摘 要： 针对我国新一代天气雷达站技术保障的现状，介绍一种新型的天气雷达接收机动态范围测试集成系统，其包括数/模转化器、数字下变频处理模块和VPX总线接口（VPX为交叉连接设备）。通过实际工作将传统的测试方法和仪器与新型集成测试系统相比，新型天气雷达接收机动态范围检测系统具有以下优点：采用高速高精度A/D采样，全数字化处理，动态范围结果判别采用优化算法，提高了接收机动态范围测试结果的准确性；接收机动态范围测试采用一键式测量，只需点击终端软件测试按钮，程序自动完成动态范围测试，避免了人为误差的同时也提高了测试效率；测试完成后直接生成测试报告并参照大量雷达测试、检修人员的经验数据，结合雷达系统结构对测试中不合格项产生的原因进行简要剖析，给出检修建议，方便操作人员快速修复雷达故障。该系统带来的有益效果为：采用VPX总线，可靠性好；全数字化处理、精度高、稳定性好；全自动测试流程，无需人工干预。
关键词： 天气雷达接收机； 动态范围测试； VPX总线； 集成测试系统； 一键式测量； 全数字化处理
中图分类号： TN95⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）18⁃0080⁃04
A new dynamic range integrated testing system for weather radar receiver
ZHANG Fugui1，2， HE Jianxin1
（1. Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China； 2. CMA Meteorological Observation Centre， Beijing 100086， China）
Abstract： In view of the current technical guarantee status of the new generation weather radar station in China， a new integrated system for dynamic range testing of the weather radar receiver is proposed. The system is composed of the digital⁃analog converter （ADC）， digital variable⁃frequency processing module， and VPX （cross connection device） bus interface. The traditional testing method and instruments are compared with the new integrated testing system in practical work， and the new dynamic range detection system for the weather radar receiver has a lot of advantages： high⁃speed high⁃precision A/D sampling， all⁃digital processing and the optimization algorithm with dynamic range result judgment， which can improve the accuracy of dynamic range testing results of the receiver. One⁃button measurement is adopted in the dynamic range testing of the receiver， that is， just click on the testing button of terminal software， and the dynamic range testing will be automatically completed by means of the program， which can not only avoid human error but also improve testing efficiency. The testing report is directly generated after completion of the testing. With reference to the experience data of the maintenance personnel and a great quantity of radar tests， brief reason analysis of unqualified items generated during the test is performed， combining with the structure of the radar system. Maintenance suggestions are given so that the operation personnel can quickly repair radar faults. The system has good reliability by using the VPX bus， high precision and good stability by using all?digital processing， and needs no manual intervention by using the whole automatic test process.
Keywords： weather radar receiver； dynamic range testing； VPX bus； integrated testing system； one⁃button measurement； all⁃digital processing
0 引 言
目前，雷达接收机动态范围表征了接收机对微弱信号的无失真还原能力，通常用1 dB增益压缩点的动态范围来表征接收机的动态范围。1 dB增益压缩点动态范围的定义为：当接收机的输出功率大到产生1 dB增益压缩时，输入信号的功率与可检测的最小信号或等效噪声功率之比。气象雷达接收机系统的动态范围表示接收系统能够正常工作容许的输入信号的强度范围，信号太弱，无法检测到信号，信号太强接收机系统会发生饱和过载；传统天气雷达动态范围的测量采用机内信号源或者机外信号源从接收机前端注入，由Rdasot软件自动获取A/D输出的功率dB或反射率dBZ，通过改变信号源的输出功率，测量接收机系统的输入/输出特性[1]。根据输入/输出数据，采用最小二乘法进行拟合，由实测曲线于拟合直线对应点的输出数据差值（≤1.0 dB）来确定接收机系统的低端下拐点和高端上拐点（饱和点），上拐点和下拐点所对应的输入信号功率的差值即为接收系统的动态范围[1⁃2]。新一代天气雷达的指标要求：拟合直线斜率：1[±]0.015；拟合均方根误差≤0.5；动态范围≥85 dB。
