任鵬宇 王團(tuán)結(jié) 朱思橋
(西安電子工程研究所 西安 710100)
數(shù)字陣列天線是未來相控陣?yán)走_(dá)的重要發(fā)展方向[1],它是由大量數(shù)字收發(fā)子陣組成的有源天線前端,它將傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)集成在一個(gè)收發(fā)單元中,再將多個(gè)收發(fā)單元整合形成數(shù)字收發(fā)子陣,最終通過波束合成網(wǎng)絡(luò)形成整個(gè)天線陣列。數(shù)字陣列天線的組成結(jié)構(gòu)可由圖1進(jìn)行描述。
圖1 數(shù)字陣列天線的組成
由圖1可以看出,數(shù)字陣列天線的應(yīng)用需要與頻率綜合器和信號(hào)處理機(jī)共同完成[2],頻率綜合器提供系統(tǒng)的本振信號(hào)、同步信號(hào)和時(shí)序信號(hào),信號(hào)處理機(jī)負(fù)責(zé)完成每一個(gè)收發(fā)單元的參數(shù)控制以及接收信號(hào)數(shù)據(jù)的處理功能。數(shù)字陣列天線、頻率綜合器、信號(hào)處理機(jī)協(xié)同工作就形成了典型的數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。
數(shù)字陣列天線的實(shí)現(xiàn)方式主要分為兩類,如圖2所示。一類是通過對(duì)模擬收發(fā)組件進(jìn)行數(shù)字化采樣,產(chǎn)生接收數(shù)據(jù);另一類則是直接采用數(shù)字收發(fā)器SOC完成收發(fā)功能。兩類實(shí)現(xiàn)方式的共同點(diǎn)是接收端輸出由模擬信號(hào)改變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)。因此,數(shù)字陣列天線的遠(yuǎn)場幅相測試需要針對(duì)其自身特點(diǎn)進(jìn)行方法設(shè)計(jì),對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,得到所需的測試結(jié)果。本文將著重針對(duì)數(shù)字收發(fā)器SOC實(shí)現(xiàn)的數(shù)字陣列天線的遠(yuǎn)場幅相測試進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
圖2 數(shù)字陣列天線的實(shí)現(xiàn)方式
在數(shù)字陣列天線的實(shí)際應(yīng)用過程中,每一個(gè)收發(fā)通道的遠(yuǎn)場幅度和相位參數(shù)是十分重要的,它們直接影響到陣列天線合成波束的信號(hào)質(zhì)量[3]。在天線遠(yuǎn)場對(duì)每一個(gè)收發(fā)通道的幅度和相位進(jìn)行測量后,應(yīng)用測量數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)天線陣列進(jìn)行幅度加權(quán)和相位配平處理,才能得到實(shí)際應(yīng)用所需的陣列天線合成波束。
遠(yuǎn)場幅相測試分為發(fā)射和接收兩部分[4],發(fā)射測試是在天線遠(yuǎn)場位置通過幅相測量設(shè)備對(duì)數(shù)字陣列天線每一個(gè)通道發(fā)射信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行測量。接收測試是在天線遠(yuǎn)場位置輻射一模擬回波信號(hào),數(shù)字陣列天線接收該模擬回波信號(hào),測量每一個(gè)通道接收到信號(hào)的幅度和相位。如圖3所示。
圖3 遠(yuǎn)場幅相測試原理框圖[5]
分別進(jìn)行發(fā)射和接收幅相測試,得到測量結(jié)果數(shù)據(jù)庫后,可以通過計(jì)算得到天線幅度和相位的賦型系數(shù)。對(duì)數(shù)字陣列天線每一個(gè)通道的收發(fā)器SOC進(jìn)行數(shù)據(jù)賦型[6]操作,再通過對(duì)數(shù)字陣列發(fā)射和接收方向圖指標(biāo)判斷賦型系數(shù)的正確性,最終完成數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試。
根據(jù)數(shù)字陣列天線自身的特點(diǎn)以及其在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的環(huán)境,遠(yuǎn)場幅相的測試方法基于基本測試原理進(jìn)行了部分優(yōu)化和改良。
