基于FPGA和SMT387的SAR數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是主動式微波成像雷達(dá)，近年來隨著合成孔徑雷達(dá)的高速發(fā)展，對作為重要部分的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)的要求越來越高，比如對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率、分辨率、存儲深度、數(shù)字信號處理速度、抗干擾能力等方面提出更高要求。基于標(biāo)準(zhǔn)總線并帶有高速DSP的高速數(shù)據(jù)采集板卡和利用高速A／D轉(zhuǎn)換器搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前兩大主流發(fā)展方向。SAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和存儲處理需要滿足正交兩路(I／Q)雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)同時采集，并實現(xiàn)高速傳輸和大容量長時間實時存儲。根據(jù)這一要求，結(jié)合采集存儲的發(fā)展趨勢，設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用于SAR，基于SATA硬盤的高速數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)。采用FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)工作時序控制，DSP功能模塊完成信號的
處理和對硬盤的操作。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)脫機，長時間，高速大容量的數(shù)據(jù)存儲。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計原理
    本系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、采集存儲控制模塊、DSP功能模塊和數(shù)據(jù)存儲器(硬盤)組成。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和采集存儲控制模塊位于電路板1，數(shù)據(jù)存儲接口模塊位于電路板2，板間按照SHB接口協(xié)議通信。系統(tǒng)實現(xiàn)思路為：首先采集正交輸出的I／O兩路模擬正交信號，經(jīng)過并在雷達(dá)回波有效時間內(nèi)將數(shù)據(jù)送入DSP功能模塊轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式。在兩次回波有效窗的間隔時間內(nèi)，將數(shù)據(jù)存入SATA硬盤中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要功能是：在120 MHz的采樣時鐘下，將I／O兩路模擬正交信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，送給后端的采集存儲控制模塊。該模塊由信號調(diào)理器和A／D轉(zhuǎn)換器2部分構(gòu)成。信號調(diào)理器主要完成對輸入信號的幅度和共模電壓的調(diào)整，A／D轉(zhuǎn)換器將調(diào)整后的模擬信號均勻采樣得到其量化的數(shù)字信號。根據(jù)系統(tǒng)要求，運算放大器選用AD8351，該器件是用于RF和IF頻段的低功耗差分運放，其輸出放大增益和差分共模電壓均可通過調(diào)整片外相應(yīng)電阻阻值實現(xiàn)。A／D轉(zhuǎn)換器選用AD9430，該器件分辨率為12位，最高轉(zhuǎn)換速度為170百萬次／秒，輸入信號模擬帶寬為710 MHz，輸出模式可靈活配置。
1．2 采集存儲控制模塊
    采集存儲控制模塊是整個系統(tǒng)運行控制的核心部分之一，其內(nèi)部框圖如圖1的FPGA部分。該采集控制模塊的主要功能是：前端采集的數(shù)字信號在輸出控制模塊的控制下(編碼等處理)，經(jīng)SHB送到DSP功能模塊，DSP通過基于紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則的滑窗檢測算法計算出有效信號的具體
位置，并得到這些參數(shù)(CalEnd、Start、Hold、Error、Pause、Delay、CalPRF、PRF-INCRS和Full)，然后經(jīng)過編碼將這些參數(shù)傳送給采集控制模塊，采集控制模塊通過譯碼模塊，恢復(fù)這些參數(shù)并通過這些參數(shù)控制時序，就可以采集信號的有效部分。最后通過SHB把這些有效信號傳給DSP功能模塊，存儲在SATA硬盤中。該采集存儲控制模塊的時鐘為120 MHz。
    根據(jù)設(shè)計要求，采集存儲控制模塊的最高工作頻率為240 MHz，由于該模塊的主要功能是對系統(tǒng)中各子模塊的接口連接和控制，所以其外部接口較多，還涉及到多電平模式間的轉(zhuǎn)換和兼容。通過最后的仿真綜合分析，本方案設(shè)計選用Virtex 4系列的FPGA器件XC4VFXl2。
    如圖1中的FPGA框圖，采集存儲控制模塊包括4個主要的功能模塊，其中總體時序控制模塊是核心模塊。按照系統(tǒng)工作要求，本系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了如下工作：系統(tǒng)開機后，外部硬件電路將對系統(tǒng)進(jìn)行自動復(fù)位。復(fù)位信號有效后，總體時序控制部分將進(jìn)人狀態(tài)“0001”，對總體時序控制所有參數(shù)進(jìn)行初始化配置。參數(shù)配置結(jié)束后，將自動從狀態(tài)“0001”跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)“0010”。狀態(tài)“0010”是總體時序控制部分的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)中樞，該狀態(tài)根據(jù)譯碼產(chǎn)生的控制信號跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的下一個工作狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)工作方案，需要FPGA在接收到START(開始傳送數(shù)據(jù))信號后，向后端傳送單個完整的PRI內(nèi)的采樣信號。此時CalEnd信號為系統(tǒng)初始化時，所賦予的初始值‘0’。當(dāng)FPGA接收到START信號后，將檢測CalEnd是否為其初始值‘0’，當(dāng)條件“CalEnd=‘0’and START=‘1’”成立時，總體時序控制部分將從狀態(tài)“0010”跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)“001 1”?？傮w時序控制部分跳轉(zhuǎn)至“0011”狀態(tài)后，將在下一個PRF上升沿到來后，通過PCI輸出管理部分開啟SHB輸出通道，傳送一個完整PRI內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送完畢后，自動由狀態(tài)“0011”跳轉(zhuǎn)回狀態(tài)“0010”，并關(guān)閉SHB輸出通道。至此，F(xiàn)PGA對計算結(jié)束前接收的一次START命令執(zhí)行完畢。當(dāng)信號檢測部分一旦檢測到有效回波位未能完整落入采樣PRI內(nèi)時，將通過SHB輸入端口向FPGA傳送DEIAY信號。在總體時序控制部分接收到輸入信號譯碼產(chǎn)生的DElAY信號后，將在下一個PRF上升沿到來后，由狀態(tài)“0010”跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)“0100”，當(dāng)延時完成后自動由狀態(tài)“0100”跳轉(zhuǎn)回狀態(tài)“0010”。當(dāng)信號檢測結(jié)束后，后端模塊將通過SHB輸入單元把PRF延遲量傳送至FPGA，同時將總體時序控制中的Ca-lEnd信號置高。當(dāng)總體時序控制部分檢測到CalEnd信號為高時，將在下一個PRF上升沿到來后，由狀態(tài)“0010”跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)“0101”。在狀態(tài)“0101”中，根據(jù)計算的PRF延遲結(jié)果，對采樣PRF的位置進(jìn)行一次延遲。延遲結(jié)束后，將自動跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)“0110”。狀態(tài)“0110”中?？傮w時序控制部分將通過SHB輸出控制模塊關(guān)閉SHB通道。同時等待數(shù)據(jù)傳送開始信號START。

