二次雷达射频脉冲信号时序记录系统

李宝鹏，王守权，高伟亮，张凯旋

（海军航空大学 青岛校区，青岛266041）

二次雷达在民用上主要用于空中交通管制ATC 系统，获取目标的高度、批号；在军事上主要用于敌我识别IFF 系统，获取目标的“敌我”属性信息[1]。二次雷达采用“一问一答”方式，通过询问机发射询问脉冲和应答机发回应答脉冲来获取目标的相关信息。二次雷达询问机与应答机之间进行信息交互协同，询问脉冲与应答脉冲必须满足严格码型要求和时序关系[2]。因此，二次雷达在日常测试维护中，必须对信号链路周期内询问信号、应答信号的时序（脉冲串发生时间）进行测试分析。

针对二次雷达射频脉冲信号时序测试项目需求，设计研制了二次雷达询问/应答射频脉冲时序数据记录装置（简称“信号时序记录系统”），可以采集二次雷达询问/应答脉冲串发生时刻，并进行“值守式”记录存储，可提供人机交互和记录时序数据导出功能，为二次雷达的日常检测、现场验证和事后分析提供有效的技术支撑手段。

1 信号时序记录系统功能

以采集应答机射频脉冲信号为例，如图1 所示。时序记录系统，通过功分器采集应答机天线接收的询问射频脉冲信号和经过信号处理后天线发射的应答射频脉冲信号，然后对射频脉冲进行采集并打上时间戳进行记录。

图1 系统与应答机交联关系Fig.1 Cross-linking relationship between system and transponder

系统功能具体如下：

1）记录询问和应答事件发生次数及时刻。通过记录询问信号和应答信号脉冲以及发生时刻，判断脉冲串码型，获取询问和应答时间的时刻及次数，时间精确到纳秒级。

2）目标信号值守式存储记录。有目标脉冲才进行记录，其它时间不记录，可节省系统存储空间。存储容量为128 GB，持续记录时间大于3 个月。

3）数据导出功能。记录数据结果可以通过USB接口导出，用于事后分析和处理。

4）支持网络通讯，可以对地面监测站系统进行远程控制，网口为10 M/100 Mbit·s-1自适应接口。

5）人机交互功能，可以对记录信号的筛选条件，如脉冲幅度、脉冲间隔、脉冲串宽度等进行设置。可以显示回放记录应答事件及其对应的射频脉冲波形。

2 系统设计

2.1 总体架构

信号时序记录系统总体设计方案如图2 所示。系统主要由AD 采集模块、 主控制器模块、GPS 模块、存储单元、人机交互面板等五大模块组成。

图2 信号时序记录系统功能框架Fig.2 Functional framework of signal timing recording system

各部分功能如下：

AD 采集模块用于采集应答机输出的射频脉冲信号，以获取询问和应答事件。AD 采集模块设计2 个独立采样通道分别对询问和应答脉冲检波信号进行采集，并通过内置GPS 授时的高精度计时器给采集数据提供精确的时间戳信息，并利用直接存储器访问DMA（direct memory access）技术把A/D 转换数据直接写入主控制器内存。

主控制器模块是数据记录系统的控制核心，负责对各类数据进行融合和记录。主要与应答机进行通讯，处理采集到的脉冲信号（询问/应答事件），并为这些事件增加时间戳信息，以及处理以太网通信，协调人机交互控制等。其内部集成了存储单元用于对数据进行有效保存；外部通过CPCI（PCIe）总线与GPS 模块、AD 模块交互以获取位置、时钟信息，以及询问、应答脉冲。

GPS 模块为系统提供准确的时间数据，为采样数据标定时间戳提供精确时间，同时提供系统当前地理位置信息。

存储单元负责安全、高速、可靠的存储数据信息。

人机交互面板包括显示器和键盘，用于现场控制及应答事件显示，系统控制参数的输入等。

该系统采用监守式对数据进行采集，当接收到脉冲信号时，首先提取脉冲幅度和脉冲宽度等特征参数，对信号类型进行筛选判断，当符合询问/应答信号的特征要求时，才进行后续数据采集存储处理。这种实现方式。系统信号处理工作流程如图3 所示，具体如下：

