基于光通信技術(shù)的相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉明傲 李 輝

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

基于光通信技術(shù)的相控陣?yán)走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉明傲1,2李 輝2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230031；2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)波束掃描特點(diǎn)，提出了一種基于光通信技術(shù)的波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)遠(yuǎn)程時(shí)序信號(hào)光傳輸、時(shí)鐘同步信號(hào)光傳輸、交叉點(diǎn)矩陣開關(guān)等技術(shù)以及波束形成和單元校正算法進(jìn)行了描述，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)，為光通信技術(shù)在大型相控陣系統(tǒng)中的更廣泛應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

光通信；相控陣?yán)走_(dá); 波束控制; 同步設(shè)計(jì);

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)是采用相控陣天線的雷達(dá)，它與機(jī)械掃描雷達(dá)的最大區(qū)別在于天線無需轉(zhuǎn)動(dòng)即可使天線波束快速掃描。隨著雷達(dá)、電子電路、通信技術(shù)的發(fā)展，以及觀測任務(wù)的需求不斷增加，相控陣技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軍事民用的各個(gè)領(lǐng)域。

在相控陣系統(tǒng)中，波束指向和波束形狀的捷變能力是系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響著系統(tǒng)功能和效能的發(fā)揮。波控系統(tǒng)不僅要為天線掃描提供正確的相位碼，還要滿足波束轉(zhuǎn)換的速度要求，做到迅速精確地布相，同時(shí)還要具有陣面監(jiān)視與通道福相校正能力[1]。

另外，由于相控陣?yán)走_(dá)功率密度越來越高，長線傳輸會(huì)對(duì)波控系統(tǒng)的控制信號(hào)帶來極為嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)l(fā)生誤觸發(fā)的情況、影響設(shè)備安全。光纖通信作為一種新興的通信方式，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖通信技術(shù)的波控系統(tǒng)，是一種具有發(fā)展前景的技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)研制需求

本文中所要研制的波控系統(tǒng)包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是遠(yuǎn)程調(diào)度中心、波控機(jī)房、天線陣面光纖復(fù)用設(shè)備。其中，波控機(jī)房作為調(diào)度指令的接收單元和波束形成處理節(jié)點(diǎn)，距離調(diào)度中心約35km、距離天線陣面約1000m，并且數(shù)據(jù)傳輸帶寬大，比較適宜采用光纖通信方式。

各節(jié)點(diǎn)的功能主要如下：

1)遠(yuǎn)程調(diào)度中心：主要設(shè)備是調(diào)度計(jì)算機(jī)，完成系統(tǒng)資源分配，編制任務(wù)規(guī)劃、下發(fā)調(diào)度指令。對(duì)波控機(jī)房下發(fā)的數(shù)據(jù)主要有同步時(shí)鐘、導(dǎo)前和波束控制字；

2)波控機(jī)房：接收調(diào)度計(jì)算機(jī)下發(fā)的調(diào)度指令，完成有源陣面各T/R單元的布相控制，并完成通道幅相校正；

3)光纖數(shù)據(jù)復(fù)用：位于相控陣天線陣面，用于T/R單元相位控制碼的分發(fā)、光導(dǎo)前信號(hào)的同步，并實(shí)時(shí)采集組件的健康數(shù)據(jù)。

2 遠(yuǎn)程通信鏈路設(shè)計(jì)

在調(diào)度中心，調(diào)度計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)下發(fā)的指令產(chǎn)生波束編排結(jié)果，再利用接口電路與時(shí)鐘同步后產(chǎn)生導(dǎo)前脈沖和光纖控制字送往波控機(jī)房。如圖1所示，遠(yuǎn)程通信鏈路包括數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)設(shè)備(調(diào)度計(jì)算機(jī))、數(shù)據(jù)宿節(jié)點(diǎn)設(shè)備(波控機(jī)房)，二者之間通過光纜連接，組成實(shí)時(shí)雙向光通信系統(tǒng)。

