高速同步数据采集系统性能测试方法研究

苗可可，王 壮，程 翥，王梦南

(1.国防科技大学电子科学与工程学院ATR国防科技重点实验室，湖南长沙 410073；2.国防科技大学电子科学与工程学院电子工程所，湖南长沙 410073)

高速同步数据采集系统性能测试方法研究

苗可可1，王 壮1，程 翥2，王梦南1

(1.国防科技大学电子科学与工程学院ATR国防科技重点实验室，湖南长沙 410073；2.国防科技大学电子科学与工程学院电子工程所，湖南长沙 410073)

在射电天文观测中，天文信号十分微弱，在大部分情况下可以看成是噪声功率的微小增加，需要长的积分时间才能从噪声中显现，因此在进行射电天文数据采集时对采集系统的性能具有较高的要求。针对射电天文数据的特点，从噪声特性、频率特性和同步特性3方面给出了系统性能的衡量指标，围绕这些指标，分别研究了其测试方法，最后以某个实际射电天文数据采集系统为测试平台，进行了指标的测试。测试结果验证了所提指标的有效性和指标测试方法的合理性。

射电天文；数据采集；测试方法；噪声特性；频率特性；同步特性

CN53－1189/P ISSN1672－7673

随着雷达、通信、电子对抗、射电天文等领域技术的发展，数字信号处理技术在各领域得到了十分广泛的应用[1－2]。在射电天文中使用采集系统采集来自射电源的信号，通常采集的射电信号都非常微弱。当射电天文信号通过采集系统时，采集系统又会把自身产生的噪声添加到信号中，降低了信号的信噪比，使得在采集数据中更加难以观测到微弱的射电信号。因此在对射电天文信号进行观测时，采集系统本身的噪声特性直接影响着所观测数据的好坏。在地球表面可以实现观测的10 MHz～300 GHz频段里，射电天文学家几乎对这频段的所有频率感兴趣，因而在对射电天文信号采集时，希望系统能具有较好的频率特性，这样便能够获得更宽的可观测带宽。在射电天文实际观测和研究中，因为常常需要接收由射电源辐射的多路信号，所以实现多通道的同步数据采集受到科学研究的广泛青睐。这样以来，采集通道间的同步性能就显得尤为重要，它直接决定着所采数据间的时延大小。

射电天文观测存在着射电源种类繁多、辐射信号微弱等特殊性，因此决定了用于射电天文观测的数据采集系统必须具有低噪声、宽频带和高同步的特点[3]。为满足射电天文观测的要求，本文从射电天文数据采集系统的噪声特性、频率特性和同步特性3方面入手，给出了衡量每种特性的性能指标，并针对每项指标分别展开了测试方法的研究。在此基础上，通过实际系统测试平台验证了指标衡量的有效性和指标测试方法的正确性。

1 性能指标

1.1 噪声特性

在表征采集系统的噪声特性上，使用了噪声功率这一测试指标，利用噪声功率可以有效地反应采集系统自身的噪声强度大小。对于随机信号x[n]而言，其功率谱Px(w)的计算式为[4]:

式中，rx(m)为x[n]的自相关函数。当x[n]为噪声数据时，其自相关函数rx(m)是强度为的单位取样序列，其中是噪声数据的方差，因此噪声功率的值又可以通过噪声的方差求得。为了能够采集更多的射电源，采集系统的噪声功率必须非常低，这意味着采集系统只能产生方差非常小的噪声[5]。

1.2 频率特性

为了衡量采集系统的频率特性，提出采集通道3 dB带宽B和通带纹波α两个测试指标。利用采集通道的3 dB带宽可以衡量系统能够实现采集的频段大小，其中B的值可以利用通道信号功率衰减至1/2时信号的上－3 dB频率fup与下－3 dB频率flow相减求得。在理想情况下，通带幅度为1，但是在采集通道实际实现时，通带幅度在1附近总有起伏，在整个通道内最大的起伏，称为通带纹波。利用通带纹波α可以衡量经过系统采集后信号的衰减程度，其中α的值可通过通带波动与通频幅度的比值求得。

1.3 同步特性

在数据采集过程中，采样与触发的同步是准确采集到信号点的关键[5]。系统同步性的好坏直接决定着高速数据采集的信噪比[6－8]。针对系统的同步特性，主要提出了两个测试指标，一个指标是各路通道间的固定时间延迟Δt[9]，利用固定时延可以衡量通道之间同步性的大小，其中Δt的值可以利用通道之间的信号相位差Δφ求得；另一个指标是各路通道间的固定时延标准偏差σt，利用固定时延标准偏差可以衡量通道之间同步性的稳定性，其中σt的值是通过对Δt统计得到。

2 测试方法

2.1 噪声特性的测试方法

测试噪声方差的原理是:通过对系统采集的噪声数据进行分段处理，使用(2)式对所得到的每个数据段进行均值估计，然后对数据进行去均值处理，最后利用(3)式得到各个数据段的方差估计值。具体方法如下:假设对M段长度分别为N的噪声数据进行测试，它们经过AD采集后的转换值分别为Aij(1≤i≤N，1≤j≤M)，其统计均值为，实验方差为(1≤j≤M)，计算公式如下:

