蔣留兵

(1.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學(xué))，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) a.計算機與信息安全學(xué)院;b.信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

?

一種動中通地面跟蹤系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)*

蔣留兵**

(1.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室(桂林電子科技大學(xué))，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué) a.計算機與信息安全學(xué)院;b.信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對動中通系統(tǒng)在跟蹤狀態(tài)下可能失去空中目標(biāo)、純機械掃描系統(tǒng)搜索速度慢等問題，設(shè)計了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的新型動中通地面系統(tǒng)。系統(tǒng)天線接收的信號經(jīng)射頻處理輸入數(shù)字信號處理器，運算得到相關(guān)信息，以判斷目標(biāo)方位。上位機控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，有良好的人機交互，系統(tǒng)可在失去空中目標(biāo)后快速搜索或跟蹤。水平方向上由直流電機驅(qū)動天線陣對360°方位掃描覆蓋，俯仰方向上采用不同角度的波束切換，在短時間內(nèi)依據(jù)能量準(zhǔn)則定位空中目標(biāo)方位，提高了動中通系統(tǒng)的運行效率。

動中通；地面跟蹤系統(tǒng)；能量準(zhǔn)則；波束切換；方位跟蹤

1 引 言

由于動中通系統(tǒng)優(yōu)于其他通信系統(tǒng)，保證發(fā)送方或接收方在快速運動當(dāng)中仍能與目標(biāo)保持通信鏈路暢通、高質(zhì)量地進(jìn)行通信，因此，在各種移動載體(如汽車、飛機、輪船)上均廣泛使用[1]，尤其是在戰(zhàn)場環(huán)境、搶險救援過程中發(fā)揮著極其重要的作用。

地面設(shè)備啟動后首先要搜索空中設(shè)備，確定空中目標(biāo)的位置。若能快速、準(zhǔn)確地確定空中目標(biāo)的方位，將使其與空中設(shè)備的通信效率大大提高?？罩心繕?biāo)在不停地移動，完成搜索后，地面設(shè)備還要通過不斷調(diào)整天線的方向使之始終對準(zhǔn)空中目標(biāo)，以保持最佳通信狀態(tài)，即跟蹤空中設(shè)備。但由于動中通系統(tǒng)的地面載體處于不斷運動過程中，空中的目標(biāo)也不斷運動，兩者的運動使地面設(shè)備的天線在搜索時可能找不到空中平臺，甚至在跟蹤狀態(tài)下，地面天線也可能偏離，失去空中目標(biāo)?？傊?，動中通地面設(shè)備工作時，不可能一直處于跟蹤狀態(tài)。地面設(shè)備關(guān)機、目標(biāo)丟失等因素都需要重新進(jìn)行搜索、重新獲取目標(biāo)，這是動中通系統(tǒng)當(dāng)前要解決的主要問題。

針對這些問題，文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種相控陣天線，可以在水平方向完成360°搜索，俯仰也可以實現(xiàn)80°覆蓋，但是其工作模式復(fù)雜，造價昂貴，在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)效益最大化。為了彌補相控陣天線覆蓋范圍不足的缺陷，文獻(xiàn)[3]提出了相控陣+伺服輔助方式完成了天線跟蹤算法和原理樣機設(shè)計和實現(xiàn)，提高了通信鏈路信噪比。但是當(dāng)系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行搜索時，俯仰、水平依然屬于機械掃描方式，無法在系統(tǒng)失去目標(biāo)后快速搜索到目標(biāo)。

本文在分析動中通跟蹤問題的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)模塊化，首先通過軟件調(diào)試，然后對分模塊進(jìn)行硬件測試，最后連接各個模塊進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實現(xiàn)系統(tǒng)的搜索、跟蹤功能，實現(xiàn)發(fā)射、搜索、跟蹤3個狀態(tài)的快速切換。

2 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字信號處理器，上位機連接數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)上位機指令控制整個系統(tǒng)工作。天線陣包括4×2的天線陣列平面，該平面安裝于天線座上，與水平面成45°角。天線陣列中，左側(cè)上下分布的4單元天線通過巴特勒矩陣的相移技術(shù)[4]可從水平面的0°到豎直面的90°形成4個波束，每個波束覆蓋俯仰方向的22.5°，圖1是俯仰波束指向圖。同理，右側(cè)(R)4單元可形成與左側(cè)(L)對稱的4個波束，因此共分布4對波束。切換4對波束，可實現(xiàn)俯仰90°內(nèi)的全覆蓋。

圖1 俯仰波束指向圖

天線座的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機連接驅(qū)動天線座的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。直流電機控制天線陣轉(zhuǎn)動一周即實現(xiàn)天線單元波束水平方向360°方位角全覆蓋。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)意圖。

