彭 博，張 波

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

基于FPGA的DBF多波束中頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 博，張 波

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

數(shù)字波束形成(DBF)陣列能夠充分利用陣列天線所獲取的空間信息，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)使波束獲得超分辨率和低旁瓣的性能，它由天線陣元、射頻下變頻模塊、AD采樣、中頻接收系統(tǒng)及上位機(jī)控制器組成;對(duì)中頻接收系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字波束形成的具體方案進(jìn)行討論，對(duì)多路接收和AD量化一致性造成的各通道間失配提出了幅相校正的解決方案，詳細(xì)分析了研制中的關(guān)鍵技術(shù);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的DBF多波束中頻接收系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)通道間失配的校正，并實(shí)現(xiàn)精確的波束賦形功能。

數(shù)字波束形成；通道失配；幅相校正

0 引言

DBF(Digital Beam Forming)即數(shù)字波束形成技術(shù)是天線波束形成原理與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。數(shù)字波束形成技術(shù)能夠充分利用陣列天線所獲取的空間信息，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)使波束獲得超分辨率和低旁瓣的性能[2]?，F(xiàn)有的DBF系統(tǒng)大多采用單DSP[3]或者DSP和FPGA協(xié)同運(yùn)算[4]實(shí)現(xiàn)，利用仿真的手段進(jìn)行驗(yàn)證，或是單獨(dú)討論驗(yàn)證幅相校正的問(wèn)題，完整設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)DBF多波束系統(tǒng)的方案較少，本文利用FPGA資源豐富、高速并行處理的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種使用單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)了4通道20波束的高精度的DBF多波束接收系統(tǒng)的方法，并與天線陣元及射頻下變頻模塊等進(jìn)行了級(jí)聯(lián)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)精確的波束賦形功能。

1 數(shù)字波束形成技術(shù)原理

數(shù)字波束形成技術(shù)原理如圖1所示。天線由N個(gè)天線陣元組成，對(duì)于某一方向(α角度)的入射信號(hào)，通過(guò)對(duì)由于接收天線空間位置不同引起的傳播程差導(dǎo)致的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行同向疊加，實(shí)現(xiàn)該方向的波束形成，最終完成該方向的最大能量接收。DBF基本處理數(shù)學(xué)模型如下式：

(1)

式中，N是通道數(shù)，Dn為第n通道實(shí)信號(hào)正交下變頻再進(jìn)行通道幅相校正后的輸入復(fù)信號(hào)，Wkn為加權(quán)系數(shù)，Bk為第k方向的形成波束，d是天線陣元間隔，λ是信號(hào)波長(zhǎng)，α是來(lái)波方向。

圖1 DBF原理示意圖

2 DBF多波束中頻接收系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)處理的信號(hào)來(lái)波方向共有20個(gè)波位，成一維線性均勻分布，每個(gè)波位間隔5°，分布位置及定義如圖2所示，從左至右依次定義為1.2…20號(hào)波位，其中10號(hào)波位位于天線陣列正前方，波束偏角為0，1號(hào)波位波束偏角為-45°，2號(hào)波位波束偏角為-40°，以此類(lèi)推，20號(hào)波位波束偏角為50°。陣列天線分布共由4個(gè)陣元組成，如圖2所示，從左至右分別定義為1、2、3和4號(hào)陣元。

圖2 波位示意圖

DBF多波束中頻接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，共由中頻采集模塊(AD)、中頻處理模塊(FPGA)和上位機(jī)控制模塊(PC)三部分組成。中頻采集模塊對(duì)四路天線陣元的信號(hào)進(jìn)行采樣后，將數(shù)據(jù)送入中頻處理模塊，中頻處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，根據(jù)上位機(jī)控制模塊選擇的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。具體的工作流程如下，由四路天線陣元接收的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)四路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，送入FPGA模塊，在FPGA模塊中，將四路數(shù)字信號(hào)分別送入數(shù)字下變頻電路，形成8路正交零中頻數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)也可看作包含輸入信號(hào)幅度和相位信息的復(fù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)幅相校正之后與指定20組復(fù)加權(quán)系數(shù)在波束形成模塊進(jìn)行加權(quán)合成，形成指定20個(gè)方向的波束信號(hào)，再根據(jù)上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口給中頻處理模塊發(fā)送的工作模式，經(jīng)由網(wǎng)口進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的上傳，在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)或存儲(chǔ)。