步骤1设备启动后，对数据接口接收的信号进行检波，提取脉冲的幅度和脉宽等参数；

步骤2检波信号经AD 转换成数字信号，并交由FPGA 数据处理模块进行信号类型判断处理；

步骤3当脉冲参数不符合筛选特征时剔除数据，重复步骤1；

步骤4当脉冲参数符合筛选特征时，保留数据进行采集，FPGA 将为所有的采样数据标定一个时间戳，采集到的原始数据都将被封装成具有时间信息的数据帧；

步骤5具有时间戳信息的数据帧会按照FIFO（first-in first-out）的顺序，经过CPCI 总线传输到主控制器，主控制器会将数据进行结构化之后写入存储单元执行存储。

图3 系统信号处理工作流程Fig.3 System signal processing flow chart

这种实现方式下，可以进行灵活的筛选条件设置，在很大程度上增强数据记录的有效性、灵活性，以适应不同类型询问/应答脉冲信号的采集，同时节省了数据存储空间。一般采用门限值进行筛选，也可根据需求启用简单的特征比较进行筛选。不同的设定将为最终的数据记录结果带来不同的影响。

2.2 硬件设计

系统硬件交联关系如图4 所示。主控器选用型号UFO6388 货架产品，内置Intel I5 四核处理器，主频为2．1 GHz 搭载2 GB 及以上内存，板载10 M/100 M/1000 Mbit·s-1自适应以太网接口及其它常用接口。内置的存储单元采用电子固态硬盘，读取速度达到400 MB/s，写盘速度可达90 MB/s，完全满足记录和导出的要求[3-4]。

图4 系统硬件模块交联关系Fig.4 Cross-linking relationship between system hardware modules

GPS 模块采用U-blox NEO-M8T 高精度精密授时模块，内部接收机完成信号处理后通过UART 总线和中断为系统提供定位、时间以及1PPS 脉冲信息，模块与FPGA 系统主要有两部分通信，一部分是通过UART 读取实时时间和位置信息，另一部分为Time-pulse 接口，通过0．25 Hz～40 MHz 脉冲进行时间校正以及精确计时。

AD 模块为系统独立设计模块，其硬件结构框架如图5 所示。

图中，主芯片采用Altera FPGA（型号EP4CGX75 CF23I7N），负责数字信号获取、标记及传输。在通信方式上，除PCIe 部分需要FPGA 内部专用接口采用DMA 方式传输外，其余接口均为通用IO[5-6]。电源采用四通道BUCK 芯片（型号ADP5054），4．5～15 V 宽范围输入，250 kHz～2 MHz 开关频率可设，低噪声，输出时序可控。考虑到杂波及抗干扰与阻抗匹配，在前端将AD8065 放大器作为调理滤波电路，同时也对AD 芯片端口起到基本防护作用。AD 部分将选用使用AD9226，采用通用并行数据接口，具有12 位精度，采样率60 MS/s。上位机主要包含采集卡驱动、接口调用函数、调试操作界面等3 个模块。驱动层为内部接口，负责完成板卡与PC 系统之间基础通信，PC则可对板卡实时相关指令控制以及采集数据读取。

3 软件设计

系统软件从功能架构划分了4 个模块，分别为系统管理和交互模块、AD 数据处理模块、位置信息处理模块、数据管理模块。其中，系统管理和交互模块是整个系统的主控模块，同时还通过以太网接口对外提供交互。系统软件结构如图6 所示。

