传统的星载微波辐射计的空间分辨率在数十公里量级，主要应用于对大气、海洋及陆地等地表物理参数大尺度空间分布特征及变化的观测。目前较为成熟的应用包括极轨气象卫星所搭载交轨扫描毫米波大气探测仪，以数十公里空间分辨率获取全球大气温湿度三维分布，是数值天气预报最重要的初始场数据源之一^[1]。当前，在全球变化的背景下，温室气体的排放造成的全球变暖正在改变水循环系统的时空分布特征及变化过程，同时也造成极端水文及天气事件频发。为实现对上述变化及响应过程的准确刻画，对被动微波观测空间分辨率的需求越来越高^[2]。干涉式综合孔径技术是突破现有星载被动微波遥感空间分辨率瓶颈的最有可能的技术手段^[3]。综合孔径辐射计利用稀疏天线阵列代替大口径真实孔径天线，对空间频率谱进行测量后再利用傅立叶变换到目标的图像，大大提高了空间分辨率。这种成像机制下辐射计需要完成天线单元间信号的两两相关，且相关器复杂度将随着天线单元数呈平方率增长^[4]。若采用传统的集中式信号采集及处理架构方式无法保证实现系统的模块化可扩展^[5]。

分布式相关接收是可行的技术途径。本文提出分布式数字采集系统，这种设计架构对分布式的多个子模块分而治之，各子板与前端中频模块分别就近级联，再将采集数据传输到后端的处理模块。由于系统规模庞大，同时系统分布式的特征决定了模块间距离较远，传统并行数传方式无法满足数据对传输距离和传输速率的需求，而串行传输技术可以解决并行信号高速传输中的相位偏移问题；同时设计更加简化、布线更简单、还能节省IO资源；并且高速串行接口的实现成本极低，有着比并行接口更小的功耗，因此能够极大改善通信系统间的数据传输效果^[6]。在目前的高速串行通信中，光纤传输因其具有频带宽、通信容量大、抗干扰能力强、布线简单等优点，应用最为广泛^[7]。国内外已有微波辐射计的大规模数字系统中，对光纤的使用也有迹可循，SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity mission）的主载微波辐射计MIRAS（Microwave Interferometric Radiometer with Aperture Synthesis），是欧洲第一个在空间探测中使用光纤时钟分配和光纤数据传输的任务^[8]，光纤线束的主要性能的测试结果显示时钟抖动小于50 ps，数据传输误码率小于10-10，满足SMOS数据系统的指标要求。其光纤线束在2008年正式推出，为大规模数字相关系统的设计提供了思路，在系统复杂度越来越高、数据量越来越大、规模更加庞大的趋势下，光纤的使用极有必要，也更加适合分布式的数字相关系统。Xilinx在Virte-5系列FPGA中，集成了基于高速串行通信技术硬核Rocket I/O，并在此基础上开发点对点链路层Aurora协议，该协议支持光纤传输，传输带宽达6.25 Gb/s，满足本设计的数据传输需求。

基于以上分析，设计了一种基于多数字采样阵面与数字相关后端单元之间的分布式数字采集传输系统，实现超大规模微波接收链路的采样和传输。一方面基于多级分发的思路设计了时钟链路以实现分布式系统的同步采集；另一方面采用Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA作为主控芯片，以芯片内置GTX为物理层实现数据高速串行收发，在分布式的采集板与相关板之间采用光纤替代传统电缆完成整个分布式系统的架构，实现高速ADC和FPGA互连系统的采集传输功能。

高空间分辨率要求的综合孔径辐射计的规模庞大，数字系统的复杂度也相应较大，传统集成式数字系统面临散热、安装等困难，且针对天线阵列的部分改动也需重新设计整个数字系统，灵活性不高、设计难度大。本文提出分布式的数采系统，在系统中通过多个采集板进行数据采集，然后将数据统一传输到后端相关板做处理，解决了散热问题，同时在辐射计的天线阵列单元数变化时，只需在数字系统中增减适当数量的采集板和相关板即可，大大提高了系统的灵活性，降低了设计难度。整体结构如图1所示，包括多个分布的采集板、一个数控板和一个数字后端板。其中，采集板卡采集中频信号并做初步信号处理，采样率为60 Msa/s，输入信号带宽BW=10 MHz@75 MHz；数字后端板完成实时复相关等主要的信号处理，并将结果打包传给数控板，最后传送到上位机；采集板与后端板的高速数据传输链路由光纤链路实现。