射頻處理模塊的8個微波開關(guān)通過控制巴特勒矩陣使天線陣形成俯仰方向上的一對波束。數(shù)字信號處理器通過RS232串口與直流電機連接，控制其轉(zhuǎn)動，從而控制天線陣的水平方位角。

數(shù)字信號處理器通過8路輸入/輸出接口與射頻處理模塊連接，發(fā)送指令控制天線微波開關(guān)，每次導(dǎo)通一對俯仰角度相同的波束對應(yīng)的微波開關(guān)，形成一對波束發(fā)射或接收射頻信號，接收的射頻信號送入射頻處理模塊，射頻處理模塊的輸出端經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)字信號處理器輸入端連接。

射頻處理模塊接收當(dāng)前導(dǎo)通的天線陣中某對波束的射頻信號，對兩路信號進(jìn)行下變頻處理，然后進(jìn)行相減與相加，得到的差路及和路信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸入數(shù)字信號處理器。

數(shù)字信號處理器對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳送的信號處理，得到俯仰角度相同的一對波束的接收信號的能量和相位差。

2.2 FPGA處理器結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號處理器一般采用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)。

數(shù)字信號處理器包括中心控制處理模塊[5]、波束切換模塊、直流電機模塊和直接數(shù)字控制(Direct Digital Control，DDC)[6]模塊。數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)示意圖

中心控制處理模塊包括總控子模塊、發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊。

總控子模塊配有RS232串行接口，通過該串行接口與上位機連接，接收上位機指令。總控子模塊連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，根據(jù)上位機指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令。

發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊連接并控制波束切換模塊和直流電機模塊。

發(fā)射子模塊連接波束切換模塊和直流電機模塊，根據(jù)總控子模塊傳送的上位機發(fā)射指令。

搜索子模塊連接DDC模塊，接收DDC模塊得到的當(dāng)前和路信號模值，據(jù)此確定需要形成的俯仰方向上的波束，并發(fā)送指令給波束切換模塊。

跟蹤子模塊連接DDC模塊，接收DDC模塊得到的和路信號模值，確定需要形成的俯仰方向上的波束，并發(fā)送指令給波束切換模塊；同時接收DDC模塊的兩路信號的相位差，據(jù)此確定目標(biāo)在水平方向的偏移量。

直流電機模塊的輸入端連接中心控制模塊，接受指令，直流電機模塊的輸出端連接直流電機。根據(jù)指令設(shè)置直流電機的轉(zhuǎn)速和角度，或者查詢直流電機當(dāng)前的水平方位角。

波束切換模塊的輸入端連接中心控制模塊，接受指令，波束切換模塊模塊的輸出端連接4對輸入/輸出接口，每次只能打開一對輸入/輸出接口或全部關(guān)閉。

DDC模塊的輸入端經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接射頻信號處理模塊，接收差路及和路信號，對其進(jìn)行正交下變頻低通濾波，得到I、Q兩路信號并取模。求得和路信號的模值及兩個天線單元信號的相位差，和路信號的模值表示信號強度。DDC模塊將和路信號模值送入搜索子模塊，將和路信號模值和接收信號相位差送入跟蹤子模塊。

3 跟蹤實現(xiàn)

3.1 依據(jù)能量準(zhǔn)則實現(xiàn)多波束的切換

假設(shè)信號為S1(t)，到達(dá)波束A和波束B的能量為PA、PB，如圖4所示。

圖4 確定俯仰角度依據(jù)示意圖

由于

PA/PB∝(θ-θB)/(θA-θ),

(1)

則信號的方向

θ∝(PAθA+PBθB)/(PA+PB)。

(2)

式中：θA為A波束仰角，θB為B波束仰角。

波束之間的切換[7]依據(jù)能量準(zhǔn)則[8]，如圖4中的情況PA>PB，在跟蹤時將A波束作為主跟蹤波束。為實時監(jiān)測信號波達(dá)方向，需每間隔一段時間，將4個波束依次切換一次，根據(jù)信號能量重新確定主跟波束。

3.2 根據(jù)相位差實現(xiàn)方位跟蹤

系統(tǒng)在跟蹤狀態(tài)通過檢測俯仰角度相同的一對波束接收信號的相位差確定目標(biāo)在水平方向上的偏移，當(dāng)相位差超過一定數(shù)值時，需要控制伺服電機旋轉(zhuǎn)一定角度來修正天線的方位角指向，完成對天線方位角的閉環(huán)控制，從而對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤[9]。

俯仰角度相同的一對波束的兩路信號經(jīng)過射頻處理模塊處理得到兩路信號，將兩路信號進(jìn)行求差、求和得到差、和信號：

Ssub=A1cos(ωct+τ1)-A2cos(ωct+τ2)，

(3)

Sadd=A1cos(ωct+τ1)+A2cos(ωct+τ2)。

(4)

