中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 張雨明

在多目標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)中，采用數(shù)字多波束技術(shù)能夠獲得更多的同時(shí)多目標(biāo)數(shù)量、更靈活的系統(tǒng)配置方式和更強(qiáng)的擴(kuò)展性。本文針對(duì)FDMA系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字接收組件，每個(gè)數(shù)字接收組件能夠?qū)?個(gè)16陣元的接收天線子陣進(jìn)行信號(hào)處理，形成8個(gè)同時(shí)FDMA波束。工程應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了使用要求，具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠滿足使用要求。

相控陣天線根據(jù)波束形成所采用的硬件形式，可以分為模擬波束形成（ABF）和數(shù)字波束形成（DBF）。近十年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，AD、DA和處理器的性能有了巨大發(fā)展，使得DBF技術(shù)得以廣泛推廣和應(yīng)用。

DBF技術(shù)的核心和難點(diǎn)在數(shù)字TR組件。相比于模擬TR組件使用多功能幅相控制器、數(shù)控延遲器來(lái)實(shí)現(xiàn)相控陣幅相加權(quán)和時(shí)間加權(quán)，數(shù)字TR組件采用軟件無(wú)線電思想，在一定程度上能夠靈活的實(shí)現(xiàn)多波束形成，并實(shí)現(xiàn)波束主、副瓣能量管理。

1 數(shù)字波束形成技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)

數(shù)字波束的組成原理是將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和天線技術(shù)有機(jī)結(jié)合。后者主要由數(shù)字波束構(gòu)成，與此同時(shí)借助軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)算法的更新，并以不改變系統(tǒng)硬件配置為基礎(chǔ)來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的靈活度。DBF在整個(gè)流程中擔(dān)任的是接受信號(hào)并且進(jìn)行計(jì)算從而形成數(shù)字波束的任務(wù)，主波束主要為使用者服務(wù)，其他波束對(duì)方向圖起到干擾的作用。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，雷達(dá)必須具有能夠惡劣環(huán)境正常工作的能力，而DBF就能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。DBF可以通過(guò)許多的單獨(dú)束波來(lái)對(duì)接其他多徑束波并且形成完備的系統(tǒng)，充分發(fā)揮天線口徑吸收到的能源，從而讓每一個(gè)束波都等同于獨(dú)立開(kāi)展工作的天線。

在測(cè)控通信系統(tǒng)中引入數(shù)字波束形成技術(shù)，有利于提高系統(tǒng)的靈活性、提高系統(tǒng)的抗干擾、抗截獲能力；數(shù)字波束形成技術(shù)能夠靈活的對(duì)抗寬帶信號(hào)帶來(lái)的孔徑渡越效應(yīng)，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸帶寬[1]。

(1)能夠調(diào)整主波束和副辦方向圖?？梢哉{(diào)整相關(guān)因素從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的影響，使其在方向圖形成零點(diǎn)。

(2)形成聯(lián)系密切的近空多波束。DBF能夠在相同的時(shí)間里產(chǎn)生多個(gè)低副瓣波束，保證通信系統(tǒng)的總信息傳輸功能。

(3)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)天線降低副辦。在DBF處理系統(tǒng)中應(yīng)用校對(duì)系統(tǒng)，有助于降低數(shù)字波束的頻率，提高束波收發(fā)的質(zhì)量?？梢詼p弱導(dǎo)彈在發(fā)射時(shí)收到的反輻射，還能降低在收取信息時(shí)的干擾能力。

(4)精準(zhǔn)校對(duì)陣列方向圖。DBF技術(shù)能夠使單元之間的校準(zhǔn)更加方便、快速，減少失誤的發(fā)生。

(5)便捷的通信資源調(diào)度和管理。在測(cè)控通信中，對(duì)波束EIRP、波束寬度、收發(fā)占空比、數(shù)據(jù)速率的綜合管理要求日益提升。數(shù)字波束形成技術(shù)能夠靈活的配置系統(tǒng)發(fā)射功率，通過(guò)自適應(yīng)加權(quán)改變波束寬度和零陷位置，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率以適應(yīng)不同速率的通信系統(tǒng)。

