光纤接口雷达回波信号存储测试系统 设计方案_光纤介入广域雷达
赞
踩
1基本概述及要求
光纤接口雷达回波信号存储测试系统包括PCIe光纤卡、存储硬盘卡和计算机。存储单元用于外场实验存储现场雷达数据，数据用于实验室分析，并放置在移动测试车上进行实验数据的采集。
光纤接口雷达回波信号存储测试系统，是一套专用于测试雷达回波信号的配套系统。本测试系统是由大量的测试软件、计算机硬件和专用的测试部件组成，具备各种灵活的接口，可以与用户现有信息处理设备顺畅接入。
利用本系统可以实时测试雷达回波数字信号是否正常，也可以将数据实时记录下来，之后通过回放的方式来检查测试，并为详细分析、追踪问题等提供原始和详实的数据，是测试雷达数字接收机部分回波信号的一种重要手段，能够补充普通示波器和频谱分析仪无法提供的功能。
本系统提供的数据录取功能，是一项重要的核心功能，可以根据用户的需求分为多外等级的产品，按照录取速率的要求，主要分为三个级别：2GB/s、4GB/s和8GB/s，三个等级的产品将根据用户的具体需求提供不同的方案。
主要指标：
- 2路 QSFP+光纤输入接口，每路串行速率6.25Gbps*4；
- 存储速度：实时持续存储速度不低于2GB/s;
- 高速盘存储容量：不低于3.2TB;
- 低速转存盘存储容量：不低于2TB;250固态+2TB机械
- 单文件大小：根据需求进行存储；
- 主板计算能力：Xeon处理器，主频不低于3.2GHz；内存不低于16GB；
- 操作系统：windows 7；
- 工作温度范围：0到40摄氏度；
主要硬件如下：
2 PCIE光纤采集模块
图2-1 PCIE光纤采集模块
2.1产品概述
本卡为企业级别板卡，可用于数据中心，安全领域数据采集处理。标准PCI Express全高板，适用于普通服务器、工作站。
2.2接口介绍
图2-2 接口介绍
2.3硬件规格
| 序号 | 类型 | 描述 |
| 1 | 结构尺寸 | 标准PCI Express 全高板，适合于普通服务器、工作站，单板配合标准的全高档条，方便客户固定在PC∕服务器上 |
| 2 | FPGA型号 | XC7K325T-2FFG900I（等级2，工业级） |
| 3 | 内存 | 8个DDR3颗粒，分两组，每组容量2GB; 工作时钟500Mhz |
| 4 | Boot Flash | 总容量 512Mbit |
| 5 | QSF P+接口 | 2个，专门提供给高速传输用户，每个QSFP+总带宽40Gbps |
| 6 | 可编程时钟 | QSFP接口对应的时钟采用可编程时钟 |
| 7 | PCIE 接口 | X8，支持Gen1.0∕Gen1.1∕Gen2.0,每根lane最高高速率5.0 Gbps，符合 PCI Express Gen2.0规范，X8模式，理论带宽高达40 Gbps。 |
| 8 | EEPROM | 容量 4Kbit |
| 9 | 用户按键 | 1个 |
| 10 | LED指示灯 | 4个 |
| 11 | 串口 | USB串口形式，数量1个，最高支持115200波特率 |
| 12 | 单板供电 | 12V(±10%),可使用外置电源；也可以选择PCIe槽位供电，典型功耗15W |
| 13 | 详细说明 | 提供本单板详细说明文档，包含个电路和FPGA对接管脚说明，方便客户进行二次开发（不包含本单板整版的原理图）。如果客户需要原理图，可参考Xilinx官方资料，光盘中已经统一整理。 |
3 PCIE存储硬盘板卡
图3-1 PCIE存储模块
- PCIe 3.0 x8/x4
- 遵循 NVMe 1.2.1 标准
- 企业级数据可靠性保障
- 1.6TB-6.4TB容量
- 3.28/3.1 GB/s顺序读/写带宽, 760K/244K随机读/ 写IOPS (PCIe3.0 x4)
- 4.5/3.14 GB/s顺序读/写带宽, 1000K/244K随机读/ 写IOPS (PCIe3.0 x8)
- 主流操作系统原生驱动支持
- 支持UEFI启动
- 支持热插拔
4 PCIE多插槽主板
图4-1 PCIE多插槽主板
表4-1主板规格要求
| 主板芯片 | |
| 集成芯片 | |
| 主芯片组 | Intel C612 |
| 芯片组描述 | 采用Intel C612芯片组 |
| 显示芯片 | CPU内置显示芯片（需要CPU支持） |
| 网卡芯片 | 板载Intel I210千兆网卡 |
| 处理器规格 | |