式中：A1、A2分別為兩路信號經(jīng)射頻處理后的振幅，ωc為其角速度，τ1、τ2分別為初相。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別對差、和信號進(jìn)行采樣，然后將采樣所得的數(shù)據(jù)送入FPGA，對兩路信號進(jìn)行數(shù)字下變頻，兩路正交本振信號為

SI=Acos(ωt)，

(5)

SQ=Asin(ωt)。

(6)

將差路、和路采樣信號分別與兩路正交本振信號混頻，得

SsI=Acos(ωt)[A1cos(ωct+τ1)-A2cos(ωct+τ2)]，

(7)

SsQ=Asin(ωt)[A1cos(ωct+τ1)-A2cos(ωct+τ2)]，

(8)

SaI=Acos(ωt)[A1cos(ωct+τ1)+A2cos(ωct+τ2)]，

(9)

SaQ=Asin(ωt)[A1cos(ωct+τ1)+A2cos(ωct+τ2)]。

(10)

將4路信號進(jìn)行數(shù)字低通濾波，得到濾波信號為

(11)

(12)

(13)

(14)

經(jīng)推算可得出兩路信號的相位差

(15)

從而將相位差作為跟蹤過程中水平角度偏移的依據(jù)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

3.3 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)開機后處于待機狀態(tài)，等待上位機的指令。本系統(tǒng)的工作狀態(tài)為發(fā)射狀態(tài)、搜索狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)，由上位機控制。系統(tǒng)運行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行流程

3.3.1 發(fā)射狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)，總控子模塊接收到發(fā)射指令，放棄當(dāng)前的發(fā)射，重新按照接收的發(fā)射指令進(jìn)行發(fā)射。若接收到跟蹤指令、搜索指令或待機指令，則系統(tǒng)立即進(jìn)入到對應(yīng)狀態(tài)。

總控子模塊根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯發(fā)射指令并發(fā)送給發(fā)射子模塊，發(fā)射子模塊將發(fā)射指令中波束號傳送給波束切換模塊，控制對應(yīng)的輸入/輸出接口，以接通對應(yīng)的微波開關(guān)。同時,發(fā)射子模塊根據(jù)發(fā)射指令中的轉(zhuǎn)速和角度，將角度、轉(zhuǎn)速控制指令發(fā)送到直流電機模塊，后者控制直流電機驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)動達(dá)到所需水平方位角，形成上位機指定的波束并發(fā)射信號。

3.3.2 搜索狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、發(fā)射指令或新的搜索指令、待機指令，則暫存指令，待當(dāng)前搜索完成，立即執(zhí)行所保存的指令。當(dāng)前搜索完成后，若沒有保存的指令，系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)。

總控子模塊接收到搜索指令即啟動搜索子模塊，搜索子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(zhuǎn)動至搜索初始位置，并從搜索初始位置順時針方向按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，在直流電機轉(zhuǎn)動過程中，搜索子模塊根據(jù)搜索指令控制波束切換模塊，波束切換模塊令4對輸入/輸出接口快速輪流切換；直流電機每轉(zhuǎn)動10°，俯仰方向上完成一次4對波束的切換。

搜索狀態(tài)下，射頻處理模塊接收的信號經(jīng)其處理后送入DDC模塊，搜索子模塊接收DDC模塊得到的當(dāng)前和路信號模值，當(dāng)信號模值連續(xù)100個周期(系統(tǒng)工作時鐘的周期，10 MHz)超過模值門限值(實測出現(xiàn)目標(biāo)時約為模值的85%)認(rèn)定出現(xiàn)目標(biāo)(信號中存在噪聲，如果信號一過門限就認(rèn)定出現(xiàn)目標(biāo)，有可能是噪聲誤判)，立即查詢當(dāng)前直流電機方位角度并保存，且保存俯仰方向上波束的波束號。

當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動到搜索終點時，搜索子模塊比較所保存的信號模值，最大值對應(yīng)的水平方位角度和波束號即為目標(biāo)所在位置，并將所得空中目標(biāo)位置的水平方位角度和波束號發(fā)送給總控子模塊，總控子模塊將搜索結(jié)果上傳給上位機。

如果總控子模塊接收的上位機搜索指令中包含搜索完成后轉(zhuǎn)為跟蹤，當(dāng)搜索完成后總控子模塊啟動跟蹤子模塊；否則，系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)。

3.3.3 跟蹤狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令，放棄當(dāng)前的跟蹤，重新按照接收的跟蹤指令進(jìn)行跟蹤。若接收到的是發(fā)射指令、搜索指令或待機指令，則系統(tǒng)立即進(jìn)入到對應(yīng)狀態(tài)。