圖3 DBF多波束接收系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)有3種工作模式：?jiǎn)尾ㄊぷ髂Ｊ健㈦p波束工作模式、多波束工作模式。在單、雙波束工作模式下，系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)指定的1或2個(gè)波位進(jìn)行波束形成(按照?qǐng)D2所定義的波位，1到20任選)，將波束形成后的復(fù)信號(hào)的幅度在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)；在多波束模式下，系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)指定的16個(gè)波位進(jìn)行形成(1到20任選)，將1 s內(nèi)形成的各波束復(fù)信號(hào)的原始數(shù)據(jù)存入DDR3，再通過(guò)網(wǎng)口組幀發(fā)送，上位機(jī)將數(shù)據(jù)分16個(gè)波位存成文件，以供后續(xù)分析處理。

3 各模塊的設(shè)計(jì)

3.1 四通道聯(lián)合正交下變頻

(2)

形成β方向波束的各通道的加權(quán)復(fù)系數(shù)為：

(3)

各通道的復(fù)信號(hào)和加權(quán)復(fù)系數(shù)相乘累加所得的復(fù)數(shù)即為形成波束，可知，只有當(dāng)β=α?xí)r所得的形成波束的幅度才能達(dá)到最大值。

圖4 DBF四通道聯(lián)合正交下變頻

3.2 幅相校正

由于本系統(tǒng)對(duì)4通道之間的相位一致性和通道平穩(wěn)性要求較高，因此需要對(duì)輸入中頻的信號(hào)進(jìn)行幅相校正，以修正射頻電纜和AD通道造成的通道間的系統(tǒng)誤差。福相校正模塊原理圖如圖5所示，在系統(tǒng)剛開(kāi)始工作時(shí)，從微波前端接入自檢信號(hào)(即保證輸入的信號(hào)是幅相高度一致的)，此時(shí)在經(jīng)過(guò)正交下變頻后4路的復(fù)信號(hào)分別為A1ej0，A2ejβ2，A3ejβ3，A4ejβ4，其中A2,A3,A4,β2,β3,β4就是由于通道間差異造成的幅相誤差。

圖5 幅相校正示意圖

在FPGA中進(jìn)行復(fù)數(shù)的除法，采用復(fù)數(shù)除法公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如下式：

(4)

由FPGA實(shí)現(xiàn)該幅相校正的算法，主要通過(guò)控制位寬實(shí)現(xiàn)。假定輸入的信號(hào)位寬為21 bit，即a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4都是21 bit，經(jīng)過(guò)校正模塊后的輸出也應(yīng)為21bit。在校正命令到來(lái)之前，輸入信號(hào)直接輸出即可，在校正命令到達(dá)之后，第一路直接輸出，其他路先進(jìn)行幅相校正系數(shù)的運(yùn)算，再將輸入信號(hào)與幅相校正系數(shù)相乘得到的結(jié)果截位進(jìn)行輸出。主要問(wèn)題就集中在幅相校正系數(shù)的運(yùn)算和校正之后的截位運(yùn)算。

首先討論幅相校正系數(shù)的運(yùn)算，由上式可以看出分子為21 bit*21 bit得42 bit，加減法不擴(kuò)展位寬，分母也是21 bit*21 bit得42 bit。在使用除法IP核時(shí)，將分子分母同時(shí)截取高32 bit作為除法器的輸入，這時(shí)候除法器輸出1bit符號(hào)位、32 bit整數(shù)部分和31 bit小數(shù)部分。將它們?nèi)绫?進(jìn)行拼接，即所得幅相校正系數(shù)為64 bit。