| CPU类型 | Intel®Xeon E5-2600 v4†/ v3, E5-1600 v4†/ v3 family |
| CPU插槽 | |
| 内存规格 | |
| 内存类型 | |
| 最大内存容量 | |
| 内存描述 | 支持双通道DDR4 2400†/ 2133/1866/1600 MHz内存 |
| 存储扩展 | |
| PCI-E标准 | |
| PCI-E插槽 | 2×PCI-E X16插槽，2×PCI-E X8插槽,2×PCI-E X4插槽 |
| 存储接口 | |
| I/O接口 | |
| USB接口 | 4×USB3.0接口，8×USB2.0接口 |
| 视频接口 | |
| 电源插口 | 一个8针，一个24针电源接口 |
| 其它接口 | 1×RJ45网络接口 |
| 板型 | |
| 主板板型 | |
| 外形尺寸 | 30.5×24.4cm |
5机箱及其他配件
图4-2 机箱照片
机箱结构照片如上图所示。另外应该配备不低于22英寸的显示，键盘和鼠标等。
6软件设计
6.1 软件工具及开发环境
表6-1软件工具和版本说明
| 软件工具 | 版本 |
| 服务器操作系统 | Windows 7 64bit |
| 应用软件 | VC/QT |
| FPGA开发软件 | Vivado 2017.4 |
6.2 PCIE存储卡FPGA软件
PCIE存储卡FPGA软件的功能主要包括：1）通过QSFP+接口接收雷达回波数据，在板卡大容量存储器中进行缓存；2）将缓存的大容量数据通过PCIE 2.0接口写入CPU外挂的内存，并通过中断或者消息的方式通知CPU读取数据。
6.3雷达回波数据存储
在数据采集存储模式下，实现大批量雷达回波数据的存储功能，要求雷达数据存储路径和文件夹可设，每个数据文件大小可设，数据文件按照特定的规则进行编号。实时存储的速率不低于2GB/s。
在实时处理模式下，能实现处理结果的实时存储。
此系统利用光纤接口与雷达的接收机相接，每4通道为一组配置组合，具有光纤数据的收、发、数据实时监控、存盘、数据后期回放等功能。数据的实时记录功能，可以满足每秒1.6GB的数据记录。实时记录的容量，可以根据客户的要求定制。
实时记录的配置方法，是每4通道为一组，如果为两组的话，实时记录的速率为3.2GB/s。
|
| 数据接收功能：本测试系统可以实时接收来自光纤的数据，可以接收一个特定的通道，也可以同时接收多个通道的数据，可以通过软件界面的选项来选择接收方式。 本系统最多可以同时接收16个通道的光纤数据，并且实时显示。再增加通道需要根据需求再次定置。 数据发送功能：本系统可以通过选择不同的发送控制文件做为数据源来发送不同的数据，可以一次发送一个通道，也可以一次发送多个通道，可以通过软件界面的选项来选择发送方式。 发送的数据可以来自于自身的采集数据，也可以来自外部送来的数据。 |
提供灵活可靠的实时监控功能
实时监控功能，是本系统的一个重要的功能。通过这个功能，可以直观的判断回波信号是否有问题。数据实时监控功能提供了一个友好的用户界面，本软件可以同时实时监控并显示几个光纤通道的数据，通过软件来切换光纤通道。信号的监控以数据帧作为基本单位，来监控并显示数据的特征。这些特征包括显示信号延时、信噪比等基本参数。这些参数的取得，采用了权威的算法，并与标准的仪器测试结果相一致。
实时监控功能，可以在视窗里显示时域和频域信号。在显示时域波形图时，可以分别显示出I路和Q路信号。
针对测试的信号，系统也可以显示它的功率谱。
强大和丰富的信号处理功能
勿庸置疑，本系统具备很强的信号处理的功能，这些信号处理的能力，依赖于系统中信息采集部件和计算机系统，还有大量的信号处理软件。
|
回波信号的重要参数
无论是显示时域信号和还是显示频域信号，都会显示关于这个特定信号的重要参数。
这些参数对于测试工程师来说十分重要，回波信号的性能指标主要有：信噪比（SNR）、满量程信噪比（SNRFS）、信纳比（SINAD）、无杂散动态范围（SFDR）、总谐波失真（THD）、最差杂散（WoSpur）、噪底（Noise_Floor）、基波幅度、2-6次谐波幅度和有效位（ENOB）。在下面以列表的形式显示出每一帧数据中各个数据包相对于基准脉冲的延时。 |
|
对信号进行实时处理时，需要进行大量参数的配置，需要设置信号的采样频率参数、设置实际信号的频率、有效的数据位数（最大为16位）、ADC的满量程幅度、原码/补码、要显示及运算的数据的起始点、要显示及运算的数据的点数（FFT的点数,起始点加上点数不能大于“当前帧总点数”里显示的值)、光纤通道选择信号数选择（表明每个光纤通道有多少路信号）、第几路信号（要显示及运算的是哪一路信号）、信号类型（每一路信号是单路ADC信号还是IQ两路信号）、时\频域选择（可以选择显示时域还是频域）等操作。
