hào)通道，幅值范圍±1V，選擇外部時(shí)鐘。

（5） 將ADC輸出按圖2進(jìn)行下變頻操作，圖6為下變頻中的IQ分離部分。

圖3   IQ分離

（6） 根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)習(xí)慣，為了便于數(shù)據(jù)分析，在LabVIEW中對(duì)每級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并使用MATLAB進(jìn)行深層次的分析。

經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)單快捷的系統(tǒng)仿真模型搭建，下面即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、驗(yàn)證。

（1） PCI-9846H的通道1ADC數(shù)據(jù)分析。經(jīng)驗(yàn)證分析，PCI-9846H板工作在40MHz外部時(shí)鐘時(shí)數(shù)據(jù)采集正常，因使用的是欠采樣（帶通采樣），信噪比相對(duì)而言會(huì)有所損失。

（2） 通過(guò)在LabVIEW環(huán)境中快速的搭建數(shù)字下變頻系統(tǒng)， 50.3MHz的中頻輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻，降速率后得到雷達(dá)4MHz帶寬下的IQ基數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻的功能，通過(guò)該部分的實(shí)驗(yàn)證明了使用凌華科技的PCI-9846H板卡可以實(shí)現(xiàn)某型雷達(dá)數(shù)字中頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。使用該板卡和相關(guān)的軟件工具產(chǎn)品，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前的研發(fā)周期。

進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)

通過(guò)上節(jié)的建模、仿真、驗(yàn)證，可以看出系統(tǒng)可將PCI-9846H運(yùn)用與雷達(dá)系統(tǒng)中，系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖4所示。直接將板卡插入雷達(dá)終端機(jī)中，將雷達(dá)中頻信號(hào)、來(lái)自頻綜的相參時(shí)鐘信號(hào)以及其他觸發(fā)信號(hào)接入板卡相關(guān)接口。系統(tǒng)簡(jiǎn)化了以往數(shù)字中頻接收機(jī)，省去了外部電源、節(jié)約了外部空間以及其他數(shù)據(jù)連接等考慮。系統(tǒng)直接將PCI-9846H來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI訪問(wèn)進(jìn)行變頻、產(chǎn)品顯示。 

圖4   數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)框圖

按如圖4所示將系統(tǒng)組裝完成后，為驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)工作正常，從雷達(dá)射頻前端灌入信號(hào)，下面是系統(tǒng)工作時(shí)測(cè)量的情況。

（1） 系統(tǒng)中頻輸出為50.05MHz,功率為+5dBm時(shí)較終IQ時(shí)域數(shù)據(jù)輸出。

主要是檢查輸出IQ信號(hào)的功率穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性。從實(shí)際功率計(jì)數(shù)錯(cuò)誤次數(shù)和相位錯(cuò)誤計(jì)數(shù)都為0可以看出，通過(guò)PCI-9846H板卡設(shè)計(jì)的數(shù)字下變頻幅度一致性和相位穩(wěn)定性上基本符合要求。

（2） 系統(tǒng)中頻輸出為50MHz+70Hz頻偏,中頻輸入功率為-40dBm。風(fēng)廓線各個(gè)波束的功率譜顯示。因?yàn)槔走_(dá)工作頻點(diǎn)為1290MHz,根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，若輸入70Hz頻偏則目標(biāo)測(cè)得值應(yīng)該為8.13m/s，從圖5可以看出，測(cè)出的風(fēng)速為8.0m/s,與上式計(jì)算值吻合，其中差值為風(fēng)廓線雷達(dá)時(shí)域相參積累、譜平均次數(shù)誤差導(dǎo)致。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5  風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)性能驗(yàn)證

凌華科技PCI-9846H板卡，集成了豐富的硬件及其他開(kāi)發(fā)資源，無(wú)論使用者的使用何種開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如Visual Studio、Borl C++ Builder、Delphi或者是LabVIEW，均可通過(guò)DAQPilot所提供的交互式接口，快速完成程序的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。使用該板卡可以方便快捷的進(jìn)行前期的方案驗(yàn)證，加快了某型風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)字中頻接收機(jī)研制的進(jìn)度，經(jīng)實(shí)際系統(tǒng)使用，證明該板可以勝任數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)需要。

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