2.2 频率特性的测试方法

测试采集通道3 dB带宽的原理是:通过采集系统对由信号发生器产生的不同频率的信号进行采集，将采集的数据分成M段，对每段数据作N点快速傅里叶变换，以最大幅值处的频率作为每段数据的频率值fN1、fN2、…fNM；将所有对应于同一频率的数据段内的极值作为该频率所对应的峰峰值；将对应于同一频率的数据段中的所有点求均方值，即得到该频率所对应的功率；然后计算该处峰峰值平方或功率在整个输入频率范围内衰减至1/2时所对应的频率值fup和flow，即可得出采集通道的3 dB带宽B:

最后利用通带内的峰峰值平方或功率，计算出纹波衰减α:

式中，Pmax和Pmin分别表示整个通带内信号峰峰值平方或功率的最大值和最小值。

2.3 同步特性的测试方法

测试各路通道之间固定时延的原理是:让两路待测通道对由信号发生器产生的同一个标准正弦信号进行同步采集，对采集存储的两路数据进行快速傅里叶变换。此时信号的快速傅里叶变换频谱上的主峰位置所对应的频率即为所输入正弦信号的频率，然后比较这两路数据主峰处对应的相位差，即可折算这两路通道之间的固定时延。最后利用多次固定时延，计算出标准偏差，即可近似代表固定时延的晃动[10]。

3 测试试验

为了验证以上所提性能指标的有效性和指标测试方法的正确性，以一个实际的射电天文数据采集系统为例进行验证分析。图1为利用采集系统搭建的指标测试实验平台。

测试平台由信号发生器模块、数据采集系统模块以及PC机模块3部分组成。平台的核心是射电天文数据多通道采集系统模块，该系统能够实现8通道、16通道以及通道可扩展，250 MHz最高采样率，14 bit、8 bit、4 bit等不同位数的高速同步连续采样，持续记录容量2 T，并可支持包括键盘触发、全球定位系统信号触发、信号幅度触发、外接信号触发、单稳触发、自恢复触发、自恢复再触发等在内的多种复杂触发模式下的采集。通过实际采集的验证，该系统具有较好的性能特性。从图1可以看出在实际测试时由信号发生器产生的信号直接输出到采集系统输入端，而未经过接收机前端(低噪声放大器LNA、混频器、中频放大器、带通滤波器等组成)处理，因此，本文所测试的系统噪声指的是由采集系统自身以及传输线这一级产生的噪声。接下来使用上文所述的性能测试方法在测试平台上对所提出的性能指标进行测试，并给出相应的测试结果。

3.1 噪声特性测试

将采样位数设定为14 bit，采样点数N＝20万，采集频率fs1分别设为200 MHz和100 MHz，对噪声数据进行采集时分为采集系统信号输入端连接数据传输线和采集系统信号输入端未连接数据传输线(悬空)两种情况。表1是对测试过程中得到的标准差估计值进行数字统计的结果，图2是经过分析2块采集板、每板8路通道所得到的噪声功率特性曲线。

图1 数据采集系统性能测试平台Fig.1 A block diagram of the test platform for the performance of the data-acquisition system

图2 数据采集系统噪声功率特性曲线Fig.2 Characteristic curves of noise power in the data-acquisition system

表1 估计标准差的数字特征Table 1 The mean values and standard deviations of the

表1 估计标准差的数字特征Table 1 The mean values and standard deviations of the

10次估计统计100点数据1 000点数据1万点数据10万点数据100万点数据1 000万点数据方差估计的均值3.875 73.629 73.620 23.688 73.669 23.675 8方差估计的标准差0.616 20.175 40.095 70.092 30.030 70.009 9

3.2 频率特性测试

由于当采集频率一定时，随着测试频率的增加，每个分段中所包含的信号周期数会随之增多，噪声对测试的影响更加不明显，但会导致每个信号周期内采样点数的减少，这样便使得对信号幅度估计的误差增加。因此在实际频率特性测试时是采取将整个测试频带划分为多个频带进行测试的方法，然后针对各个频段分别使用不同的采样率进行测试。经分析，将输入信号频率1 KHz～100 MHz的测试频带划分为1 KHz～1 MHz和1 MHz～100 MHz两个测试频带分别进行测试。

1 KHz～1 MHz频带的测试:将信号发生器输出的正弦信号峰峰值设置为1 V，将扫频范围设置为1 KHz～1 MHz，扫描周期设置为Tc＝2 s，扫频间隔为Δf＝1 KHz，即每个频率的持续时间为Tf＝2 ms。系统采样频率设定为fs＝2.5 MHz，这样即使在最低频fmin＝1 KHz时仍有两个周期的信号会被采集，且每个周期能够采到2 500个点，则对应的峰峰值误差为1/2 500/2＝2×10－4，采集数据总长度为L＝5×106个点。