上圖中，調(diào)度計(jì)算機(jī)為源節(jié)點(diǎn)，下發(fā)到波控機(jī)房的信號(hào)有：1路20MHz同步時(shí)鐘、3路TTL導(dǎo)前脈沖、1路850nm光纖控制字及1路網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。波控機(jī)房通過網(wǎng)絡(luò)回傳陣面狀態(tài)及BIT數(shù)據(jù)，同時(shí)分發(fā)一路射頻IQ信號(hào)供系統(tǒng)波形監(jiān)視。

光傳輸設(shè)備采用波分復(fù)用和摻鉺光放技術(shù)，利用一根光纖實(shí)現(xiàn)模數(shù)混合雙向和遠(yuǎn)程無中繼傳輸，便于系統(tǒng)維護(hù)。主要指標(biāo)有：

1)光功率及鏈路損耗

·輸出光功率：≥10dBm

·鏈路損耗：≥40dB

2)20MHz模擬時(shí)鐘技術(shù)參數(shù)

·輸入輸出1dB壓縮點(diǎn)： 10dBm

·增益：0dB±1dB

·相位噪聲：≤-145dBc/Hz @1kHz頻偏

·雜波抑制：≥65dB

·諧波抑制：≥30dB

·輸入輸出駐波：≤2

3)時(shí)序及控制信號(hào)技術(shù)參數(shù)

·邊沿抖動(dòng)：≤±1.5ns

·誤碼率：≤1×10-9

對(duì)于遠(yuǎn)程鏈路的測試，數(shù)字信號(hào)比較簡單，設(shè)置CRC校驗(yàn)即可；對(duì)于時(shí)鐘的測試，則需要借助嵌入式儀表實(shí)現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)獲取輸出時(shí)鐘的幅度和頻譜數(shù)據(jù)，并上報(bào)調(diào)度中心[2]。

3 波控機(jī)房組成

由于陣面規(guī)模龐大、T/R組件數(shù)以萬計(jì)，波束控制采用級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，系統(tǒng)主要有以下三級(jí)：第一級(jí)為導(dǎo)前脈沖、調(diào)度控制字的初分發(fā)，并完成校正控制和初相解算，在硬件上組成上包括第一個(gè)分機(jī)的零槽計(jì)算機(jī)和交叉開關(guān)板；第二級(jí)為各T/R單元的相位計(jì)算、波形控制，并完成數(shù)據(jù)融合后通過光纖接口發(fā)往天線陣面，由兩個(gè)波控分機(jī)共同完成；第三級(jí)設(shè)備為128個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)用模塊，在天線陣面完成波控?cái)?shù)據(jù)至T/R組件的分發(fā)，并將多路組件的健康數(shù)據(jù)合成1路光纖后下傳。

此外，波控機(jī)房還包括AC/DC電源、環(huán)控及本地頻率源等附屬設(shè)備。

3.1 交叉開關(guān)設(shè)計(jì)

在圖2中，交叉開關(guān)板完成導(dǎo)前脈沖、調(diào)度控制字的分發(fā)及校正I/Q數(shù)據(jù)解析。對(duì)于導(dǎo)前信號(hào)的分發(fā)，采用245驅(qū)動(dòng)器外加等長布線設(shè)計(jì)即可；校正I/Q是在調(diào)度計(jì)算機(jī)發(fā)起校正指令后，接收I/Q數(shù)據(jù)送零槽計(jì)算機(jī)，由波控軟件完成解算；對(duì)于調(diào)度控制字的分發(fā)，及內(nèi)部各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的高速通信，都需要通過交換模塊來完成。

如圖3所示，交換模塊以VSC3系列高速異步交叉點(diǎn)開關(guān)芯片為核心實(shí)現(xiàn)。該芯片采用PixEQ技術(shù)，最多支持72×72個(gè)高速接口的矩陣選擇，單通道最高通信速率可達(dá)6.5Gbps，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)開關(guān)切換，并支持及在線通道切換。VSC3系列電路支持3種控制接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線，接口操作非常簡單，就像訪問外部存儲(chǔ)器一樣。