因?yàn)镈BF能夠同時(shí)具備上述的條件，所以能夠被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域。隨之而來(lái)的是，該技術(shù)也具有極高的難度系數(shù)和技術(shù)要求。在電子設(shè)備不斷優(yōu)化的背景下，需要處理的數(shù)據(jù)不斷增加，能否及時(shí)處理信號(hào)、接口電路是否具有較高的承受能力成為了關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)、LSI以及信號(hào)處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展，雷達(dá)DBF處理器的誕生條件已越來(lái)越完備。通常情況下，將運(yùn)用數(shù)字進(jìn)行傳輸與接受束波的技術(shù)成為數(shù)字列陣?yán)走_(dá)。數(shù)字列陣?yán)走_(dá)主要包括天線列陣、數(shù)字發(fā)收系統(tǒng)、計(jì)時(shí)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和處理系統(tǒng)等幾部分。在整個(gè)程序中，數(shù)字處理機(jī)模塊是最為關(guān)鍵的。它的主要工作就是形成數(shù)字波束。在數(shù)字列陣領(lǐng)域，束波的傳輸與接收都通過(guò)數(shù)字的形式來(lái)完成，區(qū)別于傳統(tǒng)的掃描技術(shù)，其具有更高的準(zhǔn)確性、功能性、多徑性、多層次、免干擾性、高適應(yīng)性和自動(dòng)識(shí)別等功能[2]。因此，已越來(lái)越受到通訊領(lǐng)域?qū)W者和研究人員的喜愛(ài)與追捧。

在數(shù)字列陣技術(shù)普及與應(yīng)用的背景下，寬帶數(shù)字陣列通信系統(tǒng)受到越來(lái)越多人的矚目。寬帶相控陣天線對(duì)通信系統(tǒng)的直接影響是提高了傳輸中的碼間串?dāng)_。碼間串?dāng)_的形成會(huì)惡化系統(tǒng)的解調(diào)性能，造成數(shù)據(jù)傳輸誤碼。數(shù)字波束形成技術(shù)能夠通過(guò)數(shù)字時(shí)延濾波器技術(shù)對(duì)抗由寬帶相控陣天線系統(tǒng)帶來(lái)的碼間串?dāng)_。因此，能夠有效的提高應(yīng)用于通信領(lǐng)域的寬帶相控陣天線的瞬時(shí)信號(hào)帶寬，同時(shí)降低頻率空間色散，提高波束指向精度，降低指向損耗。

2 工作原理

數(shù)字接收組件由16通道微波信道(包括低噪放、混頻器和濾波器等)、高速ADC陣列、核心處理器（FPGA）和電光轉(zhuǎn)換模塊組成。

接收射頻前端對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻和濾波，輸出16路等幅、同相中頻信號(hào)。數(shù)字同步采集板對(duì)16通道中頻信號(hào)進(jìn)行高精度同步AD轉(zhuǎn)換，由FPGA對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行接收信號(hào)處理，形成8個(gè)子陣級(jí)數(shù)字接收波束，并通過(guò)光纖將數(shù)字接收波束基帶數(shù)據(jù)發(fā)送至DBF機(jī)箱，由DBF機(jī)箱完成全陣數(shù)字波束形成。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 高速AD采樣

高速AD采樣基于JEDEC協(xié)會(huì)制定的JESD204B協(xié)議（子類I），實(shí)現(xiàn)了2GSPS采樣率下的同步采樣。基于硬件電路的16通道間的同步采樣誤差為±70ps，經(jīng)過(guò)軟件調(diào)整后，該誤差修正為±15ps；16通道間的同步采樣抖動(dòng)為±10ps。經(jīng)過(guò)相位校準(zhǔn)后，16通道間的相位誤差為±2.3°。

為了使得系統(tǒng)具備擴(kuò)展性，AD采樣的參考時(shí)鐘為外參考提供。

3.2 多波束幅相加權(quán)器

AD采樣后的數(shù)據(jù)通過(guò)高速串行接口進(jìn)入FPGA。由于采樣速率高達(dá)2GSPS，因此在FPGA內(nèi)部采用8路并行處理。

多波束幅相加權(quán)器實(shí)際上為數(shù)字正交下變頻模塊。每個(gè)加權(quán)器內(nèi)部包括相位計(jì)算模塊、同步并行DDS和正交混頻器。相位計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前波束指向，計(jì)算該波束在某一陣元的幅相權(quán)值，并補(bǔ)償加工制造不一致性帶來(lái)的幅相誤差。同步并行DDS將幅相權(quán)值和幅相誤差合并，根據(jù)指向脈沖同步更新DDS幅度、相位控制字，輸出1路正交的數(shù)字本振。正交混頻器對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行并行正交下變頻，輸出基帶I、Q數(shù)據(jù)，同時(shí)完成了幅相加權(quán)。

3.3 波束形成器

波束形成器在數(shù)字域形成和、差波束和波束用于信號(hào)解調(diào)，恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)；差波束用于波束跟蹤，用于驅(qū)動(dòng)和波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。波束形成器的工作原理和設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，不再贅述。

