超高速雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)簡(jiǎn)介

五、超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于1m距離分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)，其采樣速率可以達(dá)到250MS/s，其主要問題是：

1.體系結(jié)構(gòu)的選擇

(1)AD變換的體系結(jié)構(gòu)[17]　在AD轉(zhuǎn)換模塊中，可以采用單片AD的結(jié)構(gòu)，也可以采用多片AD并行的結(jié)構(gòu);而多片AD并行又包括時(shí)間并行和幅度并行兩種方式.多片AD并行可以降低對(duì)每一AD芯片的性能要求，但增加了設(shè)備量和控制的復(fù)雜性.在超高速應(yīng)用的場(chǎng)合，一般采用的是單片AD變換的結(jié)構(gòu).

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)[18]　由于超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度很快，因此存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)一般都采用分路數(shù)據(jù)輸出的體系結(jié)構(gòu);這種結(jié)構(gòu)將AD的輸出數(shù)據(jù)分成多路較低速數(shù)據(jù)輸出，可以降低對(duì)存儲(chǔ)器讀寫速度的要求.

2.元器件的選型與信號(hào)連線的處理

根據(jù)表1，對(duì)于250MS/s的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳統(tǒng)的TTL芯片已無法工作.目前常用的超高速標(biāo)準(zhǔn)芯片系列是ECL芯片;對(duì)于250MS/s的采樣速率，ECL10KH系列可以滿足要求.

根據(jù)前面的分析，超高速系統(tǒng)的信號(hào)連線必須采用微波傳輸線作為信號(hào)之間的連線，并要進(jìn)行正確的端接.這樣就可以消除反射，并精確控制信號(hào)的延遲.

3.模擬電路的抗干擾

系統(tǒng)抗干擾的方法首先是屏蔽，包括電路整體的屏蔽以及系統(tǒng)模擬部分和數(shù)字部分之間的屏蔽.但是由于超高速系統(tǒng)一般是高功耗的，因此還必須兼顧散熱問題.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾是主要誤差源之一.消除這一干擾可以通過器件的隔離、電源濾波、星形接地以及元器件的合理布置來解決.在超高速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，大面積地是一個(gè)最基本、也最重要的因素之一，一方面它可以減小干擾，另一方面它也是微帶傳輸線的一個(gè)組成部分.

4.系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試

(1)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)　系統(tǒng)中采用了單片超高速AD芯片加全局存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)，并采用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)與IBM-PC計(jì)算機(jī)的接口，使數(shù)據(jù)采集的結(jié)果可以在計(jì)算機(jī)中顯示并加以處理(圖1).其中，為降低對(duì)存儲(chǔ)器速度的要求，采用了分路數(shù)據(jù)輸出的方式，使存儲(chǔ)器的速度降低為AD變換速度的一半.存儲(chǔ)器的周邊器件采用ECL芯片.信號(hào)之間的連線采用微帶或帶狀傳輸線，并端接了合適的端接電阻.

圖1　超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

(2)系統(tǒng)性能測(cè)試　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能測(cè)試主要包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，其中動(dòng)態(tài)測(cè)試更能夠全面地反應(yīng)系統(tǒng)的性能.在動(dòng)態(tài)測(cè)試中最為關(guān)心的指標(biāo)是動(dòng)態(tài)有效位(ENOB).本系統(tǒng)在250MS/s采樣速率、125MHz輸入信號(hào)時(shí)測(cè)試了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)有效位，可以證明，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)有效位在7-bit以上.

六、高速數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.脈沖壓縮的基本原理[8]

脈沖壓縮算法的基礎(chǔ)在于匹配濾波的理論.假設(shè)發(fā)射信號(hào)為S(t)，其頻譜為S(ω);并設(shè)匹配濾波器的沖擊響應(yīng)為h(t)，傳遞函數(shù)為H(ω)，則脈沖壓縮后的信號(hào)輸出為：

Y(ω)=H(ω).S(ω)　(1)

y(t)=h(t)

s(t)　(2)

這里，只要匹配濾波器的沖擊響應(yīng)/傳遞函數(shù)與發(fā)射信號(hào)滿足匹配濾波關(guān)系，就可以獲得脈沖壓縮的輸出結(jié)果.

2.脈沖壓縮的主要實(shí)現(xiàn)方法

(1)時(shí)域法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮　時(shí)域法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的基礎(chǔ)是式(2)：由于匹配濾波在時(shí)域等效于相關(guān)接收，因此，時(shí)域法實(shí)質(zhì)上就是數(shù)字相關(guān)的方法.圖2顯示了相關(guān)數(shù)字脈壓的基本結(jié)構(gòu).其中，采集的原始信號(hào)與預(yù)先存儲(chǔ)的參考碼送入相關(guān)器，相關(guān)器的輸出就是脈壓后的數(shù)字結(jié)果;可以采用DA變換將其變?yōu)槟M信號(hào)顯示.

圖2　時(shí)域法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓

(2)頻域法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓　頻域法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓的基礎(chǔ)是式(1)，其基本結(jié)構(gòu)示于圖3.這里，采集的原始信號(hào)首先通過FFT變換到頻域，與預(yù)先存儲(chǔ)的參考碼相乘后，再通過逆FFT變換回時(shí)域，就構(gòu)成脈壓后的數(shù)字結(jié)果;同樣可以采用DA變換將其變?yōu)槟M信號(hào)顯示.由于FFT算法相當(dāng)于快速卷積，因此頻域法的運(yùn)算速度一般要快于時(shí)域法，尤其在壓縮比較大的情況下.

圖3　頻域法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