張德平+沈全成+汪慶武+郭世杰

摘要：針對(duì)星載GNSS-R海洋微波遙感器相控陣天線對(duì)波束控制提出的要求，提出了一種基于DSP+FPGA的星載GNSS-R相控陣天線波束控制系統(tǒng)，選擇高性能的DSP芯片作為核心處理器，實(shí)時(shí)計(jì)算波束控制碼，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

關(guān)鍵詞：波束控制系統(tǒng)；相控陣天線；FPGA；DSP

中圖分類號(hào)：TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0237-03

1 背景

星載相控陣GNSS-R海洋微波遙感器利用中國(guó)北斗二代、美國(guó)GPS等GNSS星座發(fā)射的L波段信號(hào)資源，對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的直射和海面反射信號(hào)進(jìn)行同步接收與實(shí)時(shí)處理，提供高密度、高精度導(dǎo)航定位解和時(shí)延多普勒相關(guān)功率數(shù)據(jù)，可為全球海面風(fēng)場(chǎng)、海面高程、有效波高等海洋動(dòng)力環(huán)境資料的獲取提供高時(shí)效微波遙感數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)海面區(qū)域覆蓋，星載GNSS-R海洋微波遙感器采用層疊式雙面多波束高增益相控陣天線，波束能夠快速掃描和變化，空域覆蓋面廣，要求波束控制系統(tǒng)算法計(jì)算精度高、反應(yīng)時(shí)間快。針對(duì)上述應(yīng)用，本文提出了一種基于DSP+FPGA的星載GNSS-R相控陣天線波束控制系統(tǒng)。

2 波束控制原理

波束控制系統(tǒng)的基本功能是根據(jù)不同的波束指向要求，完成陣列中每個(gè)單元移相器所需移相碼的計(jì)算，通過(guò)控制電路驅(qū)動(dòng)移相器移相，從而使天線波束指向規(guī)定的方向。如圖1所示，陣面單元按三角形排列。這種排列可以等效為兩個(gè)矩陣排列之和。兩個(gè)矩陣中的單元為了便于區(qū)分，分別用圓圈和方塊表示。兩矩陣相鄰單元在y和z軸上的空間相位差為：

所有的修正參數(shù)都以碼表的形式存于通用存儲(chǔ)區(qū)當(dāng)中，通過(guò)查表的方式對(duì)基本波控碼實(shí)現(xiàn)各種補(bǔ)償和修正。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

星載GNSS-R相控陣天線包含對(duì)天對(duì)地兩面相控陣天線，采用層疊式結(jié)構(gòu)安裝，共有波束控制器I和波束控制器II兩個(gè)，波束控制器采用“夾心餅干”式安裝，安裝于兩面天線中間，棧接在對(duì)天對(duì)地兩面天線的射頻前端底板上，分別完成對(duì)天多波束相控陣天線和對(duì)地多波束相控陣天線的波控碼計(jì)算，補(bǔ)償和配相，使天線波束指向駐留于預(yù)定方位，同時(shí)分別對(duì)兩個(gè)天線陣面單元實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

采用棧接的安裝方式，如圖2所示，所有控制走線通過(guò)印制底板走線，減少了系統(tǒng)控制電纜，有效降低了系統(tǒng)重量，減小了安裝空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。

同時(shí)，波束控制根據(jù)相關(guān)器單元的系統(tǒng)狀態(tài)指令，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)星載雙面GNSS-R多波束相控陣天線的多波束分時(shí)工作和同時(shí)工作進(jìn)行控制，對(duì)地/對(duì)天相控陣天線的四個(gè)波束既可分時(shí)工作也可同時(shí)工作，如圖4、圖5所示。

4 硬件方案設(shè)計(jì)

波束控制系統(tǒng)主要有三項(xiàng)功能，即波控碼計(jì)算；波控碼的通道分配；陣面監(jiān)測(cè)信息的收集與統(tǒng)計(jì)。高性能DSP運(yùn)算速度快、設(shè)備量少、工作方式多、集成度高，且具有高速運(yùn)算、接口豐富、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于控制系統(tǒng)。FPGA在算法調(diào)度，中斷和復(fù)雜總線機(jī)制上沒有DSP豐富和靈活，但它擅長(zhǎng)于高效的底層計(jì)算，資源的靈活配置和工作時(shí)序的靈活設(shè)計(jì)。

綜合DSP和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，波束控制器采用DSP+FPGA的設(shè)計(jì)方案，輔以外圍各種接口電路和存儲(chǔ)、配置電路。該硬件模塊根據(jù)需求完成相應(yīng)的邏輯設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)波束的實(shí)時(shí)運(yùn)算、接口通信設(shè)計(jì)、相位控制、狀態(tài)檢測(cè)和在線數(shù)據(jù)加載等功能。

