在現代雷達信號處理中，試驗數據的獲取有著重要意義。實測數據是檢驗算法有效性的重要依據，也是算法修正的依據^[1]。不同型號的雷達接收機，由于其雷達回波信號具有的特性和工作模式復雜，這就對信號的數據采集提出了更高的要求，即要求實現高速、高精度的數據采集以及復雜、靈活多變的觸發工作模式。
　　本文介紹一種適用于多種型號雷達接收機的數據采集系統" title="采集系統">采集系統，采用該系統與一臺插有PCI數據通信卡的PC機配合，可以實現回波I、Q兩路信號的同步采集，采樣率最高可達12Mb/s，數據緩沖區為512KByte(可擴充)。另外還具有以下功能：(1)支持多種數據格式；(2)程控設置采樣時鐘和同步方式；(3)程控可變的延遲觸發功能；(4)程控設置每次觸發后的采樣長度； (5)程控設置單次數據采集長度等。
1 系統工作原理及構成
　　雷達接收機高速數據采集系統" title="高速數據采集系統">高速數據采集系統框圖如圖1所示。計算機是雷達接收機高速數據采集系統的控制平臺和接收終端。PCI數據通信卡采用ADLINK公司的PCI7200卡，置于PC機內部，負責計算機與采集系統之間的通信，主要完成兩個功能：(1)計算機通過它發送控制代碼至單片機，進而控制數據的采集與時序傳送；(2)雷達接收機接收的數據經高速靜態存儲器(SRAM)緩存后通過它送至計算機內存，用于數據整理和分析，進而驗證算法和測試雷達接收機的性能等。

　　系統由兩大功能模塊組成：計算機控制模塊和數據采集模塊" title="數據采集模塊">數據采集模塊。
1.1 計算機控制模塊
　　計算機通過PCI數據采集卡發送控制代碼至單片機(AT89C51)，單片機接收到的數據經整理后送至數據采集模塊以完成數據采集模塊的參數配置。其操作流程如圖2所示。

　　本系統中的參數設置包括接收機通道選擇、并/串選擇、數據格式選擇、采樣時鐘選擇、時鐘邊沿選擇、時鐘延時設置、數據長度設置等。由以上參數按照一定的次序組合成控制代碼，再加上數據采集啟動命令共需要五個字節的數據，通過PCI數據通信卡按照一定的時序送至單片機。
　　計算機控制模塊與數據采集模塊之間的通信必須按照統一的協議進行，因此單片機在接收到控制代碼之后需要進行數據編碼。相應地，在數據采集模塊中也需要進行譯碼操作。這里按照高半字節為地址、低半字節為數據的原則進行編碼，原來五個字節的數據編碼后為九個字節的數據(其中采集控制命令單獨占用一個字節)，再由單片機產生相應的發送時鐘將數據傳送至數據采集模塊。
1.2 數據采集模塊
　　此模塊完成采集系統的數據采集功能，由高速靜態存儲器(SRAM)、時序產生與整理電路、數據采集與傳送電路組成。其中，高速SRAM用于采集數據的緩存。
　　精確的時序控制是數據采集模塊的關鍵所在，時序邏輯的定時準確、穩定性好，對雷達系統尤為重要。本系統采用VLSI可編程邏輯器件(如Lattice公司的CPLD器件ispLSI-1032)來實現，其具有集成度高、體積小、功耗低、工作穩定、抗干擾性強等優點。
1.2.1 時序產生與整理
　　采集系統的工作時鐘可以使用內時鐘，即內部晶振產生的10MHz時鐘，也可以使用外時鐘，即由雷達接收機本身提供的時鐘。對于不同型號的雷達接收機，數據的工作格式可以是并行格式或者串行格式。不同的數據格式所要求的工作時序不同，本文介紹串行工作方式。
　　串行工作方式下，雷達接收機提供串行位時鐘(SK)和串行幀時鐘(SH1)，I、Q支路數據均為24位，先傳送I路數據最高位，最后傳送Q路數據最低位。采集系統要正確地完成數據采集，需要具備：(1)串行同步時鐘，其頻率為位時鐘的1/48，相當于SH1; (2)串轉并寄存器時鐘(SH2)，其頻率為位時鐘的1/24，并且由串行同步時鐘同步。本系統使用48進制計數器。當SH1到來時，48進制計數器開始對SK計數，每計至24、48時產生進位信號，即為SH2，其上升沿與SK的上升沿對齊。
　　如果SH1的正脈寬較大，則不能很好地同步計數器，系統可對SH1進行邊緣提取，窄脈沖能很好地同步SH2。SH2既是串轉并寄存器的時鐘，也是串行數據采集與傳送的工作時鐘。
　　考慮到系統存在一定的門延時，SH2與I路最高位SK時鐘上升沿可能存在1~3個位時鐘間隔，系統中分別設置SK及SH2有0~3個位時鐘間隔的延時，這樣SH2與I路最高位SK時鐘的上升沿可以有-3~3個位時鐘間隔，更大限度地兼容了多種型號的雷達接收機的數據采集。
　　此外，某些型號的雷達接收機需要主同步脈沖(M0)同步整個數據采集，根據同步采集的數據與M0脈沖的相對關系進行相關參數的分析與計算。串行工作方式下，系統用M0脈沖同步SH2。
1.2.2 數據采集與傳送
　　數據采集與傳送電路由有限狀態機實現，其時序如圖3所示。