1 传统天气雷达接收机动态范围测试与不足
传统天气雷达接收机动态范围测试有机内信号源测试和机外信号源测试两种方法。机内信号源测试采用频率源作为测试信号源，通过控制标定单元内部的数控衰减器改变进入接收机的信号功率，根据信号处理输出值测得接收机的动态范围[3]。常用的机外信号源测试方法是使用外部信号源注入射频信号到接收机前端，记錄接收机的输出功率，从而测得接收机的动态范围。
1.1 机内信号源测试与不足
机内信号源测试：采用雷达系统中的频率源输出的测试射频信号作为测试信号源；控制标定单元的十位开关和射频数控衰减器，测试信号经过十位开关和数控衰减器后进入接收机；通过调整数控衰减器的步进衰减量来设置进入接收机的测试信号功率。从信号处理终端测得接收机输出功率，得到1 dB压缩点，从而测到接收机的动态范围。测试信号流程图如图1传统机内信号源测试信号流程所示。
使用机内信号源测试接收机动态范围存在以下不足：采用雷达系统中的标定单元控制测试信号的功率，过分依赖标定单元的数控衰减器的性能，测试结果不准确；通过信号处理终端观测接收机输出功率，测试结果受接收机数字中频的动态影响，结果不准确；测试过程中雷达系统中频率源属于射频输出状态，而射频开关隔离度偏低，对接收通道影响较大，测试结果不准确。
1.2 机外信号源测试与不足
机外信号源测试：使用外部射频信号源的输出信号作为测试信号，将测试信号输入保护器及低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA），通过接收前端定向耦合器注入接收机。调整外部信号源输出信号功率，从信号处理终端测得接收机输出功率，得到1 dB压缩点，从而测得接收机的动态范围，测试框图如图2传统机外信号源测试信号流程所示。
使用机外信号源测试接收机动态范围存在以下不足：采用外部射频信号源产生测试信号，仪器设备成本较高，测试条件不易满足；对测试人员的专业技能要求较高；测试采用全人工操作，效率低，操作不方便，引入的人为误差较大；测试完成后不能直接生成测试报告。
2 新型天气雷达接收机动态范围测试集成系统
2.1 集成测试系统特点
为了解决上述传统的天气雷达接收机动态范围测试方法中存在的不足，这里提供一种新型的天气雷达接收机动态范围检测集成系统。其包括数/模转化器、数字下变频处理模块和VPX总线接口（VPX为交叉连接设备）。数/模转化器的输出端与数字下变频处理模块的输入端相连；数字下变频处理模块包括混频处理模块、低通滤波模块和抽取模块，混频处理模块的输出端与低通滤波模块的输入端相连，低通滤波模块的输出端与抽取模块的输入端相连；数字下变频处理模块的输出端与VPX总线接口输入端相连。图3为新型接收机动态范围检测集成系统结构框图。
数/模转化器中的A/D转化器采用高速高精度ADC芯片，最大采样率可达100 MSPS，采样精度16位，SFDR高达89 dB，典型信噪比为83 dB，有效提升了系统灵敏度和线性动态范围，保证了测量精度。中频回波信号经A/D直接采样，输出二进制补码格式的16位数字量。
数字下变频处理以ALTERA公司超大规模FPGA芯片为核心，结合外部SRAM（Static Random Access Memory，一种具有静止存取功能的内存），以及动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），从而实现实时高精度并行处理[4]。数字下变频处理主要由 NCO 混频 （Numerical Controlled Oscillator ）、CIC梳状滤波（Compensated Ionization Chamber）、 FIR 抽取滤波器 （Finite Impulse Response）等部分组成。
ADC输出的并行数字信号与FPGA内部集成的NCO进行数字混频得到零中频信号，经过CIC滤波器和FIR滤波器滤波抽取处理后，得到基带I/Q信号，以满足后端处理器处理速度和 VPX 总线传输速率要求。数字下变频处理完全采用FPGA可编程方式实现，不受环境因素影响，灵活性高[5⁃8]。数字下变频运算结果经VPX总线输出至终端处理器进行数据分析和结果显示，图4为集成中的数字下变频信号流程图。
VPX总线是近几年为满足更大数据带宽和更强散热能力的要求下产生的一种新的总线规范。VPX全部采用的MultiGig RT2连接器，具有连接紧密、插入损耗小、和误码率低等优点，通过结合REDI（实时数据智能）构成的VPX⁃REDI平台可满足苛刻环境和大带宽的工作需求。VPX支持多种并行和串行传输协议，主要包括VME64X和PCI并行总线协议[9⁃11]。为解决与CPCI（德国西匹兹）和传统VME产品（Virtual Machine Environment）的兼容问题，VPX采用了一种同时带有各种标准插槽的混合式背板结构，这样在系统升级时仍可以保留大部分现有模块。图5为实现的集成测试系统硬件接口。
新型天气雷达接收机动态范围检测集成系统能够实现以下主要技术指标：
1） ADC精度：16位，100 MSPS采样率；
2） 中频输入带宽：≤10 MHz；
3） I/Q数据位宽：32 bit；
4） 中频测试范围：-85～15 dBm；
5） 动态范围测试误差：≤2 dB。
2.2 终端软件界面
终端软件通过VPX总线实时获取I/Q数据，采用多次平均算法和噪声阈值判别算法，并结合气象雷达方程和系统常数，计算得出当前注入信号的反射率值。然后步进衰减射频信号源输出功率，得到相应的反射率值，以此循环直到衰减到最大量程，测试结束。终端根据计算得到的該组反射率值，采用最小二乘法拟合出接收机的动态范围曲线，计算出斜率、方差、动态范围等结果。软件实现了流程化的测试内容和提示，形成测试报告并给出检测意见，测试报告的自动化编辑和生成极大地提高了测试工作效率。图6为终端软件界面。
3 台站测试与应用实例
根据终端软件测试界面中的流程操作提示，只需将平台测试点接入，按照需求启动动态范围测试，点击“开始测试”即可，系统便会自动完成对天气雷达接收机动态范围的测试，并记录测试数据，完成测试后即可生成测试报表和自动生成测试报告。图7为自动生成的台站实测天气雷达接收机动态范围测试数据。从实际应用的测试案例可以看出，本系统的性能测试效果良好，符合其参数规范和要求，说明本系统具有很好的可靠性和可用性。目前该集成系统已经成功应用于某S波段的接收机动态范围测试工装系统中，应用效果良好。
4 结 语
本文针对我国新一代天气雷达站技术保障的现状，介绍一种新型的天气雷达接收机动态范围测试集成系统。该系统高度集成数/模转化器、数字下变频处理模块和VPX总线接口。其能够在测试接收机动态范围时，将射频输出处于关断状态，降低雷达系统对接收通道的影响，提高测试结果的准确性，能有效地解决传统测试方法存在的不足。同时降低测试成本及对测试人员专业技能的要求，能够实现智能化测试，自动生成测试报告，提高测试效率。通过研究希望能够为天气雷达系统的性能测试、雷达维护维修保障体系提供一种新的解决方案。
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