综合孔径辐射计的成像机制是在保持原始相位的基础上对信号进行复相关，因此需要数字系统实现对数据的实时采集，由于采用了分布式的系统结构，因此多通道间的数据采集同步是本文要解决的关键问题之一；此外，在分布式相关系统中，各子板将数据采集后需实时发送到后端板进行相关处理，传输性能将直接影响到系统整体的技术指标精度以及数据处理的速度，进而影响后期的实时数据处理乃至反演成像的效果，因此采集板与相关板间传输链路的设计至关重要。

分布式数字系统的设计难点在于保持采集信号的原始相位信息。为了获得精确的同步采集数据，需要保证高速AD之间的协同工作，因此多路ADC需要一个相参的时钟信号。系统基于多级分发的思想提出并设计了时钟链路，采用一块数控板向所有采集板统一分发差分时钟信号，实现各通道数据同步采集。由于系统的性能在很大程度上受时钟质量的影响，所以设计方案需要为各模块提供高精度的同步时钟信号。

衡量时钟质量的指标在时域与频域分别反映为相位噪声以及相位抖动。在高速、高分辨率的ADC电路中，采样时钟的小范围抖动都将导致ADC转换电路的信噪比严重恶化，同时使ADC有效位数变少，而采样时钟的偏移也会影响ADC通道之间的一致性。公式（1）和（2）^[9]分别为通道信噪比SNR与ADC有效位数ENOB以及时钟信号抖动的关系：

其中：n为模数转换位数，ω为模数转换频率，σ为ADC采样时钟孔径抖动的均方差。分析可得，在系统模数转换位数和转换频率一定时，为了提高ADC信噪比，需要尽量降低时钟信号的抖动和相位偏移，因此在时钟分发链路的设计上应尽量选择低抖动、高性能的时钟芯片。此外，通道间时钟偏移受电缆长度影响，因此设计中应尽量使板上电缆长度等长。

以60 MSa/s采样率为例进行数采设计。根据系统对时钟的要求，选常用低抖动的超快型时钟扇出缓冲器ADCLK954在数控板上完成时钟的生成及向子板的分发；选用高性能、低噪声的LMK00101为采集板各通道分发时钟。时钟链路结构如图2所示。

整个时钟链路包括ADCLK954、LMK00101，它们对时钟同步性能的影响主要在表1中显示，链路的总歪斜skew约为15 ps，对于60 MHz的采样时钟约为0.3°的相移；总相位抖动约为80.78 fs；此外使板上布线尽量等长，则该链路可满足分布式数据采集系统对时序同步的要求。

高速模数转换是实现高速相关的前提，较高的转换速率可以保证系统的相关运算带宽和灵敏度^[9]，因此数据的同步采集还需选取合适的AD芯片。AD9288具有8 bits的分辨率，有低成本、低功耗、尺寸小和易用性的优点，单通道采样率最高可达100 MSa/s，且在整个工作频率范围内具有出色的动态性能，满足系统对采集板的性能要求。

时钟分发链路和数据采集的逻辑设计如图3所示。系统上电后采集板上的FPGA芯片首先为时钟分发器和模数转换器设置数据输出模式、使能信号等，接着通过时钟分发芯片ADCLK954向各个采集板分发出60 MHz子板时钟，然后在各采集板上通过LMK00101分发出用于各通道的4路60 MHz ADC同步采样时钟，以及用于同步FPGA的1路60 MHz的FPGA同步时钟。

以上即为本文中基于合成孔径微波辐射计提出的分布式高速数据采集方案。为了实现数据的同步采集，以60 MHz采样时钟为例，基于多级分发的思想设计了高性能的同步时钟分发链路，完成芯片选型，并实现了同步数据采集的控制逻辑设计。

