相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)相位校正方案設(shè)計(jì)*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)相位校正方案設(shè)計(jì)*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)通過波束合成手段能夠?qū)崿F(xiàn)通信的實(shí)時(shí)性和按需可控，并且提高通信的穩(wěn)定性和抗毀性，滿足各種條件下的通信要求。提出了相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)相位校正方案，并且將整個(gè)校正過程分為相位控制和交換兩個(gè)模塊。通過對(duì)相位控制模塊中AD采樣、下變頻和相位計(jì)算的具體設(shè)計(jì)以及交換模塊中DSP和FPGA的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的相位校正。最后對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本相位校正方案的可行性。

相控陣；短波通信；波束合成；相位控制

0 引 言

控制陣列天線各陣元的相位，形成空間波束并控制其掃描的技術(shù)就是相控陣技術(shù)。相控陣技術(shù)最早在20世紀(jì)50年代應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域[1]。相控陣技術(shù)的使用大大提高了雷達(dá)的掃描速率，并且使其操作控制更加靈活。相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)采用相控陣技術(shù)的原理，其目標(biāo)為通過波束合成的手段，提高短波發(fā)信系統(tǒng)的綜合通信效能以及通信的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)通信方向能夠根據(jù)通信對(duì)象要求隨時(shí)可控的效果，使天線的布置靈活機(jī)動(dòng)，按需可控，提高發(fā)信系統(tǒng)的生存能力、抗毀能力，從而滿足短波通信臺(tái)站全方位、遠(yuǎn)距離、能夠適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)的通信保障的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，相控陣技術(shù)在短波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用和雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用還是存在不小的區(qū)別。短波信號(hào)較雷達(dá)信號(hào)頻率較低，波長較長，通信天線尺寸較大等各方面因素都會(huì)給相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來不小的困難。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，相控陣技術(shù)由于其突出的優(yōu)勢(shì)在短波通信中的運(yùn)用越來越廣泛。本文針對(duì)相控陣技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)相位校正設(shè)計(jì)了具體的方案，并且通過實(shí)際測(cè)量來驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性。

1 波束合成技術(shù)簡(jiǎn)介

所謂波束合成技術(shù)是指在空域內(nèi)對(duì)以某種幾何形狀排列的多元基陣各陣元輸出的波束進(jìn)行線性疊加，形成空間指向性的方法[2]。通過改變天線陣當(dāng)中的每個(gè)單元天線激勵(lì)信號(hào)的相位，可以實(shí)現(xiàn)輻射方向在空域內(nèi)的掃描。

圖1 波束合成原理

波束合成技術(shù)的關(guān)鍵就在于必須準(zhǔn)確并且有效地控制各路信號(hào)的相位。各路信號(hào)的相位差異可以劃分為兩類：1.內(nèi)部相位：各子系統(tǒng)中器件的時(shí)延存在差異，導(dǎo)致各路信號(hào)在內(nèi)部的相位產(chǎn)生差異，并且由于各模塊板制作的差異會(huì)導(dǎo)致各路信號(hào)在內(nèi)部傳輸線的長度不一致從而導(dǎo)致相位的差異；2.外部相位：各個(gè)發(fā)射天線到通信目標(biāo)的距離差所產(chǎn)生的相位差。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

發(fā)信系統(tǒng)快速相位校正主要分為三步：1、對(duì)射頻輸出信號(hào)的相位差進(jìn)行測(cè)量；2、快速計(jì)算出各路激勵(lì)器所需補(bǔ)償?shù)南辔恢担?、將所需補(bǔ)償相位值的信息從相位檢測(cè)單元快速傳輸?shù)礁髀芳?lì)器[3]。

圖2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用四路天線發(fā)信。此模塊工作原理為通過相位檢測(cè)器對(duì)功放單元接回來的射頻信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)，將內(nèi)部差異引起的各路射頻信號(hào)之間的射頻相位差送到激勵(lì)器射頻信號(hào)處理及控制單元，波束控制器通過已知的通信對(duì)象計(jì)算出各發(fā)射陣元到接收點(diǎn)的程差引起的相位差，以及相位檢測(cè)器得到的射頻相位差，計(jì)算出各路射頻信號(hào)實(shí)際需要移相的值。激勵(lì)器射頻信號(hào)處理單元根據(jù)波束控制器傳輸過來的移相數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)字移相處理，從而達(dá)到空間功率合成的目的。

在通信對(duì)象確定之后，需要根據(jù)發(fā)射頻率，通信距離，天線布陣等因素，迅速計(jì)算各路激勵(lì)器所需的特定相位，并且及時(shí)傳輸給各路射頻單元進(jìn)行相位調(diào)整。為了提高相位校正的速度，提前根據(jù)發(fā)射頻率，通信距離，天線布陣等因素在實(shí)驗(yàn)室提前進(jìn)行仿真并計(jì)算出各路通道需要的相位，然后制成一個(gè)波束控制表，并把波束控制表存入相控系統(tǒng)中，在后面的操作中只需要通過查詢波表就能得到所需相位，這樣就減少了計(jì)算各路所需相位的時(shí)間。