對(duì)于發(fā)射測試而言,常見的方式是在天線遠(yuǎn)場端使用頻譜分析儀[7]進(jìn)行幅度測量,使用雙通道示波器進(jìn)行相位測量。這樣的測試方式的優(yōu)勢(shì)在于原理簡單、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。但是同時(shí)也存在著一些問題,諸如設(shè)備應(yīng)用量大、遠(yuǎn)程信號(hào)同步困難、相位漂移問題難以解決等諸多問題。
因此,在進(jìn)行發(fā)射測試方法設(shè)計(jì)時(shí)可以利用數(shù)字陣列天線自身具備的收發(fā)一體的功能,將發(fā)射信號(hào)直接進(jìn)行回傳,通過自身的接收功能獲得信號(hào)數(shù)據(jù),再通過計(jì)算得到信號(hào)的幅度和相位測量結(jié)果。
不過,由于相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí),發(fā)射和接收工作是通過時(shí)分的方式完成,即在一個(gè)雷達(dá)CPI內(nèi)分配不同的時(shí)間段進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收。雷達(dá)CPI工作原理如圖4所示。
圖4 雷達(dá)CPI時(shí)分工作原理
因此在信號(hào)回傳的過程中應(yīng)在遠(yuǎn)場端設(shè)置延時(shí)裝置,通過空間延時(shí)和延時(shí)裝置延時(shí)共同將送到收發(fā)端口的信號(hào)延時(shí)至接收時(shí)段,保證回傳信號(hào)接收正常。延時(shí)裝置的工作原理圖5所示。
圖5 延時(shí)裝置工作的原理
由圖4和圖5可以看出,要保證發(fā)射信號(hào)能夠正常接收,發(fā)射信號(hào)空間傳輸經(jīng)過延時(shí)裝置延時(shí)后回傳,應(yīng)恰好落入雷達(dá)CPI的接收時(shí)段內(nèi)。
對(duì)于接收測試而言,常見的方式是在天線遠(yuǎn)場端設(shè)置通用信號(hào)發(fā)生器,發(fā)射模擬回波信號(hào),切換陣列天線每一個(gè)接收通道分別工作測量計(jì)算接收到信號(hào)的幅度和瞬時(shí)相位。這樣的方式主要存在的問題在于測試時(shí)間較長,信號(hào)相位漂移帶來的測試誤差會(huì)疊加進(jìn)入相位測量結(jié)果[8]。
考慮到數(shù)字陣列天線具備全通道接收信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)下傳的能力,因此在接收測試過程中采用全通道采樣數(shù)據(jù)記錄后處理的方式,通過對(duì)數(shù)據(jù)整體進(jìn)行計(jì)算得到所有接收通道幅度和相位測量結(jié)果[9]。
根據(jù)章節(jié)1.2設(shè)計(jì)的測試方法,發(fā)射和接收幅相測試的最終結(jié)果都是通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得到的,因此下面需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析計(jì)算過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。
從頻域看,數(shù)據(jù)的模體現(xiàn)信號(hào)的幅度,而實(shí)部和虛部構(gòu)成的矢量的夾角體現(xiàn)信號(hào)的相位。
如式(1)表示一個(gè)時(shí)域的連續(xù)信號(hào)。
S(t)=Acos(2πf0t+θ0)
(1)
其中:A表示信號(hào)的幅度,f0表示信號(hào)的頻率,θ0表示信號(hào)的相位。
以采樣率fs對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣后可以得到
Ss(n)=Acos(2πf0nts+θ0),n=0,1,…,N-1
(2)
其中:ts為采樣時(shí)間間隔。
再對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)FFT,可得信號(hào)的離散頻譜為
(3)
其中:k0為一整數(shù),表示信號(hào)中心頻率與頻率分辨率之間的關(guān)系。
Sf(k)在k=k0處取得最大頻譜,則有
(4)