图5 AD 模块硬件框架Fig.5 AD module hardware framework

图6 软件结构Fig.6 Software structure

1）系统管理和交互模块 负责整个系统的调度和控制，其主要由4 个子模块组成。①主控模块，负责整个系统的控制，其运行流程如图7 所示。该模块在完成系统的启动和初始化工作后，长期阻塞在事件循环（Eventloop）中，等待并处理用户交互权限、操作系统事件、功能模块状态、启停处理各类控制事件[7]。②事务接口模块，作为整个系统的外部通信接口，以网络服务器的形式为用户提供数据导出、系统控制等交互服务。同时，它也是主控模块的控制接口，用来下达各类控制指令，此外该模块还负责人机交互。③事务处理模块，与各个功能模块进行交互，协调各功能模块具体处理事务请求。事务接口模块与事务处理模块共同构成一个并发服务器模型，两个模块中后者在结构上是一个事务处理线程池，而前者负责快速分类和响应各项事务请求。④系统管理模块，负责对计算机系统产生交互，完成系统管理的相关工作。

图7 主控模块的流程Fig.7 Flow chart of main control module

2）AD 数据处理模块 负责处理从应答机获取的询问脉冲和应答脉冲数据，用于AD 调度控制模块设备控制和功能调度，并对原始数据进行条件筛选。该模块分为前半部和后半部2 个部分：AD 事件处理前半部模块，具有应用软件系统内部最高的执行优先级，其主要作用是等待AD 采样通知的达到，并立即推送至缓存管道；AD 事件处理后半部模块则按一般优先级，（在稍后） 通过FIFO 管道获取前半部生成的数据送达信息，并以三级流水线方式分步对数据进行读取、预处理、标记及结构化等工作，最后将采集数据推送给数据管理模块。

3）位置信息处理模块 主要负责系统时钟和位置信息获取和维护等功能。其中，控制模块一方面负责外部设备控制，另一方面控制协调内部各相关子模块的运行；位置信息维护模块和位置信息获取模块协同完成位置信息的获取和刷新，并以“读优先”Cache 的形式提供最新的位置信息获取接口。

4）数据管理模块 负责数据的存储、导出，以及数据库的管理。其底层的数据库操作模块为其它功能模块提供同步的操作支持，数据存储模块和数据提取模块则分别负责具体的存储和导出操作，数据服务控制模块对其它模块进行控制调度。

4 系统测试

4.1 脉冲信号采集测试

采用信号注入法使用同轴线缆连接信号源和应答脉冲采集接口，信号源产生幅值范围为3 V，宽度为10 μs 的脉冲信号。系统采集信号筛选条件设置为幅值3.5～4 V，脉宽9～11 μs。系统采集得到的射频脉冲显示画面如图8 所示，采集结果与信号源设置信号参数完全一致。

图8 系统采集脉冲显示界面Fig.8 System acquisition pulse display interface

4.2 脉冲信号时序记录测试

利用图1 所示交联关系，连接信号时序记录系统与应答脉冲模拟器，使应答脉冲模拟器发射100个应答脉冲串信号，设置系统采集信号筛选条件为幅值0.2～5 V，脉宽20～22 μs。系统采集到应答脉冲信号为100 次，采集脉冲时序部分原始数据见表1。

表1 系统采集脉冲时序数据Tab.1 Pulse time sequence data collected by system

表中，离散水平discreteLevel 一列的“1”表示脉冲上升沿，“0”表示脉冲下降沿。由表可知该系统所记录的脉冲时序非常精确。

5 结语

针对二次雷达信号测试需求，设计研制了一种二次雷达询问/应答射频脉冲时序记录系统，系统可以记录射频脉冲的发生时序，帮助检查二次雷达信号链路的时序关系是否正确。目前该系统已在某型二次雷达系统性能测试外场试验中得到应用，系统采集数据速度快、精确高，对目标信号捕捉的概率可达到100%。通过更改系统的信号筛选条件，该系统可以应用于其他类型射频脉冲信号时序记录，具有一定的推广应用价值。