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張福貴，成都信息工程學院
2013年1月22日 北京訊 作為雷達系統的重要組成，傳統的天氣雷達接收機主要采用瞬時自動增益控制擴展動態范圍，利用模擬I、Q解調器對信號進行模擬解調，對接收機硬件依賴性強，信號適應能力差，而軟件無線電技術的出現導致了無線電接收機的革新。隨著器件水平的迅速發展，作為軟件無線電的重要內容，數字接收機日益成熟并已經在雷達、電子戰和通訊接收機中普遍應用。
軟件無線電最終目標是將模數轉換器件(ADC) 緊接在電臺天線,直接在信號射頻進行采樣,將模擬信號轉換成數字信號,射頻以下其他的所有處理功能全部采用軟件模塊來實現。當前，數字接收機在氣象雷達中已經得到較大范圍的推廣，實際運行效果顯著，其優勢主要表現在體積變小、成本降低、系統復雜程度降低，表現突出的是靈敏度和動態范圍性能有較大提升。
這些數字接收機基本上采用如圖1設計框圖，主要由三大部分構成，即高性能模數轉換（采集）、超大規模可編程邏輯器件實現數字變頻功能和數據傳輸。這類設計不足之處在于，每個環節都需要精心設計，導致整個設計周期過長或系統過于復雜，尋找一種高集成度數據采集平臺以簡化設計無疑成為亟待解決的問題。
圖1 通用數字接收機框圖
凌華PCI-9846H高速數字化儀，可提供高精度、低噪音及高動態范圍性能，高密度且高精準度，那么基于該板卡特點，是否可以成功設計出一種風廓線雷達數字中頻接收機，從而簡化數字接收機的冗長、繁瑣且易出錯的設計研制工作呢？
簡化系統的機會
結合某型風廓線雷達系統參數特點，中頻頻點為50MHz,帶寬為5MHz，數字中頻接收機采用基于多相濾波的數字正交變換方法。該方法不僅不需要正交本振，且后續的數字濾波器階數可以很低，實現起來簡單。對ADC的數據進行直接下變頻，ADC采樣后數字信號經過兩路分離處理后，通過半帶濾波、降速率、數字濾波最終得到兩路正交的雷達基數據輸出。
分析PCI-9846H高速數字化儀資源及結構特點，為驗證系統的可行性，設計按圖2搭建系統仿真平臺。
圖2 數字中頻接收機驗證平臺
為方便描述操作過程，將按如下步驟進行：
（1） 將PCI-9846板卡插入PC機的PCI槽中。啟動電腦，裝入凌華科技提供的技術資料光盤，將建立系統必須的驅動和相關開發工具安裝完畢。
（2） 將外部信號源設置兩路全相參輸出，模擬雷達提供的中頻和采樣時鐘，一路設置為40MHz作為板卡外部時鐘使用，接入板卡的“CLK IN”端，另一路設置為50MHz作為中頻輸入，接入PCI-9846的4個輸入通道中一路CH0。
（3） 凌華科技在軟件支持部分也投入大量的精力。針對 PCI-9816/9826/9846 的軟件解決方案，凌華科技提供了傳統的WD-DASK 與任務導向型的 DAQPilot 驅動程序與開發鏈接庫。打開LabVIEW軟件，找到控件ADLink DAQpilot。
（4） 設置ADLink DAQpilot，使用0號通道，幅值范圍±1V，選擇外部時鐘。
（5） 將ADC輸出按圖2進行下變頻操作，圖6為下變頻中的IQ分離部分。
圖3 IQ分離
（6） 根據設計者的設計習慣，為了便于數據分析，在LabVIEW中對每級數據進行存儲，并使用MATLAB進行深層次的分析。
經過上述簡單快捷的系統仿真模型搭建，下面即可對系統進行仿真、驗證。
（1） PCI-9846H的通道1ADC數據分析。經驗證分析，PCI-9846H板工作在40MHz外部時鐘時數據采集正常，因使用的是欠采樣（帶通采樣），信噪比相對而言會有所損失。
（2） 通過在LabVIEW環境中快速的搭建數字下變頻系統， 50.3MHz的中頻輸入信號，經過變頻，降速率后得到雷達4MHz帶寬下的IQ基數據。結果顯示系統實現了數字下變頻的功能，通過該部分的實驗證明了使用凌華科技的PCI-9846H板卡可以實現某型雷達數字中頻系統設計需要。使用該板卡和相關的軟件工具產品，大大簡化了系統設計的復雜度，縮短了產品開發前的研發周期。
進入雷達系統
通過上節的建模、仿真、驗證，可以看出系統可將PCI-9846H運用與雷達系統中，系統構架框圖如圖4所示。直接將板卡插入雷達終端機中，將雷達中頻信號、來自頻綜的相參時鐘信號以及其他觸發信號接入板卡相關接口。系統簡化了以往數字中頻接收機，省去了外部電源、節約了外部空間以及其他數據連接等考慮。系統直接將PCI-9846H來的數據通過PCI訪問進行變頻、產品顯示。
圖4 數字接收機系統框圖
按如圖4所示將系統組裝完成后，為驗證雷達系統工作正常，從雷達射頻前端灌入信號，下面是系統工作時測量的情況。
（1） 系統中頻輸出為50.05MHz,功率為+5dBm時最終IQ時域數據輸出。
主要是檢查輸出IQ信號的功率穩定性和相位穩定性。從實際功率計數錯誤次數和相位錯誤計數都為0可以看出，通過PCI-9846H板卡設計的數字下變頻幅度一致性和相位穩定性上基本符合要求。
（2） 系統中頻輸出為50MHz+70Hz頻偏,中頻輸入功率為-40dBm。風廓線各個波束的功率譜顯示。因為雷達工作頻點為1290MHz,根據相關計算公式，若輸入70Hz頻偏則目標測得值應該為8.13m/s，從圖5可以看出，測出的風速為8.0m/s,與上式計算值吻合，其中差值為風廓線雷達時域相參積累、譜平均次數誤差導致。滿足設計要求。
圖5 風廓線雷達測風性能驗證
凌華科技PCI-9846H板卡，集成了豐富的硬件及其他開發資源，無論使用者的使用何種開發平臺，如Visual Studio、Borl C++ Builder、Delphi或者是LabVIEW，均可通過DAQPilot所提供的交互式接口，快速完成程序的設計與應用。使用該板卡可以方便快捷的進行前期的方案驗證，加快了某型風廓線雷達數字中頻接收機研制的進度，經實際系統使用，證明該板可以勝任數字中頻接收機設計需要。
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