對(duì)于波束控制單元，要考慮到天線安裝以后的工程誤差等因素可能導(dǎo)致實(shí)際天線陣與理想場(chǎng)地天線陣的輻射特性存在差異，因此還需對(duì)天線陣列各陣元的饋電相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)多通道射頻信號(hào)的相位的不一致性進(jìn)行修正。

一般常用的波表生成方法是提前產(chǎn)生，一次性灌入系統(tǒng)中不做改動(dòng)。但是在通信中由于系統(tǒng)工作環(huán)境以及溫度的變化會(huì)引起系統(tǒng)中器件頻響的改變，當(dāng)系統(tǒng)工作一定時(shí)間后各路信號(hào)在板內(nèi)的相位差發(fā)生改變，如果不對(duì)其進(jìn)行校正就會(huì)影響波束合成的效果，嚴(yán)重影響通信的質(zhì)量。因此，為了提高相位校正的精確性，在本系統(tǒng)中加入自動(dòng)更新波表的功能。即每次發(fā)信前測(cè)量當(dāng)前設(shè)置下內(nèi)部的相位差異，然后把這個(gè)相差跟波表中已有的相位值相加減計(jì)算出新的對(duì)應(yīng)相位值并把得到的值存入波表中。

3 相位控制模塊

從激勵(lì)器輸出端接回來的射頻信號(hào)信號(hào)在相位控制模塊要經(jīng)歷3個(gè)過程：

(1)經(jīng)過AD采樣，由模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；

(2)經(jīng)過下變頻，把射頻信號(hào)變?yōu)榉奖悴僮鞯幕鶐盘?hào)；

(3)對(duì)下變頻后的信號(hào)進(jìn)行相位的計(jì)算，計(jì)算出各路需要補(bǔ)償?shù)闹笤俳?jīng)由交換模塊發(fā)送到各個(gè)射頻處理單元。

圖3 相位控制模塊

3.1 AD采樣

從發(fā)信末端接收回來的信號(hào)是模擬信號(hào)，為了后面處理方便，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD采樣，使之變成數(shù)字信號(hào)。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是四路發(fā)信天線，因此要對(duì)四路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，所以本系統(tǒng)選擇AD9637作為AD采樣芯片。

AD9637是八通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)[4]，它擁有小尺寸、低功耗和低成本的特性。系統(tǒng)中AD9637將4路模擬信號(hào)采樣后得到的是串行的差分信號(hào)，然后再對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換變?yōu)?路并行信號(hào)，采樣完成后再把信號(hào)輸出。

3.2 下變頻

下變頻的目的就是把AD采樣后的射頻數(shù)字信號(hào)的中心頻率搬移到零頻[5]。為了進(jìn)行頻率搬移，必須要產(chǎn)生與射頻信號(hào)頻率一樣的信號(hào)，然后使兩者混頻從而達(dá)到頻率搬移的目的。

下變頻的核心部分是數(shù)控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)。NCO模塊能夠按照需要產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)定正弦和余弦信號(hào)[6]。NCO包含了相位累加器和一個(gè)存儲(chǔ)了正弦值(余弦值)的查找表。每當(dāng)來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，就將長度為N位的頻率控制字送入長度為M位的累加器中去完成一次累加，然后將累加所得到的結(jié)果送入相位寄存器中，并同時(shí)把結(jié)果反饋給累加器，用于下一時(shí)鐘與頻率控制字累加；在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位寄存器輸出的值與相位控制字的值送到加法器內(nèi)相加，將相加的結(jié)果送入查找表，經(jīng)過相位/幅度轉(zhuǎn)換電路，最終產(chǎn)生輸出的正弦波形。本系統(tǒng)采用Quartus中NCO的IP核來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

圖5 NCO結(jié)構(gòu)圖

3.3 相位計(jì)算

輸入AD的每路射頻信號(hào)都有一個(gè)自己的相位值θi(i=1,2,3,4)，下變頻時(shí)NCO也有一個(gè)自己的隨機(jī)初始相位值θ0，經(jīng)過下變頻后得到的基帶信號(hào)的相位值為θ0-θi，下變頻完成后將得到的I路和Q路兩個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)送入DSP中，通過對(duì)基帶信號(hào)的實(shí)部與虛部求反正切，就能算出θ0-θi的大小。然后發(fā)送命令查詢存儲(chǔ)在FLASH中的波表，得到在當(dāng)前通信角度和頻率下各路的相位差值，將測(cè)量得到的實(shí)際各路差值θ0-θi與波表中的值進(jìn)行相加減，計(jì)算出各路還需要補(bǔ)償?shù)慕嵌戎?。最后把得到的補(bǔ)償角度值通過交換單元發(fā)送到對(duì)應(yīng)各路的激勵(lì)器中去。