3.4 并行多相FIR濾波器

并行多相FIR濾波器為16階8并行多相濾波器，完成2個(gè)功能：

(1)低通濾波：濾除正交下變頻產(chǎn)生的二倍頻分量；

(2)抗抽取混疊：在抽取前，對(duì)混疊帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行抑制。

可配置FIR濾波器為一固定16階8并行多相濾波器，輸入采樣速率2GSPS，抽取因子D=8，輸出采樣率250MSPS。并行多相FIR濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多并行FIR濾波器實(shí)現(xiàn)框圖Fig. 1 Implementation block diagram of multi parallel FIR filter

FIR并行濾波器分為8相，每相濾波器的輸入為前相濾波器延時(shí)1個(gè)采樣周期；經(jīng)延時(shí)后的8并行數(shù)據(jù)輸入至并行轉(zhuǎn)換模塊，輸出17路并行數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入并行結(jié)構(gòu)FIR濾波器濾波，輸出8并行濾波數(shù)據(jù)M0M1M2……

由于濾波后進(jìn)行了抽取，因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)僅使用了第1相濾波器。16階8相8抽取濾波器使用的計(jì)算資源為：16個(gè)加法器和9個(gè)乘法器。

3.5 數(shù)據(jù)發(fā)送

將數(shù)據(jù)按照既定幀格式組幀，然后經(jīng)過(guò)Xilinx GTH IP CORE核并串轉(zhuǎn)換，輸出高速串行數(shù)據(jù)，進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換后，經(jīng)光纖傳輸至后級(jí)DBF模塊進(jìn)行合成處理。

3.6 DBF板卡

DBF板卡為多通道并行高速接收板卡。每塊DBF板具備64路光電轉(zhuǎn)換和高速GTH SERDES。通過(guò)FPGA內(nèi)部FIFO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，然后完成不同子陣間的全陣列數(shù)字波束形成。數(shù)字采集和DBF板卡的如圖2所示。

圖2 寬帶DBF板實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of broadband DBF board

3.7 測(cè)試結(jié)果

數(shù)字同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)ADC采樣：2000MSPS，14bit；(2)系統(tǒng)帶寬：600MHz；(3)單波束瞬時(shí)帶寬：≤64MHz；(4)同時(shí)多波束數(shù)量：8個(gè)；(5)單波束單通道數(shù)據(jù)傳輸速率：≤9Gbps（編碼后）；(6)系統(tǒng)處理時(shí)延：≤200ns；(7)系統(tǒng)寬帶時(shí)延能力：≤500ps。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)分機(jī)試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該寬帶數(shù)字波束形成系統(tǒng)波束合成損失≤0.2dB，和差波束指向精度優(yōu)于10mrad（RMS），具備良好的擴(kuò)展性和實(shí)現(xiàn)性，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求指標(biāo)。

寬帶字波束形成技術(shù)是現(xiàn)階段相關(guān)信息領(lǐng)域的研究熱門，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極作用。本文針對(duì)寬帶數(shù)字波束的形成系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析，但是該技術(shù)輻射到的領(lǐng)域十分廣泛，依然由許多相關(guān)內(nèi)容與問(wèn)題值得我們繼續(xù)研究，舉例如下[3]：

目前頻移結(jié)構(gòu)易發(fā)生相位間斷的現(xiàn)象，在借助時(shí)域與空域進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)往往會(huì)造成大規(guī)模的延遲線頭和陣元。這對(duì)其發(fā)展是不利的，不但提高了硬件的成本，而且對(duì)算法計(jì)算的要求提高，只有通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算方式才能解決高階數(shù)計(jì)算問(wèn)題，阻礙了人們的工作。因此，要對(duì)濾波器的高階數(shù)運(yùn)算進(jìn)行新的設(shè)計(jì)與研究，使其能夠進(jìn)行多徑傳輸，目前有的寬帶波束并沒(méi)有涉及到多徑傳輸問(wèn)題[4]。在現(xiàn)實(shí)中，遇到多路線傳輸需要時(shí)，波束形成器往往難以支撐多途徑傳輸。對(duì)寬帶數(shù)字波束形成系統(tǒng)進(jìn)行深入研究有助于環(huán)節(jié)這一問(wèn)題，促進(jìn)波束器的進(jìn)一步發(fā)展。寬帶盲波束區(qū)別于普通的波束器，脫離了參考信號(hào)和信號(hào)抵達(dá)方向的限制，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。盲波束依靠自身具有的傳輸穩(wěn)定、相關(guān)性較強(qiáng)、運(yùn)算量較大等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行信號(hào)分離，盡可能的縮小信號(hào)指向之間的誤差，使其擁有穩(wěn)定性。目前在市場(chǎng)上通行的構(gòu)成多以卷積混合模型為基礎(chǔ)，其運(yùn)算方法具有較高的專業(yè)要求[5]。因此，必須加大對(duì)寬帶數(shù)字波束的研究力度，從而使工程運(yùn)用時(shí)更加方便快捷。