在交叉開關(guān)板內(nèi)部，由FPGA實(shí)現(xiàn)PCI總線端口譯碼，從而波控軟件可以靈活控制矩陣開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大限度的利用高速口硬件資源，實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制字、波束形成系數(shù)、波形碼的分發(fā)。

3.2 波束形成算法

根據(jù)相控陣天線原理，對(duì)于任意一個(gè)平面天線，圖4所示結(jié)構(gòu)任意兩行、兩列單元的相位差是相等的。

因此，在(X，Y)平面上，第(m，n)個(gè)單元相對(duì)單元(0，0)的相位為[1]：

ψ(m,n)=mΔα(θ,φ)+nΔβ(θ,φ)+α0(m,n)

(1)

其中:

(2)

在式(1)、(2)中，α0為(m，n)單元的初始相位值，由校正獲得。θ、φ分別為平面天線波束指向的方位角和俯仰角，λ為工作波長。dx和dy分別表示方位和俯仰平面(即x軸和y軸)上相鄰陣元之間的距離。

3.3 射頻IQ校正

由于陣元位置誤差、傳輸線不等長以及各頻率源激勵(lì)的不同等原因會(huì)引起各T/R單元幅相不一致，導(dǎo)致綜合出的天線方向圖產(chǎn)生明顯畸變，因此對(duì)T/R組件的幅相誤差進(jìn)行校正是波控系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。

如圖5所示，在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)度計(jì)算機(jī)根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)的指令定時(shí)下發(fā)校正模式，交叉開關(guān)板首先判斷是否為校正模式，分發(fā)校正導(dǎo)前信號(hào)和校正指令控制字，用于通道和收發(fā)開關(guān)的狀態(tài)切換。再根據(jù)系統(tǒng)采樣率完成32點(diǎn)I/Q數(shù)據(jù)采集，調(diào)用模塊化FFT運(yùn)算IP，將結(jié)果寫入SRAM[3]。當(dāng)校正流程結(jié)束后，交叉開關(guān)即產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷，通知波控軟件進(jìn)行校正I/Q解算，并更新各控制插件的初相表。

4 光數(shù)據(jù)復(fù)用設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，由于T/R組件數(shù)量眾多，如果每個(gè)組件都接1根光纖到波控機(jī)房，不僅會(huì)造成光纖資源的浪費(fèi)，而且會(huì)極大提高整機(jī)的成本。因此，波控子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了數(shù)據(jù)復(fù)用設(shè)計(jì)，在陣面上由數(shù)據(jù)復(fù)用單元完成上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和下行數(shù)據(jù)合成。

4.1 復(fù)用模塊結(jié)構(gòu)

如圖6所示，采用兩片F(xiàn)PGA加外圍電路方式控制各T/R單元，不僅可以節(jié)省光纖資源，還可以縮短整機(jī)走線，提高系統(tǒng)可靠性。

在上圖中，串行控制信號(hào)(SC、SD、SYN、TRIG)分別為T/R單元所需的控制信息[4]。當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)用模塊收完一幀數(shù)據(jù)后，如檢驗(yàn)正確，F(xiàn)PGA內(nèi)部啟動(dòng)數(shù)據(jù)分發(fā)，并完成各單元對(duì)應(yīng)32位控制信息的并串轉(zhuǎn)換(一個(gè)時(shí)鐘上升沿對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)位)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，產(chǎn)生一個(gè)SYN 信號(hào)用于控制信息的一級(jí)鎖存。在下一個(gè)導(dǎo)前時(shí)刻輸出TRIG信號(hào)，用于波控?cái)?shù)據(jù)的二級(jí)鎖存，所有組件在TRIG信號(hào)的上升沿同步更新相位碼和衰減碼，即可實(shí)現(xiàn)整機(jī)的時(shí)序同步。