本系统还可以增加更多的信号处理的功能，需要用户在使用前进行定制。本系统中提供了大门数的FPGA芯片，可以帮助计算机系统更迅速地处理数据。同时配备丰富的软件，来帮助用户显示优美的界面。
|
| 加窗配置 当信号进行显示时，本系统还提供“加窗”功能，在“加窗设置”界面中，用户可选择的窗函数有汉宁窗、3阶Blackman窗、7阶Blackman-Harris窗以及不加窗。
|
强大的接入能力
本系统可以采用多种工作频率的光纤接口与雷达的数字接收机对接，从而实现数据的采集。本系统的数据采集部件，采用功能强大的FPGA来实现，光纤通信的工作频率可以灵活配置，主要可以提供2Gbps、2.5Gbps、4Gbps、5Gbps、10Gbps或3.125Gbps、6.25Gbps。光纤接口的工作频率可以通过软件进行设置和切换。
光纤接口采用标准的SFP接口，可以接入850Nm（多模）或 1300Nm（单模）的光纤收发器。
由于采集的是雷达回波的数字信号，采集的时候，与雷达的脉冲信号有很强的相关性，所以在使用设备之前，需要进行工作时钟等的配置。
本系统工作的时候，可选内部或外部时钟，即光纤采集卡系统工作时钟选择，内部时钟频率默认为固定的125M，即默认内部时钟周期为固定8ns。外部时钟指从高速光纤测试设备机箱外部SMA连接件“时钟”端接入的时钟。一般情况下，是外部的雷达系统提供的时钟来源。
除了选择工作时钟之外，还需要进行定时器的选则。
本系统同样提供了内/外定时选择，即光纤上传输的数据帧帧同步脉冲选择。一个同步脉冲代表完整的一帧数据开始，连续两个同步脉冲之间的数据表示完整的一帧数据。选择内部定时表示通过内部的定时器分频得到同步脉冲，该同步脉冲具体的频率通过“定时参数设置”来配置。选择外部定时表示同步脉冲通过高速光纤测试设备机箱外部SMA连接件“备份”端接入的同步脉冲。
|
|
除了以上方式选则脉冲信号，本系统还提供更多的方式来选择输入脉冲信号。 脉冲输入选择包括两种方式，即帧同步脉冲外部输入选择，分别是SMA输入、控制端输入，SMA输入指通过Testar-7003型高速光纤测试设备机箱外部SMA连接件“备份”端输入同步脉冲。控制端输入指通过高速光纤测试设备机箱外部“IO接口”端输入同步脉冲。 本系统的“IO接口”端，提供了两种类型的输入方式，分别有单端、差分类型。 配置输入脉冲，需要进行定时参数设置，即内部帧同步脉冲相关参数设置，包括同步脉冲的周期、脉宽等。设置的单位分别有Clock、K Clock、M Clock，1Clock表示周期为8ns，1KClock表示1024×8ns=8192ns，1MClock表示1024×1KClock=8388608ns。
|
强大数据记录与检索功能
本系统具备强大的实时数据记录功能。
本系统的数据采集部件，提供三种不同形式的光纤数据采集卡，分别为四通道光纤采集卡、八通道光纤采集卡和12通道光纤采集卡。分别提供三个等级的数据录取能力。
数据录取的功能，需要通过NVME的高速SSD来实现。不同等级的存储，SSD的配置方法各自不相同。
灵活的使用
本系统提供了智能的数据管理功能，可以管理数据进行记录的起始时间，也可以配置数据从前向后覆盖的原则；并提供警示信息。这个功能十分有用，测试工程师可以利用此功能进行无人值守的管理。如果一个光纤通道的流量在每秒钟200MB左右，硬盘组的容量是8T的话，测试人员可以配置一个通道全程进行数据记录，能够满足10小时左右的无人值班时间，第二天可以将采集的数据交给分析人员进行分析。
本系统也支持多个数据采集部件，目前经过测试的是支持四个数据采集部件。每组采集部件都可以携带大容量的固态盘工作。
数据记录的功能利用FPGA实现的，不占用CPU的资源，所以，不会对计算机进行信号处理的能力产生明显的影响。
数据检索功能
软件提供了简单的数据检索的功能，方便测试人员找到这些数据进行分析。数据记录文件默认的扩展名是“*.dat”，文件的格式是二进制原始数据格式。单通道和多通道的帧格式略有不同，单通道记录的是基本的包含帧头的数据帧，多通道记录是将每个通道的单个帧按字合并后的复合帧。
数据导出功能
提供方便的数据导出功能，为其他设备进行测试提供方便。可以通过网口或其他方法来实现。
系统扩展功能
本系统提供了CVI的标准接口程序，可以与用户的其他测试程序接入。