4 交換模塊

交換模塊硬件框圖如下所示[7]：

圖6 交換模塊硬件框圖

交換模塊采用Tundra公司的Tsi578交換芯片完成交換功能[8]。其中DSP芯片主要完成對(duì)交換芯片的初始化、配置和復(fù)位工作，同時(shí)還要對(duì)其他模塊發(fā)送過來的信號(hào)進(jìn)行解析并做出具體操作。FPGA芯片的主要功能是實(shí)現(xiàn)RapidIO協(xié)議，并結(jié)合DMA和RAM等資源實(shí)現(xiàn)RapidIO接口，讓DSP芯片能夠完成對(duì)交換芯片的配置和維護(hù)。本系中將Tsi578設(shè)置為16組1x模式，并設(shè)定其串行速率為1.25Gbps。

圖7 RapidIO接口

FPGA中軟件設(shè)計(jì)核心是利用Quartus已有的IP核實(shí)現(xiàn)RapidIO協(xié)議，利用SOPC(可編程片上系統(tǒng))編程實(shí)現(xiàn)RapidIO接口[9]。具體步驟是在SOPC編程界面下找到RapidIO組件，對(duì)RapidIO的IP核里面的各個(gè)層次的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以實(shí)現(xiàn)RapidIO協(xié)議。但是這里的IP核并不能提供對(duì)SOPC系統(tǒng)外部的Avalon-MM接口，為了能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與RapidIO IP核的數(shù)據(jù)、門鈴及維護(hù)的交互，以及對(duì)其他組件的直接操作，需要建立一個(gè)連接器來實(shí)現(xiàn)RapidIO IP核等組件對(duì)SOPC系統(tǒng)外部的Avalon-MM接口。此外，DSP與FPGA之間通信是EMIF總線接口，而經(jīng)過連接器中轉(zhuǎn)之后的SOPC系統(tǒng)仍然只能對(duì)外提供Avalon-MM接口。為了能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與SOPC的通信，在FPGA中必須進(jìn)行EMIF和Avalon-MM總線間的轉(zhuǎn)換，從而讓DSP能夠與SOPC通信。這樣利用現(xiàn)成的IP核的方法能夠減少軟件編程的復(fù)雜程度，同時(shí)又能夠增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

DSP的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)完成命令數(shù)據(jù)的接收，門鈴的解析和發(fā)送，對(duì)本地和遠(yuǎn)程的RapidIO系統(tǒng)維護(hù)等功能[10]。DSP功能對(duì)應(yīng)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間如下圖：

表1 DSP內(nèi)部地址分配

5 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本文設(shè)計(jì)的方案應(yīng)用到實(shí)際中。在距離天線陣地一千多米的位置進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法是通過天線接收信號(hào)，記錄頻譜儀上的信號(hào)電平指數(shù)。圖中同時(shí)給出了實(shí)際測(cè)量結(jié)果和理論仿真結(jié)果，其中實(shí)線為測(cè)試結(jié)果，虛線為仿真結(jié)果

圖8所示為頻率為12M，指向?yàn)?0°時(shí)的對(duì)比圖。

圖8 接收信號(hào)測(cè)量與仿真對(duì)比圖

圖9所示為27M頻率下，指向?yàn)?0°時(shí)的對(duì)比圖。

圖9 接收信號(hào)測(cè)量與仿真對(duì)比圖

通過上面的對(duì)比圖可以看出，天線陣方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真結(jié)果基本一致，可以認(rèn)為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)相位校正方案滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)波束的控制。

6 結(jié) 語

近年來相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)以其突出的優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多人的關(guān)注。在廣泛吸收了前人這方面的研究成果后，本文設(shè)計(jì)了具體相位校正方案，并且通過實(shí)際的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了其波束指向控制的能力。在后續(xù)的研究中可以嘗試將陣元數(shù)增加，從而進(jìn)一步提高通信的效率，也可以針對(duì)提高系統(tǒng)的運(yùn)算處理速度以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?？偟膩碚f短波通信中相控陣技術(shù)的研究起步比較晚，后面還有許多有待人們進(jìn)一步研究和提高的地方。

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Phase Correction Scheme of Phased Array Shortwave Transmitting System

DENG Ran，GAO Jun, QU Xiao-xu

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

By beam-forming means, phased array shortwave transmitting system could realize real-time communication and on-demand control, improve communication stability and survivability, and meet the communication requirement in various conditions. The phase correction scheme of phased array shortwave transmitting system is proposed, and the whole correction process is divided into two modules, i.e., phase control and phase exchange. Through the design of AD sampling, down-conversion and phase calculation in phase control module, and the specific design of FPGA and DSP in exchange module, the phase correction of system could be realized. Finally,the comparison of simulation data and testing data indicates the feasibility of this phase correction scheme.

phased array; shortwave communication; beam-forming; phase control

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.007

2015-06-07；

2015-08-20 Received date:2015-06-07；Revised date：2015-08-20

TN91

A

1002-0802(2015)10-1129-05

鄧 冉(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信；

高 俊(1957—)，男，教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信、無線通信；

屈曉旭(1976—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信、無線通信。