【摘 要】隨著衛(wèi)星直播技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的研究得到廣泛關(guān)注，相控陣憑借其波束指向靈活，具有良好的方向性和能無(wú)慣性快速掃描的優(yōu)點(diǎn)，成為移動(dòng)衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的一種重要天線形式。本文設(shè)計(jì)了可用于移動(dòng)衛(wèi)星電視接收的相控天線陣控制電路，主要包括數(shù)字下變頻模塊和相位控制模塊\"相控天線陣控制電路是通過(guò)控制移相器，來(lái)改變天線陣的相位，從而達(dá)到改變波束指向的目的，控制電路的仿真是基于Altera公司的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的。

【關(guān)鍵詞】FPGA 相控天線 控制電路

相控天線陣又稱作相位陣列天線，是一種以改變天線相位來(lái)改變波束方向的天線，因?yàn)槭且噪娮臃绞娇刂撇ㄊ莻鹘y(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線面方式，故又稱電子掃描天線相控天線陣分為三部分：天線陣、饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制電路。天線陣由許多輻射單元組成陣列，各單元間輻射能量和相位之間的關(guān)系都是可控的。相控天線陣的優(yōu)點(diǎn)是：波束指向靈活，能實(shí)現(xiàn)無(wú)慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高；對(duì)復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)；抗干擾性能好。但是相控天線陣設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)昂貴，所以大部分是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。本文的研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)控制相控陣移相器的控制電路，通過(guò)改變移相器的步進(jìn)方式，改變天線陣的相位，從而改變天線陣的波束指向，可用于固定載體的衛(wèi)星電視接收天線陣，也可用于移動(dòng)載體衛(wèi)星電視的接收。

一、相控陣控制電路整體方案設(shè)計(jì)

本文的主要任務(wù)是完成相控天線陣控制電路的設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)時(shí)主要是針對(duì)上述車載相控陣的后兩點(diǎn)要求，并結(jié)合軟件無(wú)線電的盡早將模擬信號(hào)數(shù)字化的基本思想來(lái)設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)組成如圖1-1所示：

圖1-1 系統(tǒng)組成

當(dāng) A/D 采樣模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，數(shù)字下變頻模塊將數(shù)字信號(hào)從中頻移到基帶，傳輸?shù)较辔豢刂颇K進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。針對(duì)控制電路具有很高集成度的要求，本文采用了可滿足高集成度要求的FPGA 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字下變頻模塊中的濾波器模塊有過(guò)濾雜波的功能，滿足了系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)的要求。

二、相控電路中數(shù)字下變頻模塊的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字下變頻模塊是由數(shù)控振蕩器 NCO、數(shù)字混頻器、CIC梳狀濾波器、HB 半帶濾波器和 FIR 濾波器五部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：

圖 2-1 數(shù)字下變頻模塊的結(jié)構(gòu)圖

由圖 2-1可以看出，首先要利用 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理，本設(shè)計(jì)中輸入的模擬電視中頻信號(hào)頻率為 38MHz，依據(jù)Nyquist 采樣定理，采樣頻率大于或等于二倍的信號(hào)頻率，所以選用了 8 位、采樣率為100Msps 的 A/D 采樣模塊。

（一）可編程下變頻模塊

第一部分?jǐn)?shù)控振蕩器時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是查表法，具體方法是先根據(jù)正弦波的各個(gè)相位出相應(yīng)的正弦值，然后把這些預(yù)先計(jì)算出來(lái)的正弦值存儲(chǔ)在 ROM 表中，將相位信息作為查找表的地址對(duì)其進(jìn)行查表，基于查找表法實(shí)現(xiàn)的數(shù)控振蕩器 NCO，所占用的芯片ROM 資源隨著輸入的相位位寬呈指數(shù)倍增長(zhǎng)，所以導(dǎo)致系統(tǒng)的可拓展性較差，而且當(dāng)對(duì)相位精度要求比較高的時(shí)候，基于查找表法的 NCO無(wú)法在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的查找表方法在速度、精度、簡(jiǎn)單性三方面不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)性能，所以本文在設(shè)計(jì) NCO 時(shí)，從實(shí)現(xiàn) NCO 的算法方面入手，最終決定采用簡(jiǎn)單、有效的 CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)）算法來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可編程下變頻模塊，它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器和數(shù)字混頻器的功能。

（二）級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器的 FPGA 實(shí)現(xiàn)

本文中，根據(jù)級(jí)數(shù)與階數(shù)折中選擇的原則，所設(shè)計(jì)的 CIC 濾波器選取了抽取因子，同時(shí)也是向下采樣因子 D=4，梳狀濾波器的延遲數(shù)量R=2，采樣頻率 fs=100MHz，通帶范圍是（0～6）MHz。本文設(shè)計(jì)的三階 CIC 濾波器，是由一個(gè)三階積分器和一個(gè)三階梳狀部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：

圖2-2 三階 CIC 濾波器

在圖2-2中，可以看出是先實(shí)現(xiàn)積分器，然后是抽取器，最后才是梳狀部分，這樣的結(jié)構(gòu)在梳狀部分節(jié)省了一個(gè)因數(shù)為 3 的延遲單元，單階 CIC 濾波器的阻帶衰減是13.46dB，本文設(shè)計(jì)的三階 CIC 濾波器的阻帶衰減為 13.46*3=40.38dB。對(duì)于 CIC 濾波器來(lái)說(shuō)，最壞情況下的增益情況就是給 CIC 濾波器輸入一個(gè)階躍信號(hào)，為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的 CIC 濾波器的性能，我們將幅值等于 127 的階躍信號(hào)，輸入到CIC 濾波器中，得到的仿真結(jié)果如圖 2-3所示：

圖2-3 CIC 濾波器仿真結(jié)果

三、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了相控天線陣控制電路，研究了相控陣技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)軟件無(wú)線電理論，數(shù)字下變頻技術(shù)，基于 FPGA實(shí)現(xiàn)了相控天線陣控制電路，整個(gè)系統(tǒng)所占資源百分比小于總資源的 50%，小于 80%，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有用到芯片的硬核，只占用了 LC 和 memory 資源，所以系統(tǒng)的可移植性好。