子板采集得到的数据需发送到后端相关板的FPGA芯片做实时处理，传输链路的性能决定了数据处理的质量和准确性，因此数据传输的设计实现具有至关重要的意义^[10]。串行总线采用差分信号实现数据传输，避免了传统并行传输干扰大、误码率高，传输距离有限等缺点，目前已大量应用于高速数据传输。图4为高速数据串行传输系统的几个处理模块。

如图4所示，在高速数据传输的情况下，可采用差分总线实现AD到相关板的数据传输。考虑到大规模微波辐射计对数据传输链路的带宽、灵活性等要求，采用抗电磁干扰能力强、传输带宽大、码间串扰小的光纤作为采集板与相关板间的数据链路，并基于高速串行通信接口协议实现数据传输过程中的封装解析、误码检测以及串并转换。

Xilinx在V5系列芯片内集成了GTX高速收发器，并提供对Aurora通信协议的支持，易于实现数据在光纤上的高速传输^[11]。其中，GTX提供了CDR功能，将时钟信息插入到待传输的串行数据流中，并在接收端对应解析，可以避免并行总线存在的时钟抖动和相位偏移等问题，突破了数据传输速率的瓶颈^[12]。

RocketI/O的GTX高速收发器由PCS（Physical Code Subplayer）和PMA(Physical Media Acess)^[13]组成。其中PCS主要负责循环冗余校验、8B/10B编解码以及时钟校正。PMA负责串并转换、Comma监测以及差分数据的发送和接收等功能。如图5所示，为了实现对数据的差错检测，首先在发送端生成CRC校验码并插入到预发送的并行数据中，然后将数据通过8B/10B编码模块以获取更好的直流平衡性、降低传输过程中的误码；之后将数据写入发送FIFO，通过并串转换器将数据转换为差分串行数据传输;到接收端的串行数据首先被发送到GTX的CDR时钟恢复电路中，该电路将数据中保存的时钟信息提取出来，进而根据该时钟从串流中提取采集数据，然后，GTX内的comma监测和对齐模块对数据进行处理，使其达到对齐状态。最后，对数据做串并转换、8 B/10B解码、时钟校正和CRC校验。

基于以上分析，系统选择XC5VFX130T作为主控芯片。该芯片内部集成低功耗的吉比特高速收发器Rocket I/O，支持Aurora在内的多种IP核,易于实现与的光纤连接，与光模块结合在一起被广泛应用于高速数据采集传输领域；采用HTS8566-FD-S001XX 作为子板与后端板通信的光模块，该模块传输速率高达4.25 Gbps，在传输距离小于100 m的情况下性能优良，误码率BER≤10^-12；具有抗辐照的特点，并且体积小、重量轻、功耗低，满足航天应用的要求。

高速数据传输过程中，首先在ISE平台中通过core generator在工程中生成Aurora IP核，同时设置位宽、通信模式、传输速率和GTX参考时钟等参数，然后根据Aurora协议配置Rocket I/O的控制接口来完成光纤通道中数据帧的串行传输、封装解析。具体的数字逻辑设计主要涉及时钟分配链路，AD数据采集电路控制模块，以及基于Aurora协议实现的光纤通信模块。

如图6所示，系统上电后，首先初始化光纤传输链路，控制GTX收发器发送校验码PRBS（Pseudo-Random Binary Sequence）来测试高速串行通道的误码率，然后将信道传输和通道传输电平channel_up和Lane_up拉高，初始化即完成，系统可以开始进行高速数据的传输工作。上位机控制命令下发到系统中后首先解析数据，然后FPGA根解析信息完成采集板、相关板、控制板的配置，同时时钟分发链路将生成的采样时钟分发到各个子板上驱动采集板，AD获取的数据通过光纤传输。将采集到的并行数据送入Aurora IP核，然后根据设置的通道协议数据单元(PDU)长度，向待传输的数据添加CRC校验码、帧头、帧尾等控制字符封装为帧格式，满足协议传输要求后对数据帧串化处理，然后再通过光纤发送到接收端。其中协议数据单元的长度的设置不可过长，更长的PDU可以实现更高的传输效率，但同时也会降低传输的可靠性。后端相关板通过光电模块接收数据，并根据CDR电路恢复出时钟和数据，完成数据串并转换和相关处理，为了实现数据同步，FPGA的驱动时钟应与上一级的采集板时钟一致，故设计中将时钟分发链路的一路接入FPGA芯片。