式(4)經(jīng)過整理計(jì)算即可以得到被測信號(hào)的幅度和相位,可表示為式(5)的形式。
S=Ae-jφ
(5)
其中:A表示被測信號(hào)的幅度,φ表示被測信號(hào)的相位[10]。
上述推導(dǎo)過程可以看出,任意一個(gè)連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過采樣后,對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)FFT處理,可以得到幅度和相位兩條頻域曲線數(shù)據(jù)。對(duì)幅度的頻域曲線進(jìn)行選大處理,即找到連續(xù)波信號(hào)頻譜所在位置,在相位頻域曲線的對(duì)應(yīng)位置即可得到信號(hào)的瞬時(shí)相位。
信號(hào)的幅度和相位計(jì)算過程中,需要注意兩個(gè)問題。一是根據(jù)采樣位數(shù)和采樣最大輸入電壓將采樣數(shù)據(jù)的單位轉(zhuǎn)化為電壓單位,這樣經(jīng)過FFT后的頻譜幅度才是實(shí)際工程應(yīng)用所需的幅度。二是相位曲線數(shù)據(jù)是以弧度制表示的,必要時(shí)需要進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換,得到相位測量結(jié)果的角度信息。
根據(jù)上文對(duì)測試方法的設(shè)計(jì)分析,結(jié)合工程實(shí)際[11],數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試的硬件組成如圖6所示。
報(bào)名截止日期:2018年12月16日。聯(lián)系人:Antonio di Cristofano;聯(lián)系地址:Associazione Musicale "A.Scriabin", Via Etiopia, 25, I-58100 Grosseto, Italy;電話:(+39)0564 - 491805, 334-6608436;傳真:(+39)0564 - 491805;郵箱:antoniodicristofano@gmail.com ;網(wǎng)址:http://www.premioscriabin.it/。
圖6 硬件組成結(jié)構(gòu)
從圖6可以看出,終端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)測試過程中的控制和數(shù)據(jù)處理,其通過網(wǎng)線與信號(hào)處理機(jī)相連,通過UDP協(xié)議向信號(hào)處理機(jī)的DPS控制板發(fā)送控制指令,配置數(shù)字陣列天線的工作,同時(shí)從信號(hào)處理機(jī)獲得數(shù)字陣列天線各通道的下傳數(shù)據(jù)。另外,終端計(jì)算機(jī)還利用無線網(wǎng)橋同步控制遠(yuǎn)場端的模擬回波信號(hào)源,進(jìn)行工作頻率和發(fā)射功率的配置。
信號(hào)處理機(jī)與數(shù)字陣列天線以高速數(shù)據(jù)光纖相聯(lián),負(fù)責(zé)傳遞控制指令,獲取每一個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù),并通過FPGA進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
遠(yuǎn)場端的光纖延時(shí)器負(fù)責(zé)在發(fā)射測試時(shí)將數(shù)字陣列天線某一通道的輻射信號(hào)進(jìn)行延時(shí)回傳,保證輻射信號(hào)能夠被接收通道正常接收。模擬回波信號(hào)源提供接收測試時(shí)的模擬回波信號(hào)。
整個(gè)測試流程通過終端測試軟件控制實(shí)現(xiàn),分為發(fā)射測試和接收測試兩部分。
發(fā)射測試時(shí)選擇一個(gè)固定的接收通道進(jìn)行信號(hào)接收,這樣可以保證每個(gè)發(fā)射通道在相同的接收鏈路下進(jìn)行測試,并選擇其中一個(gè)發(fā)射通道作為參考通道,以消除信號(hào)相位漂移帶來的影響。
終端控制軟件控制數(shù)字陣列天線依次遍歷每一個(gè)發(fā)射通道進(jìn)行信號(hào)輻射,并在每一個(gè)發(fā)射通道信號(hào)輻射后插入一個(gè)參考通道信號(hào)輻射,獲取每一次信號(hào)輻射后接收通道的采樣數(shù)據(jù),并進(jìn)行幅度和相位計(jì)算。軟件流程圖如圖7所示。
圖7 發(fā)射測試軟件流程圖