總控子模塊接收到跟蹤指令即啟動跟蹤子模塊，跟蹤子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(zhuǎn)動至跟蹤指令規(guī)定的方位角度，跟蹤子模塊根據(jù)跟蹤指令控制波束切換模塊輪流切換俯仰方向上4對波束，跟蹤子模塊保存每對波束形成時的信號強度，比較4對波束的數(shù)據(jù)，并形成信號強度最高的的一對波束，檢測此對波束相位差值，當(dāng)檢測到其相位差連續(xù)20個周期大于相位差閾值(實測目標(biāo)水平方向偏移1°時相位差的95%)，說明目標(biāo)已偏離當(dāng)前的水平方位角，根據(jù)相位差的正負(fù)確定轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)相位差的值控制直流電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以跟蹤目標(biāo)。

4 測試結(jié)果

在實驗室環(huán)境中對系統(tǒng)搜索目標(biāo)時間、跟蹤性能以及各個工作狀態(tài)間切換效果進(jìn)行了測試。天線陣(已安裝天線罩)和天線座實體如圖6所示，圖7為整體測試場景圖，表1為搜索角度與給定角度的對比。

圖6 天線陣和天線座

圖7 整體測試場景

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可在水平方向和俯仰方向準(zhǔn)確確定目標(biāo)方位。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)方位角位于45°以內(nèi)時，搜索時間大約需要8 s；方位角位于315°～360°，搜索時間大約需要5 s。在實驗室條件下，使天線跟蹤目標(biāo)，性能比較穩(wěn)定，上位機可通過發(fā)送指令靈活地控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文以FPGA為核心，設(shè)計了一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)。在系統(tǒng)實現(xiàn)時，為使系統(tǒng)具有高實時性，充分發(fā)揮FPGA的并行處理能力，提高系統(tǒng)實時性。在系統(tǒng)軟件編程實現(xiàn)方面，也充分考慮軟件處理的實時性要求，并兼顧精度要求，對數(shù)字下變頻、求模等算法的并行實現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。采用上位機對信號處理模塊進(jìn)行控制，通過命令流實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的驅(qū)動，根據(jù)命令字完成軟件模塊的重組，實現(xiàn)發(fā)射、搜索、跟蹤3個工作狀態(tài)的快速切換和良好的人機交互，具有較好的實用價值。然而，本系統(tǒng)僅在實驗室理想環(huán)境下實現(xiàn)，今后需要在室外、戰(zhàn)場等環(huán)境下研究系統(tǒng)的發(fā)射、搜索和跟蹤性能。

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FPGA Implementation of Surface Tracking System fora Satellite Communication on the Move Terminal

JIANG Liubing1,2a，ZHAO Jikui2b，CHE Li1,2a，XIAO Zhitao2b

(1.Guangxi Wireless Broadband Communication and Signal Processing Key Laboratory,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China;a.School of Computer Science and Information Security;b.School of Information and Communication,2.Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

To solve the problem that mobile satellite communication system may lose spacial targets in the tracking state and the search speed of mechanical scanning system is slow,a new mobile satellite communication system based on field programmable gate array(FPGA) is designed.The signal received by system antenna is sent to the digital signal processor through radio frequency(RF) processing,then the digital signal processor estimates target’s orientation according to related information.The working state of the whole system which has a good man-computer interaction is controlled by the upper computer and system can quickly search or track after losing spacial target.The antenna array is driven by a direct current(DC) motor in the horizontal direction to achieve 360 degree azimuth scanning coverage and beam switching with different angles is used in the pitch direction. The system can locate the spacial target position according to energy criterion in a short time,and the operating efficiency of the satellite communication on the move terminal is improved.

satellite communication on the move terminal;surface tracking system;energy criterion;beam switching;azimuth tracking

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.06.018

蔣留兵，趙紀(jì)奎，車?yán)?等.一種動中通地面跟蹤系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2017,57(6):724-729.[JIANG Liubing，ZHAO Jikui，CHE Li，et al.FPGA implementation of surface tracking system for a satellite communication on the move terminal[J].Telecommunication Engineering,2017,57(6):724-729.]

2016-10-13；

2016-12-15 Received date:2016-10-13；Revised date：2016-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(61561010)；廣西自然科學(xué)基金資助項目(2013GXNSFAA019323);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(桂科攻14122006-6)；廣西教育廳科研立項項目(KY2015LX096);廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室主任基金項目(GXKL061506)

TN927

A

1001-893X(2017)06-0724-06

蔣留兵(1973—)，男，江蘇泰興人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要研究方向為雷達(dá)信號處理；

Email:jlbnj@163.com

趙紀(jì)奎(1992—)，男，河南臺前人，2014年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為雷達(dá)信號處理;

車 俐(1977—)，女，廣西桂林人，2012年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級實驗師;

肖志濤(1990—)，男，湖南安仁人，2014年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為雷達(dá)信號處理。

**通信作者：jlbnj@163.com Corresponding author：jlbnj@163.com1,2a，趙紀(jì)奎2b，車 俐1,2a，肖志濤2b