以上即为本文中基于合成孔径微波辐射计提出的分布式高速数据传输方案。为了实现高速数据的串行传输，以XC5VFX130T内置的GTX高速收发器为物理层完成数据的串并转换、封装解析等功能，并基于Aurora协议实现了数据传输的逻辑设计。

在ISE平台中按照上述设计实现了ADC与FPGA的互连和数据采集，并添加了ICON和ILA两个IP核以便观测信号。下载程序并上板调试，通过Chipscope工具观测各信号采集端口波形，由于本文选用的ADC为8bits位，故在chipscope中将对应8位dataport创建为总线，设置触发信号将depth设置为2048，然后为通道输入同一个正弦信号源，并将其中4个通道两两组合分别进行多次采集实验，并观测数据实时采集波形。如图7所示为3、4通道上采集的数据波形，由此可见数据采集几乎是同步的，同时波形存在微小抖动，因此数据采集中可能存在一定的时钟抖动。

为了更精确地分析不同通道间的相位延迟，衡量同步精度，以60 Msps的采样率对1 MHz的信号源进行了大量的数据采集以计算通道间采集信号的相位差。如图8所示为对3、4通道经16次数据采集分析得到的通道间相位差。利用Matlab依次对chipscope导出的16个数据采集样本进行解析，调用xlLoadChipScopeData函数，获取各个通道的10进制总线数据，然后用正弦函数f(x)=a*sin(2*pi*10e6*t+c)+d（输入信号源1MHz）对所得bus序列做拟合，可得到两通道采样的相位差。

如图8所示，其中黑色线表示16次测量得到的相位差均值，经计算为-1.273 7°；红色标志即相位差的分布位置，由图8易知通道间相位差基本分布在-1.5° 到-1.1° 之间，经计算标准差为0.114 8°。

综上，通道间的相位延迟在1.5° 以内，相位抖动约0.1°，满足了数据采集对同步性能的要求。

高速数据传输部分的实验结果如图9所示。系统测试时的发送数据为16位，由于启用了8B/10B编码，实际位宽为20位。图中tx_d_i和rx_d_i分别为发送数据和接收数据，最后一行ERR_COUNT为误码计数，在channel_up和Lane_up电平拉高后开始传输。

从图9(a)中可以看出，在程序所设定的仿真时间内GTX高速收发器接收的数据与发送到GTX的数据完全一致，但存在一定的信号延迟。经过对系统的分析可知，产生该延时的主要因素为GTX接收器对数据进行的串并转换，FIFO缓冲等。为了评估该传输系统的误码率，使该传输经长时间运行得到图9(b)所示的数据传输波形，Count为系统传输数据的总数，由图可知在传输509 020个数据的情况下误码计数为0，计算可得系统的误码率上限：

因此该传输系统误码率低于10-7，满足系统数据传输的需求。

为了满足当前微波辐射计对高速数据采集和传输需求，本文提出并设计了一种针对大规模综合孔径微波辐射计的分布式数据采集传输系统。该系统设计上采用多级分发链路方案完成对采集通道的时钟分发，实现数据采集的同步；以virtex-5的FPGA芯片内嵌的GTX收发器为物理层，基于Aurora协议完成分布式相关系统的数据传输，实现高速数据的并串转换、封装解析、发送接收；在子板与相关板间摒弃传统的电缆而采用光纤实现数据传输，大大提高了数据传输速率，同时避免了电磁辐射干扰。最后对上述设计进行实验分析，首先在板卡上测试不同通道的同步数据采集，利用Chipscope观测波形并在Matlab中对各通道采集序列进行拟合，得到各通道波形的相位信息。分析多次测量结果可得，不同通道间的相位延时小于1.5°，相位抖动约0.1°，满足AD采集对相位同步的要求；验证数据传输功能，测试发现系统误码率小于10^-7，实现了分布式系统下数据的稳定、可靠传输。综上，该系统满足数据采集传输需求，适用于大规模综合孔径微波辐射计的数字系统设计。