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作者：耿樹巧翟剛毅單位：中國船舶重工集團公司第七二四研究所

硬件設計主要包括FPGA內部模塊設計、A/D變換器設計、時鐘分配設計等等。內部模塊設計。在整個雷達高速數據采集系統中，FPGA部分所負責的工作是對雷達信號進行數據的預處理，其需要完成如下的工作:(1)控制AD芯片工作;(2)完成格式的轉換，將視頻信號由負極性轉變為正極性;(3)將AD芯片采集到的視頻信號進行調理解調，正確調理出雷達視頻信號、方位和觸發信號，并將其按合適的格式存儲;(4)控制光模塊和PCI-Express模塊工作，將視頻信號與相對應的方位信號組合，及時將組合后的信號送給光模塊和PCI-Express模塊中。信號調理電路設計。在本系統的設計中采用差分運算放大器AD8138來對ADC輸入的混合視頻信號進行信號調理。差分輸出運算放大器AD8138可用于ADC的輸入驅動器，實現ADC在直流耦合中的應用，其在輸入信號頻率達到30MHz時仍能保持高性能的SNR。同時，該芯片能夠實現輸入信號單端到差分變換，為ADC應用提供了一種低成本的選擇。在本系統的電路設計中，AD8138的輸入端接一個50Ω的電阻實現與收發機輸出的匹配。由于收發機送出的方位起始信號、方位信號和視頻信號均為負值，所以將該混合雷達視頻信號接AD8138的負輸入端，這樣實現了視頻信號極性的翻轉，從而方便后續作進一步處理。A/D變換器設計。對雷達回波信號進行實時采集是雷達信號數字化處理的前提和基礎。對于常規脈沖雷達來說，假設它的發射脈沖寬度為τ，則在雷達接收機中中頻放大器的帶寬應為τ－1。由采樣定理可以確定，為了不引起失真，采樣頻率fs應滿足fs＞2τ－1。通過對某雷達的資料可知雷達的脈沖寬度為60(短脈沖)、250(中脈沖)、800ns(長脈沖)(可調)，帶寬為短脈沖(16～20MHz)、中脈沖(4～5MHz)、長脈沖(1．5～2．0MHz)。由采樣定理可知，選用A/D器件的采樣頻率應該至少大于兩倍的信號帶寬，實際中采樣頻率最好為信號帶寬的3～4倍。因此，選擇采樣頻率為80MHz、精度為12bits的AD9432芯片用于對雷達回波進行模數轉換。解復用模塊的設計。雷達輸入混合信號的方位起始信號為－4V脈寬5μs的脈沖，串行方位信號為－2V脈寬5μs的脈沖串，主觸發信號為+3V脈寬2μs的脈沖，模擬視頻為0～－2V的模擬信號，輸入信號共兩路，為兩個雷達收發機的輸出。雷達輸入的混合信號如圖2所示。在A/D設計中，將輸入的混合信號全部轉換為正信號，將雷達視頻量化值大于4000的判定為方位起始信號，量化值在1500～3500的判定為串行方位信號。其中，串行方位信號共16位，即量化值大于2500的判定為‘1’，小于2500的判定為‘0’，量化值小于1000的判定為主觸發信號，主觸發信號后的信號為雷達視頻信號。這樣就通過編程調理解調出雷達視頻信號、方位和觸發信號。光纖模塊的設計。將解復用后的數字雷達視頻信號與相對應的方位信號通過高速數據收發RocketI/O模塊實時傳輸給光模塊。在調試過程中，利用光模塊的收發功能實現與采集器互連:將A/D變換后的混合雷達視頻通過光模塊送入采集器中，利用采集器的回放功能將打包后混合雷達數字視頻通過光模塊送給FPGA模塊;FPGA通過解包和處理，將該視頻信號與相對應的方位信號通過PCI-Express總線送給CPU進一步信號處理，從而實現系統的回放功能。PCI-Express模塊的設計。將解復用后的雷達視頻信號與相對應的方位信號通過PCI-Express總線傳輸到CPU模塊的內存中，在CPU中作后續的實時雷達信號處理。PCI-Express在傳輸信息時有以下優點:(1)80MHz12bits采集時，可以做到雷達視頻的實時傳輸;(2)滿足傳輸VTS信息的數據容量和帶寬的要求。

利用Matlab2008對采集的數據進行仿真設計，其方位碼如圖3所示，視頻如圖4所示。其中，采樣頻率為80MHz，幅度量化為12bits，方位量化采用13bits量化，距離范圍為30nmile，滿足船舶交通管理系統信息采集的要求。本文分析了船舶交通管理系統信息采集的設計方法，并采用Matlab對采集的數據進行了仿真分析。實際的使用結果表明，該系統具有實時性好、視頻采集的準確率和穩定性高的特點，大大提高了港口管理的智能化程度。