基于DSP+FPGA的星載GNSS—R相控陣天線波束控制系統(tǒng)

張德平+沈全成+汪慶武+郭世杰

摘要：針對星載GNSS-R海洋微波遙感器相控陣天線對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，實時計算波束控制碼，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。

關鍵詞：波束控制系統(tǒng)；相控陣天線；FPGA；DSP

中圖分類號：TN958 文獻標識碼：A 文章編號：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北斗二代、美國GPS等GNSS星座發(fā)射的L波段信號資源，對導航衛(wèi)星的直射和海面反射信號進行同步接收與實時處理，提供高密度、高精度導航定位解和時延多普勒相關功率數(shù)據(jù)，可為全球海面風場、海面高程、有效波高等海洋動力環(huán)境資料的獲取提供高時效微波遙感數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)對多個海面區(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)算法計算精度高、反應時間快。針對上述應用，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，完成陣列中每個單元移相器所需移相碼的計算，通過控制電路驅(qū)動移相器移相，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矩陣排列之和。兩個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區(qū)當中，通過查表的方式對基本波控碼實現(xiàn)各種補償和修正。

3 系統(tǒng)方案設計

星載GNSS-R相控陣天線包含對天對地兩面相控陣天線，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，波束控制器采用“夾心餅干”式安裝，安裝于兩面天線中間，棧接在對天對地兩面天線的射頻前端底板上，分別完成對天多波束相控陣天線和對地多波束相控陣天線的波控碼計算，補償和配相，使天線波束指向駐留于預定方位，同時分別對兩個天線陣面單元實現(xiàn)實時監(jiān)測。

采用棧接的安裝方式，如圖2所示，所有控制走線通過印制底板走線，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，波束控制根據(jù)相關器單元的系統(tǒng)狀態(tài)指令，能夠?qū)崿F(xiàn)對星載雙面GNSS-R多波束相控陣天線的多波束分時工作和同時工作進行控制，對地/對天相控陣天線的四個波束既可分時工作也可同時工作，如圖4、圖5所示。

4 硬件方案設計

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

綜合DSP和FPGA的優(yōu)點，波束控制器采用DSP+FPGA的設計方案，輔以外圍各種接口電路和存儲、配置電路。該硬件模塊根據(jù)需求完成相應的邏輯設計，從而實現(xiàn)波束的實時運算、接口通信設計、相位控制、狀態(tài)檢測和在線數(shù)據(jù)加載等功能。

在本方案中，DSP選用國產(chǎn)某高性能DSP，該DSP為通用32位浮點處理器，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：其浮點運算能力可達1G FLOPS，帶有八個功能單元的先進的超長指令字（VLIW）CPU，每周期可執(zhí)行八個指令；支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，支持各種類型的存儲器。該DSP的片內(nèi)存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，其中內(nèi)部程序存儲器可作為高速緩存區(qū)（Cache）。內(nèi)部程序存儲區(qū)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)分別由各自的控制器控制。該DSP通過外部存儲器接口（EMIF）使用外部存儲器。最重要的是，其有著較強的空間環(huán)境適應性。

綜合FPGA的優(yōu)點，在波控系統(tǒng)設計中選擇FPGA來實現(xiàn)波控碼的格式轉(zhuǎn)換，通道分配以及陣面監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收等任務。在該波控系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部根據(jù)功能不同將整個任務劃分為三個模塊來實現(xiàn)配相、陣面監(jiān)測和本系統(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，通過數(shù)據(jù)地址總線接收DSP的數(shù)據(jù)。同時，F(xiàn)PGA將處理后的串行波控碼以422差分形式向陣面激勵器按列配送。送數(shù)單元將計算單元算好的波控碼進行串并轉(zhuǎn)換后，以422差分形式向?qū)屑钇髋渌汀?/p>

陣面監(jiān)測與統(tǒng)計單元接收波控系統(tǒng)的自檢數(shù)據(jù)和陣面監(jiān)測網(wǎng)絡的陣面監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的統(tǒng)計規(guī)則對故障進行統(tǒng)計處理。然后通過約定總線接口將處理結(jié)果回告中心計算機；監(jiān)測數(shù)據(jù)在每個任務周期都將實時回告中心計算機。

5 波束控制軟件實現(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)度周期信號同步觸發(fā)，在一個調(diào)度周期內(nèi)，完成波束控制碼的計算，波控配相和狀態(tài)回告。充分結(jié)合DSP和FPGA的處理特點，對波控任務之間的協(xié)同處理關系進行詳細分析，優(yōu)化波控系統(tǒng)的架構(gòu)設計。首先波控數(shù)碼的計算主要完成基本波控碼的計算，頻率捷變和相位誤差補償。這些任務的完成需要根據(jù)外部波位同步周期信號和頻率捷變脈沖信號進行靈活的程序調(diào)度。此外波控碼計算和補償?shù)捻樞蛐院蛯崟r性的特點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用DSP來進行處理。對于自定義的陣面波控碼通信協(xié)議，DSP無法產(chǎn)生特定的接口時序，同時無法做到多通道的并行數(shù)碼分配。而這一任務特點正符合FPGA時序產(chǎn)生靈活，和并行處理的特點。

波控碼的計算由DSP來實現(xiàn)，波控系統(tǒng)的計算單元基于核時鐘頻率高和內(nèi)部存儲器容量大的特點選用了國產(chǎn)的高性能32位浮點DSP，波控碼的計算任務的實現(xiàn)充分考慮了其強大的運算能力、靈活的中斷和程序調(diào)度機制、功能強大的總線結(jié)構(gòu)以及內(nèi)置大容量存儲器等特點并有靈活的外部存儲接口。

配相單元主要完成對波控碼的接收、通道分配和格式轉(zhuǎn)換，同時產(chǎn)生天線單元接收所需的同步采樣時鐘和幀同步信號。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，然后對波控碼進行分配。分配方式為：行向分配，即首先對第一列的第一個單元分配，接著分配第二列的第一個單元直到第N列的第一個單元分配完畢，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

本文結(jié)合星載GNSS-R相控陣天線的工程需求，設計了基于DSP+FPGA的星載GNSS-R相控陣天線波束控制系統(tǒng)，以DSP為核心器件的計算單元用來根據(jù)波控指令計算波控碼，同時進行波控碼的各種補償、拼合以及校驗碼的計算，以FPGA為核心的配相單元充分地利用了FPGA的時序設計優(yōu)點來實現(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，實現(xiàn)了各通道對陣面的并行配相。從樣機試驗的結(jié)果來看，這種DSP+FPGA的協(xié)同處理結(jié)構(gòu)對大型波控系統(tǒng)的計算和配相是一種有效的設計方法。

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