接收測試時(shí)模擬回波信號(hào)源輻射信號(hào),數(shù)字陣列天線所有接收通道同時(shí)進(jìn)行接收,并同時(shí)獲取采樣數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)計(jì)算得到每一個(gè)接收通道的幅度和相位測試結(jié)果。軟件流程圖[12]如圖8所示。
圖8 接收測試軟件流程圖
章節(jié)1.3中介紹了幅度和相位測試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法,通過Labview軟件可以實(shí)現(xiàn)上述處理方法。
調(diào)用Labview軟件中的頻譜測量函數(shù),在該函數(shù)的信號(hào)輸入端輸入經(jīng)預(yù)處理的采樣信號(hào)數(shù)組,通過函數(shù)運(yùn)算就可以得到相應(yīng)的幅度曲線和相位曲線。對(duì)幅度曲線通過最大值和最小值函數(shù)進(jìn)行選大處理,就可以得到幅度曲線中信號(hào)的幅度測量結(jié)果和頻譜索引,再在相位曲線中索引對(duì)應(yīng)位置的相位測量值,就可以得到相位測量結(jié)果。
如對(duì)于一個(gè)圖9所示的連續(xù)波信號(hào),通過頻譜測量函數(shù)進(jìn)行處理,得到如圖10和圖11所示的幅度曲線和相位曲線,對(duì)圖10的幅度曲線進(jìn)行選大處理,得到信號(hào)的幅度結(jié)果,再利用信號(hào)頻譜的索引在圖11的相位曲線中獲取信號(hào)的相位結(jié)果。
圖9 連續(xù)波信號(hào)
圖10 幅度曲線
圖11 相位曲線
得益于數(shù)字陣列天線測試過程中,接收信號(hào)輸出和測量結(jié)果的高度數(shù)據(jù)化,可以在測試終端軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)建立測試數(shù)據(jù)庫,為未來測試優(yōu)化、問題排查、智能測試構(gòu)建提供大數(shù)據(jù)支持。
數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)如圖12所示。通過對(duì)遠(yuǎn)場幅相測試的各類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄,積累大量的測試信息,可以利用大數(shù)據(jù)分析的手段得到諸如測試參數(shù)變化的測試結(jié)果的影響,信號(hào)質(zhì)量在不同頻率和幅度配置狀態(tài)下的特點(diǎn),環(huán)境變化對(duì)測試結(jié)果的影響等眾多具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。
圖12 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)
通過對(duì)實(shí)際數(shù)字陣列天線進(jìn)行遠(yuǎn)場測試驗(yàn)證,得到某通道的幅度和相位多次測量結(jié)果如表1和表2所示。測試過程中每組測量結(jié)果的得出均間隔一定的時(shí)間,以便衡量測量的穩(wěn)定性。
表1 幅度測量結(jié)果
表2 相位測量結(jié)果
從測試驗(yàn)證結(jié)果可以看出,幅度測量結(jié)果與相位測量結(jié)果在多次重復(fù)測量中穩(wěn)定性較高,可以滿足數(shù)字陣列天線實(shí)際測試的需求。
本文具體論述了數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試的基本原理,測試方法的設(shè)計(jì),測試硬件的組成,基于Labview平臺(tái)的軟件邏輯和數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)方法,并根據(jù)數(shù)字陣列天線數(shù)據(jù)化的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了測試數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)架構(gòu),無論對(duì)具體的測試過程實(shí)現(xiàn)還是對(duì)未來大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用都有實(shí)際的借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。