将采集的数据从头至尾依次取N点为段长并作N点的快速傅里叶变换，为能够满足每个输入频率会至少出现一次完整的扫描周期，因此每段数据的长度N的大小为2500。测试结果如图3。

由图3可以分析得到系统频率特性的下－3 dB频率flow≈49 KHz。

1 MHz～100 MHz频带的测试:将扫频范围设置为1 MHz～100 MHz；扫描周期为Tc＝20 ms，扫频间隔为Δf＝1 MHz，即每个频率的持续时间为Tf＝0.2 ms；采样率为fs＝250 MHz，这样即使在最低频1 MHz时仍有200个周期的信号会被采集，且每个周期能够采到250个点，那么对应的峰峰值误差为1/250/2＝2×10－3；采集数据长度定为L＝5×106点。

图3 1 KHz～1 MHz频带的频率特性曲线Fig.3 The power-spectrum curve in the 1KHz to 1MHz band

为能够满足每个输入频率至少出现一次完整的扫描周期，因此每段数据的长度N为250点，其他步骤均与上面1 KHz～1 MHz测试时相同。经过测试得到如图4的测试结果。

在得到了1 KHz～1 MHz和1 MHz～100 MHz两分段频带的频率特性之后，经整合得到整个1 KHz～100 MHz频带的频率特性曲线，如图5。综合图3和图5可以看出，B大致在49 KHz～100 MHz；利用(5)式可算出α等于0.46 dB。

从测试结果来看，B与实际系统的通带范围相符，α满足小于1 dB的要求，可见通过这两个指标能够有效地衡量系统的频率特性，验证了指标测试方法的可行性。

3.3 同步特性测试

将所输入的正弦信号频率设为f＝1 MHz，峰值A＝1 V，采样频率fs＝200 MHz，每路通道采集的数据点数N＝300万，进行快速傅里叶变换的点数M＝10点，在频域内利用极值搜索法得到信号的频率值，最后再求取信号频率处两者的相位差，即为相位延迟。图6为在板内(1号采集板)进行的不同通道号(CH6和CH7通道)间的同步特性测试曲线；图7为板间(0号与1号采集板)进行的不同通道号(CH6和CH7通道)间的同步特性测试曲线。由图6可以分析得到其固定时钟延迟Δt＝－0.279 8 ns，固定时延标准偏差σt＝6.049 1×10－7。由图7可以分析得到其固定时钟延迟Δt＝－0.069 3 ns，固定时延标准偏差σt＝6.457 7×10－7。

从测试结果可以看出，时钟信号彼此间的时延满足纳秒量级的要求，时延标准偏差满足10－7量级的要求，验证了所提指标Δt和σt能够有效地衡量系统的同步特性以及指标测试方法的可靠性。

图4 1 MHz～100 MHz频带的频率特性曲线Fig.4 The power-spectrum curve in the 1MHz to 100MHz band

图5 1 KHz～100 MHz频带的频率特性曲线Fig.5 The power-spectrum curve in the 1KHz to 100MHz band

图6 1＃CH6与1＃CH7之间的同步特性曲线Fig.6 Characteristics of synchronization between 1＃CH6 and 1＃CH7

图7 0＃CH6与1＃CH7之间的同步特性曲线Fig.7 Characteristics of synchronization between 0＃CH6 and 1＃CH7

4 结 论

本文结合射电天文信号的特点和射电天文观测的需要，对射电天文数据采集系统的噪声特性、频率特性、同步特性提出了相应的性能测试指标，并针对每项指标分析给出了具体的测试方法，最后基于某实际系统，对所提指标和测试方法进行了测试实验，指标的测试结果与系统的实际性能相吻合，验证了性能指标在衡量系统性能上的有效性以及指标测试方法的合理性。

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A Study of Test Methods for the Performance of a High-Speed Synchronous Data-Acquisition System

Miao Keke1，Wang Zhuang1，Cheng Zhu2，Wang Mengnan1
(1.Key Laboratory of ATR，College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China，Email:kekemiao211＠gmail.com；2.Research Institution of Electronic Engineering，College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Astronomical radio signals are usually weak enough that they merely appear as slight enhancements over noise，and need to be integrated for rather long periods to be distinguished from noise.This imposes high standards on the performances of data-acquisition systems in radio astronomy.By analyzing data characteristics of radio astronomy we propose performance indices of a data-acquisition system.These indices are for three aspects，i.e.noise characteristics，power-spectrum characteristics，and synchronization characteristics.We further study methods of measuring these indices and establish a test platform based on the methods.We use the platform to test a practical data-acquisition system.Our test results show the effectiveness of the proposed indices and their measurement methods.

Radio astronomy；Data acquisition；Test methods；Noise characteristics；Power-spectrum characteristics；Synchronization characteristics

TP274.2

A

1672－7673(2014)04－0417－06

2014－04－28；

2014－05－14

苗可可，男，硕士.研究方向:雷达信号处理.Email:kekemiao211＠gmail.com