表1 幅相校正系數(shù)

然后進(jìn)行幅相校正的乘法運(yùn)算，輸入復(fù)信號(hào)乘以幅相校正系數(shù)，運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示(85 bit)。

表2 幅相校正乘法運(yùn)算結(jié)果

4 DBF系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文以Xilinx公司XC6VLX240T為主芯片的自制板卡上實(shí)現(xiàn)了4通道20波束的多波束接收系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為微波暗室，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在10號(hào)波位(正前方30m處)放置信號(hào)源，將接收天線陣元放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，接收信號(hào)模擬下變頻后送入DBF多波束中頻接收系統(tǒng)處理，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行-65°～65°的旋轉(zhuǎn)，接收處理結(jié)果如圖6和圖7所示，分別對(duì)應(yīng)經(jīng)過(guò)解算后10號(hào)波位和9號(hào)波位的方向圖。

圖6 10號(hào)波位方向圖

圖7 9號(hào)波位方向圖

在圖6中，使用10號(hào)波位的形成波束觀測(cè)所測(cè)信號(hào)峰值在轉(zhuǎn)臺(tái)為0度角方向，對(duì)照?qǐng)D2所定義的波束方向，10號(hào)波位定義為0°方向形成波束，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。

在圖7中，使用9號(hào)波位的形成波束觀測(cè)所測(cè)信號(hào)峰值在5度角方向，對(duì)照?qǐng)D2所定義的波束方向，9號(hào)波位定義在-5°方向形成波束，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)向右旋轉(zhuǎn)5°時(shí)，正好使得9號(hào)波位對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源，形成波束幅度最大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于FPGA的DBF多波束中頻接收系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)通道間失配的校正，從而完成精確的波束賦形功能。

5 結(jié)論

本文采用單FPGA實(shí)現(xiàn)了DBF多波束接收系統(tǒng)，獨(dú)特的四通道聯(lián)合正交下變頻模塊嚴(yán)格的保證了通道間的相位一致性，利用嚴(yán)格的幅相校正算法并靈活使用FPGA的除法功能，使得系統(tǒng)不再采用DSP完成相關(guān)計(jì)算，F(xiàn)PGA可獨(dú)立完成DBF多波束接收系統(tǒng)的全部功能，同時(shí)利用網(wǎng)口與上位機(jī)相連，可靈活的由上位機(jī)提供加權(quán)權(quán)值，為可重構(gòu)的DBF多波束接收系統(tǒng)的研制踏出了關(guān)鍵的一步，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)通道間失配的校正，從而完成精確的波束賦形功能。

[1] 程 偉, 左繼章, 許悅雷. 數(shù)字波束形成器的FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2003, 25(5): 34-36.

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Design and Implementation of DBF Multi Beam IF Receiving System Based on FPGA

Peng Bo，Zhang Bo

(College of Electronical and Information Engineering, Bei Hang University, Beijing 100191，China)

A DBF array can make full use of the spatial information obtained by the array antenna, and the super resolution and low sidelobe performance of the beam can be obtained by using the signal processing technique. It consists of antenna elements, RF down-converter, AD sampling, IF receiving system and PC controller. focusing on the specific scheme of digital beam forming for IF receiving system, a solution of amplitude and phase correction is proposed for each channel mismatch caused by multi channel reception and AD quantization consistency. In this paper, the key technologies during the development is analyzed. The experimental results show that the design of the DBF multi beam IF receiving system can effectively realize the correction of the channel mismatch, and realize the accurate beam forming function.

digital beam forming(DBF); channel mismatch; amplitude and phase correction

2015-12-31；

2016-02-24。

彭 博(1993-)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2016)07-0227-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.061

TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A