　　系統采用帶有異步清零端和使能端的同步計數器(計數長度由計算機控制模塊設置，圖3中以1K個樣本點為例，設定異步清零和使能端都是高有效)；計數器的輸出端連接存儲器的地址端。
　　有限狀態機包括三個主要狀態：數據采集、I通道傳送、Q通道傳送，以及初始態、主要狀態間的過渡態。使用三位狀態寄存器，其時鐘采用系統工作時鐘(串行工作方式下為SH2)。
　　由圖3可以看出：啟動采集命令之前，系統處于初始態，同步計數器沒有時鐘輸入，清零有效，使能無效。啟動采集命令之后，寫脈沖使用系統工作時鐘，同步計數器使用系統工作時鐘，M0正脈沖(或經過窄脈沖提取的M0)到來時，通過RS觸發器的置位端使能計數器工作。
　　計數器產生進位信號(DATAEND)，完成數據采集工作，之后關閉同步計數器，進入過渡態，為I、Q通道數據的傳送作準備。進位信號(DATAEND)延時一個工作時鐘周期后，結束過渡態，進入數據傳送狀態。系統提供兩個控制信號S1、S2，用于I、Q通道使能。當S1=0、S2=1時，使能I通道；當S1=1、S2=0時，使能Q通道。兩個通道的數據傳送使用同樣的計數器，狀態之間的轉換條件為計數器的進位信號有效。雙通道數據傳送完畢后，系統重新進入初始態，等待下次數據采集的啟動命令。
2 系統控制軟件
　　系統與插有PCI數據通信卡的PC機配合實現I、Q兩路數據的同步采集，PC機作為高速數據采集系統的主控單元，主要完成其與系統之間的狀態、數據和命令交換。軟件采用Microsoft公司的Visual C++編寫，主要包括系統初始化、系統參數設置、數據錄入、數據存取以及數據后處理等模塊。
　　系統上電后，軟件完成初始化，即加載數據通信卡的驅動程序。在啟動采集系統工作之前，必須根據整個系統的工作要求進行相應的參數設置，主要包括采集通道、數據格式、采樣時鐘、時鐘邊沿、數據長度、時鐘延時等參數的設置，計算機將以上參數按照協議的格式通過串口與采集系統中的單片機控制模塊建立通信，進而控制采集系統的工作。軟件還可以設置串口通信的串口號、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位等。
　　參數設置后，啟動采集命令即可進行數據的錄入，根據采集長度軟件可設置一定大小的緩沖區，并將緩沖區的內容實時保存到指定的文件中。
　　數據后處理模塊包括時域波形的顯示、頻譜分析及顯示、雷達接收機相關參數的分析等。軟件界面缺省顯示時域的波形及其頻譜。
3 性能測試
　　在數據采集系統的性能測試中，常用的一種測試方法是FFT分析。雷達接收機測試信號采用單頻信號，為了防止頻譜泄漏對SNR計算的影響，計算中采用了相位補償技術^[3]。圖4是某相控陣雷達的實測結果，其中信號頻率為500kHz，采樣頻率為8MHz，采樣點數為2048個，A/D轉換器位數為16位。圖4中上圖為零中頻信號兩支路的時域波形(只顯示64點)，下圖為信號的幅度譜。由FFT分析可得：SNR為61.6dB，A/D轉換器的有效位數(ENOB)為12.3位，達到了良好的性能。

　　本系統采用可編程邏輯器件實現，簡化了電路設計，提高了靈活性。由于使用了高速緩存和基于PCI總線的數據通信卡，可以實現數據的高速和高精度采集。由于對多種格式數據具有兼容性，使得系統適用于多種型號的雷達接收機，這對于雷達接收機的參數測試以及接收機研制有著重要的意義。