4.2 光纖數(shù)據(jù)同步

由于陣面距離波控設(shè)備機(jī)房較遠(yuǎn)，并且復(fù)用單元數(shù)量眾多，本文采用一種利用光纖在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)提供同步觸發(fā)(即軟導(dǎo)前)的方式，實(shí)現(xiàn)各組件同步控制。

光纖數(shù)據(jù)同步首先要確保FPGA 發(fā)送端從并行數(shù)據(jù)產(chǎn)生到數(shù)據(jù)以串行方式從TRANSCEIVER接口輸出，各高速口的處理要嚴(yán)格時(shí)鐘和時(shí)序同步；各接收模塊串行數(shù)據(jù)從FPGA 的TRANSCEIVER接口輸入，及同步時(shí)鐘輸入的傳輸延時(shí)是一致的。只有當(dāng)這兩個(gè)條件都滿足時(shí)，光纖同步才具有可行性。

具體程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以在光纖收發(fā)兩端設(shè)置一組固定的K字符用于數(shù)據(jù)對(duì)齊。接收端收到連續(xù)的串行數(shù)據(jù)后，以滑窗的方式將窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)與作為對(duì)齊特征邊界的K字符比較，如果相同則表示串行數(shù)據(jù)已經(jīng)對(duì)齊，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，并將此觸發(fā)信號(hào)與同步時(shí)鐘對(duì)齊，即可恢復(fù)出導(dǎo)前脈沖[5]。導(dǎo)前信號(hào)產(chǎn)生模塊時(shí)序如圖7所示。

在調(diào)試過程中，將各復(fù)用模塊恢復(fù)的導(dǎo)前全部回送到波束控制模塊，利用Signaltap監(jiān)測各模塊的導(dǎo)前，如圖8所示。可以看到，各導(dǎo)前信號(hào)偏差不超過1個(gè)采樣時(shí)鐘，滿足相控陣系統(tǒng)使用要求。

5 工程應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)一個(gè)方位向分辨率為0.10的遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)，利用校正接收機(jī)采集接收信號(hào)。如圖9所示，可以看出峰值和主副比均滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)波控系統(tǒng)的正確性。

6 優(yōu)化和改進(jìn)方向

綜上所述，基于光通信技術(shù)方案的波控系統(tǒng)，已在整機(jī)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，證明方案切實(shí)可行，并具有可靠性高、調(diào)度速度快等特點(diǎn)。本方案適用于規(guī)模較大的相控陣系統(tǒng)，在性能與成本之間選擇了一個(gè)比較折中的方案，如何研發(fā)一種低成本的全光傳輸波控系統(tǒng)，才能使得系統(tǒng)布線更加簡化、調(diào)度時(shí)間更短，并使該技術(shù)在大型相控陣系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

[1] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2] 覃朝堅(jiān),黃敏,柯有強(qiáng).光通信技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用[J].光通信研究,2015(4):30-32.

[3] 陳之濤,王雨陽,劉浩.一種發(fā)射通道校正技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(3): 332-335.

[4] 郭立俊.基于查表方式的雷達(dá)波束掃描技術(shù)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2015,44(1): 75-78.

[5] 吳長瑞,岑凡,徐建清.多通道光纖同步算法的設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 測控技術(shù),2014,33(2): 36-42.

DesignofFiber-opticCommunicationTechnologyBasedBeamSteeringSystemforPhasedArrayRadar

Ye Mingao1,2, Li Hui2

(1. The No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230031;2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088)

Based on beam scanning characteristics of phased array radar, a beam steering control system based on fiber-optic communication technology is proposed. Optical transmission of remote timing signals and clock synchronization signals, crossing switch matrix technology, as well as beam-forming and element correction algorithm are described. Design of system synchronization is introduced in detail. It provides a valuable reference for wide application of the optical transmission technology in phased array radar systems.

fiber-optic communication; phased array radar; beam steering control; synchronization design

2017-03-06

葉明傲(1979-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試技術(shù)。

TN95

A

1008-8652(2017)03-026-05