在本方案中，DSP選用國(guó)產(chǎn)某高性能DSP，該DSP為通用32位浮點(diǎn)處理器，它們采用并行度很高的處理器結(jié)構(gòu)，從而具有許多突出的特點(diǎn)：其浮點(diǎn)運(yùn)算能力可達(dá)1G FLOPS，帶有八個(gè)功能單元的先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字（VLIW）CPU，每周期可執(zhí)行八個(gè)指令；支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，支持各種類型的存儲(chǔ)器。該DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可作為高速緩存區(qū)（Cache）。內(nèi)部程序存儲(chǔ)區(qū)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分別由各自的控制器控制。該DSP通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）使用外部存儲(chǔ)器。最重要的是，其有著較強(qiáng)的空間環(huán)境適應(yīng)性。

綜合FPGA的優(yōu)點(diǎn)，在波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)波控碼的格式轉(zhuǎn)換，通道分配以及陣面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收等任務(wù)。在該波控系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部根據(jù)功能不同將整個(gè)任務(wù)劃分為三個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)配相、陣面監(jiān)測(cè)和本系統(tǒng)自檢，其功能框圖如圖6所示。

配相單元主要以FPGA為核心器件，通過(guò)數(shù)據(jù)地址總線接收DSP的數(shù)據(jù)。同時(shí)，F(xiàn)PGA將處理后的串行波控碼以422差分形式向陣面激勵(lì)器按列配送。送數(shù)單元將計(jì)算單元算好的波控碼進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，以422差分形式向?qū)?yīng)列激勵(lì)器配送。

陣面監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)單元接收波控系統(tǒng)的自檢數(shù)據(jù)和陣面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的陣面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的統(tǒng)計(jì)規(guī)則對(duì)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。然后通過(guò)約定總線接口將處理結(jié)果回告中心計(jì)算機(jī)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在每個(gè)任務(wù)周期都將實(shí)時(shí)回告中心計(jì)算機(jī)。

5 波束控制軟件實(shí)現(xiàn)

波束控制軟件的控制流程如圖7所示，波束控制軟件的工作流程由外部調(diào)度周期信號(hào)同步觸發(fā)，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，完成波束控制碼的計(jì)算，波控配相和狀態(tài)回告。充分結(jié)合DSP和FPGA的處理特點(diǎn)，對(duì)波控任務(wù)之間的協(xié)同處理關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，優(yōu)化波控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。首先波控?cái)?shù)碼的計(jì)算主要完成基本波控碼的計(jì)算，頻率捷變和相位誤差補(bǔ)償。這些任務(wù)的完成需要根據(jù)外部波位同步周期信號(hào)和頻率捷變脈沖信號(hào)進(jìn)行靈活的程序調(diào)度。此外波控碼計(jì)算和補(bǔ)償?shù)捻樞蛐院蛯?shí)時(shí)性的特點(diǎn)要求處理器的要具備比較高的工作頻率。所有這些處理需求都比較適合應(yīng)用DSP來(lái)進(jìn)行處理。對(duì)于自定義的陣面波控碼通信協(xié)議，DSP無(wú)法產(chǎn)生特定的接口時(shí)序，同時(shí)無(wú)法做到多通道的并行數(shù)碼分配。而這一任務(wù)特點(diǎn)正符合FPGA時(shí)序產(chǎn)生靈活，和并行處理的特點(diǎn)。

波控碼的計(jì)算由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，波控系統(tǒng)的計(jì)算單元基于核時(shí)鐘頻率高和內(nèi)部存儲(chǔ)器容量大的特點(diǎn)選用了國(guó)產(chǎn)的高性能32位浮點(diǎn)DSP，波控碼的計(jì)算任務(wù)的實(shí)現(xiàn)充分考慮了其強(qiáng)大的運(yùn)算能力、靈活的中斷和程序調(diào)度機(jī)制、功能強(qiáng)大的總線結(jié)構(gòu)以及內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器等特點(diǎn)并有靈活的外部存儲(chǔ)接口。

配相單元主要完成對(duì)波控碼的接收、通道分配和格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生天線單元接收所需的同步采樣時(shí)鐘和幀同步信號(hào)。地址數(shù)據(jù)總線接收到的數(shù)據(jù)存于FPGA內(nèi)構(gòu)建的FIFO中，然后對(duì)波控碼進(jìn)行分配。分配方式為：行向分配，即首先對(duì)第一列的第一個(gè)單元分配，接著分配第二列的第一個(gè)單元直到第N列的第一個(gè)單元分配完畢，又開始新一輪行向分配，即從第一行的第二單元開始，依此類推。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合星載GNSS-R相控陣天線的工程需求，設(shè)計(jì)了基于DSP+FPGA的星載GNSS-R相控陣天線波束控制系統(tǒng)，以DSP為核心器件的計(jì)算單元用來(lái)根據(jù)波控指令計(jì)算波控碼，同時(shí)進(jìn)行波控碼的各種補(bǔ)償、拼合以及校驗(yàn)碼的計(jì)算，以FPGA為核心的配相單元充分地利用了FPGA的時(shí)序設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)波控碼的接收、通道分配和格式轉(zhuǎn)換等功能。在配相單元采用了波控碼的行向分配方式，實(shí)現(xiàn)了各通道對(duì)陣面的并行配相。從樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，這種DSP+FPGA的協(xié)同處理結(jié)構(gòu)對(duì)大型波控系統(tǒng)的計(jì)算和配相是一種有效的設(shè)計(jì)方法。

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