基于PCIe总线的超高速信号采集卡的设计

　　在雷达对抗系统中，需要对于雷达信号进行实时测频，并可以对感兴趣的信号进行储频，为假目标欺骗干扰或压制干扰提供测频结果和储频数据。而数字测频是当今发展最快的测频技术之一。数字测频、储频的关键技术之一即是超高速、高精度、不间断的信号采集技术。采样速率和精度的不断提高，使得数据传输和存储越来越成为数据采集系统的技术瓶颈。目前大部分高性能数据采集卡都是基于PCI、CPCI、VME等总线，最高持续传输速率难以超过400 MB/s，因此大多数采集卡采用采集和存储分时工作的模式，即在板内设有一定容量的存储器，当存储器存储数据到一定量时，停止采集而开始上传数据，上传完毕后再重新启动采集，不断循环，文献也提出采集传输的流水工作模式，提高采集的效率。这些工作方式虽然也能满足大部分数据采集的要求，但是在信号非常密集的环境中，交替工作模式将导致侦察截获概率降低，带来干扰的效能下降。基于上述原因，本文论述了一种基于PCIe总线的数据采集卡，该采集卡不但可以达到800 MHz/s采样率、14 bit采样精度，还具有不间断采集、实时上传的能力(在测频只取其中8位分辨力，储频时取14位分辨力，根据系统的总数据量可编程)。该采集卡可以与高速信号处理器配合使用，构成信道化的数字测频、储频系统，双信道系统的组成示意图见图l。

　　1 系统总体设计

　　本采集卡的设计主要包括超高速A/D转换器模块、时钟产生模块、大容量存储器模块和基于FPGA的控制模块。如图2所示，待采集的模拟信号经过信号调理放大到合适的电平范围，送入到两片工作于交叉采样模式的A/D转换器，转化后数字信号直接送至FPGA控制器，在FPGA内部实现信号电平转换数据缓冲后，首先存储于A路动态存储器中，当A路存储器存满后，数据立即转存于B路存储器，同时启动数据上传操作，将A路存储器的数据通过DMA方式上传至主机存储或传输到信号处理板中;当B路存储器存满后，数据存储立即切换至A路存储器，同时也启动B路存储器的上传操作，如此反复循环。由于PCIe接口传输速率大于信号采集速率，因此可以保证数据的不丢失。

　　2 双路高速高精度A/D转换器设计

　　高速A/D转换器模块是采集卡工作的最前端，它的设计优劣将决定着采集卡的性能指标。其中信号调理部分的功能就是在保证待测信号不失真的前提下，对输入的信号进行低噪声放大、滤波等处理。由于待采集的信号为高频信号，需要进行阻抗匹配和前置放大，可以选用低失真的有源放大器或射频变压器。有源放大器的优点是输入动态范围大，在一定带宽内增益可调，缺点是有源设计会引入一定噪声;射频变压器的优点是无源设计、带宽相对高，缺点是增益固定不可调，输入信号的幅度受到限制，并且给系统带来插入损耗。综合考虑系统设计指标要求，本系统选用TI公司的THS4509放大器作为信号调理器件，该运放具有非常好的宽带特性，增益设置为10 dB时，-3 dB带宽达l900 MH-z，单电源供电以及输出共模电压可调的特性使得THS4509非常适合于高性能的信号采集系统中;考虑到目前市场上难以得到单片A/D转换器可以达到800 MHz/s采样率和14 bit分辨率的设计指标，因此采用了两片ADS5474作为本采集卡的A/D转换器，该A/D转换器的最高采样率为400MHz/s，14 bit的分辨率，-3 dB带宽达l 400 MHz，LVDS电平的信号输出可以直接连接至FPGA处理器，方便了系统设计，两片ADS5474 工作于交叉采样模式，达到了等效于800 MHz/s的采样效果。