2 DSP功能模塊
    DSP功能模塊主要由SMT387模塊完成。本設(shè)計利用TMS320C6415型DSP完成了對回波信號采集數(shù)據(jù)的分析處理，并為前端數(shù)據(jù)模塊提供相應(yīng)計算結(jié)果，使信號采集模塊得以準(zhǔn)確完成對回波信號的有效采集。同時，利用SMT6087的文件操作系統(tǒng)將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FAT32文件系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)格式，并將數(shù)據(jù)存人SATA硬盤中。
    SMT387是一款專門用于數(shù)據(jù)硬盤存儲的DSP功能模塊。其主要特點有：
    1)雙SATA硬盤接口，采用Silicon Image Serial ATALink 3512；
    2)600 MHz工作頻率的TMS320C6415DSP；
    3)Virtex-ⅡPro FPGA；
    4)1組60針的SHB接口；
    5)8 MB的Flash為脫機工作提供配置，其中數(shù)據(jù)傳輸采用的SHB協(xié)議是一種高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其傳輸速率可達(dá)240 MB／s。
    SHB總線由兩組相互獨立的SunDance數(shù)據(jù)總線(SunDance Digital Bus，SDB)單元SDBl和SDB2構(gòu)成，每組SDB單元含有16根數(shù)據(jù)線，3根控制信號線WEN，REQ，ACK和1根時鐘線CLK。每組SDB單元均可獨立地配置為單向收發(fā)或雙向收發(fā)的工作模式。
    在本系統(tǒng)中，采用滑窗檢測的方法對有效回波進(jìn)行檢測?；皺z測器在PRI內(nèi)對N個采樣樣本點求平方和，其檢測變量數(shù)學(xué)表達(dá)式：
   
式中，Gn為檢測變量的初始值；xi，xj為A／D輸出采樣樣本點，i，j=0為單個完整PRI內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的起始點，i，j=M-1為該PRI內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的終止點；M為單個完整PRI內(nèi)采樣點總數(shù)，N為檢測滑窗寬度。當(dāng)Gj超過所設(shè)定門限β(Gj>β)時，則認(rèn)為此時信號有效。
    根據(jù)輸出的噪聲采樣樣本點xi，可計算得到xi的均值、方差和門限：
   
    其檢測具體流程如下圖2所示。

    下面是DSP中的的部分代碼(其中很多函數(shù)是SMT6087操作系統(tǒng)自帶的)：


3 測試結(jié)果
    本系統(tǒng)的主要功能就是檢測有效信號的位置并對有效信號進(jìn)行存儲。測試方案：利用Tektronix AWG420信號源輸出30 MHz中頻，10 MHz帶寬，10 us脈寬的線性調(diào)頻信號模擬實際工作中的線性調(diào)頻信號。PRF為1 kHz，系統(tǒng)采樣率為120 MHz。用示波器(Tektronix TDS505Z)進(jìn)行觀察，信號檢測結(jié)果如圖3所示，圖3(a)無輸入信號，所以沒有有效回波信號，只有數(shù)據(jù)采集窗；由圖3(b)可見，當(dāng)有信號輸入時，開機后數(shù)據(jù)采集窗迅速鎖定有效信號位置，有效信號在采樣窗內(nèi)，說明DSP功能模塊正確地鎖定了信號的有效位置。圖4和圖5是整機現(xiàn)場測試結(jié)果，輸入脈沖壓縮信號。圖4是輸入的I／O信號頻譜，圖5是從硬盤中讀出的信號經(jīng)傅里葉變換后的頻譜，因此本采集存儲系統(tǒng)能夠成功完成數(shù)據(jù)的采集和存儲功能。

4 結(jié)論
    根據(jù)現(xiàn)存的雷達(dá)信號采集存儲系統(tǒng)存在的不能脫機工作、存儲速度不夠快、不便于野外工作的問題，提出了一種新的采集存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則的滑窗檢測算法檢測回波信號中有效信號的位置，達(dá)到只存儲有效信號，大大降低了對存儲速度的要求。該系統(tǒng)還
設(shè)計了一套基于SMT6087操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件，可以不通過計算機直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FAT32格式，大大提高了系統(tǒng)在野外工作的能力。但紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則存在一定漏檢概率，也就是會丟失一些有效信號，使得采集的信號不夠完整。為了提高存儲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)計一套完全不丟失數(shù)據(jù)的采集存儲系統(tǒng)其有重大意義。