DBF和差波束測向設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉紅

（中國西南電子技術(shù)研究所四川成都610036）

DBF技術(shù)是一種以數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)波束合成的技術(shù)，是利用陣列天線同時(shí)接收多路信號，通過加權(quán)因子對空間不同天線的接收信號做加權(quán)求和而成。由于加權(quán)因子相當(dāng)于濾波器系數(shù)，而輸入的信號為空間位置不同天線的接收信號，所以數(shù)字波束合成相當(dāng)于一個(gè)空域?yàn)V波器。

應(yīng)用于測向系統(tǒng)的DBF技術(shù)在擁有優(yōu)越性能的同時(shí)也帶來了相應(yīng)的設(shè)計(jì)難度。為了獲得要求較高的實(shí)時(shí)性，需要具有多天線陣元、多通道接收機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集處理、多路采集同步、大數(shù)據(jù)量高速傳輸、多路信息實(shí)時(shí)處理、結(jié)果上報(bào)等要求，其中多路采集同步對系統(tǒng)測向精度對信號同步采集要求較高。因此關(guān)于DBF測向的理論研究較多，具體工程實(shí)現(xiàn)較少，早期的DBF測向系統(tǒng)都是通過把多路無線信號采集并存儲后，進(jìn)行事后離線處理，不能對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并獲得信號的來波方向。

同時(shí)，采用DBF技術(shù)測量電磁波信號來波方向的手段有多種，常用的有和差幅度比較法和和差相位比較法。文中采用在接收天線陣中廣泛采用的和差幅度比較法，對硬件平臺采集、測量要求較低，易于實(shí)現(xiàn)。文中的測向處理系統(tǒng)基于先進(jìn)的VPX平臺，具有高速數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的能力，采用大容量FPGA、多核DSP以及嵌入式操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，能對多個(gè)通道信號進(jìn)行同步采集處理、波束覆蓋范圍廣、具有實(shí)時(shí)波束合成、實(shí)時(shí)測量信號來波方向的功能[1-4]。

1 DBF和差波束測向原理

1.1 DBF原理

圖1為N元均勻線陣波束合成原理圖。設(shè)x（it）（i=1，2，…，N）為t時(shí)刻第i號天線接收到的信號，w（it）（i=1，2，…，N）為對應(yīng)天線幅度相位加權(quán)系數(shù)，則t時(shí)刻波束合成后陣列輸出信號為：

其中，W=[w1，w2，…，wN]為加權(quán)系數(shù)向量，X（t）=[x（1t），x（2t），…，x（Nt）]T為陣列接收信號矩陣。

通過改變權(quán)系數(shù)W的值可控制信號的移相量和信號幅度，進(jìn)而控制波束指向。信號經(jīng)過DBF后，可以顯著提高信噪比，對干擾信號進(jìn)行抑制[5-7]。

圖1 N元均勻線陣波束合成原理圖

1.2 和差波束合成

在數(shù)字波束合成時(shí)，通過幅度加權(quán)得到和差波束。

如圖2所示，將N個(gè)天線接收信號經(jīng)過幅相加權(quán)后，可得到合成后的和波束輸出YΣ：

把和波束分為左右相等的兩部分，由左邊一半和波束輸出信號與右邊一半和波束輸出信號相減，即可得到差波束輸出YΔ：

其中，WL=[w1，w2，…，wN/2]，WR=[wN/2+1，wN/2+2，…，wN]，XL（t）=[x1（t），x2（t），…，xN/2（t）]，XR（t）=[xN/2+1（t），xN/2+2（t），…，XN（t）]。

圖2 陣列天線幅度和差波束合成

1.3 利用和差波束測向

本方案采用了具有16個(gè)陣元的線性天線陣，天線間距d為0.14 m的均勻線陣，合成8個(gè)約3 dB波束寬度重合波束，同時(shí)覆蓋-45°到+45°的空域。采用的和、差幅度比較單脈沖法，利用天線和差波束之間的幅度差與偏離方位主軸的角度關(guān)系進(jìn)行測向。這種幅度法測角所要求的設(shè)備量少，除對和差通道的增益均衡外，對兩路之間的相位關(guān)系要求不高，較容易實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖2所示。

圖3 DBF波束覆蓋仿真示意圖

同時(shí)合成的8個(gè)瞬時(shí)帶寬10 MHz的波束覆蓋-45°到+45°的空域，波束合成后增益16 dB左右，如圖3所示。

圖4 和差波束方向圖的細(xì)化圖形

對于單個(gè)波束，通過對和差波束的幅度進(jìn)行測量，計(jì)算出和波束與差波束對應(yīng)頻點(diǎn)信號幅度比K，查找偏離角表（和差方向圖查找表）得到偏離角，確定信號在波束內(nèi)的位置。如圖4所示，由于天線的波束是關(guān)于中心對稱，所以有兩個(gè)位置具有相同的和差比值，它們位于中心點(diǎn)的兩側(cè)。但是，通過提取和差波束內(nèi)對應(yīng)信號的相位，計(jì)算和差信號的相位關(guān)系，可以確定目標(biāo)在和波束主軸方向的左側(cè)或右側(cè)。偏離角加上波束的瞄準(zhǔn)角，即可算出目標(biāo)的方位角。

對于合成的多波束，需先對覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)和波束對應(yīng)頻點(diǎn)的信號進(jìn)行比幅，根據(jù)信號幅度的大小，確定信號來波方向在哪個(gè)波束中，然后再進(jìn)行單波束測向[7-12]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

1）多路信號采集及同步

根據(jù)前面的DBF測向原理，為了提高空域覆蓋范圍，保證測向精度，本系統(tǒng)對16路中頻信號進(jìn)行同步采集，合成8個(gè)波束。為了盡可能地降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用了兩個(gè)采集處理模塊對16路信號進(jìn)行采集，單個(gè)采集處理模塊具有8路采集能力。

為了滿足系統(tǒng)對相位一致性的要求，提高測量精度，所有采集電路采用統(tǒng)一時(shí)鐘源設(shè)計(jì)，并且在模塊間設(shè)計(jì)了同步信號，確保。

2）大數(shù)據(jù)量高速傳輸

為了滿足系統(tǒng)對信號帶寬的要求，采集處理模塊采用250 MHz sps的采樣率，數(shù)據(jù)分辨率為14 bit。如果把采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸，那么需要500 MByte/s的傳輸速率，8路AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行信號傳輸至少需要32 Gbps的傳輸速率。這樣高的傳輸速率對模塊間的傳輸速率、緩存能力和處理要求都較高。

為了降低傳輸速率對系統(tǒng)硬件的要求，降低設(shè)計(jì)難度，在各個(gè)采集處理模塊上對信號進(jìn)行了預(yù)處理和波束預(yù)合成運(yùn)算，并把波束預(yù)合成結(jié)果通過SRIO高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到主控模塊上。同時(shí)，系統(tǒng)中模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸采用4通道2.5 Gbps SRIO交換網(wǎng)絡(luò)，模塊間的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到10 Gbps的速率，這樣就在降低了數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷的同時(shí)并保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測向的目的。

2.2 DBF和差波束測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DBF測向系統(tǒng)組成如圖5所示，系統(tǒng)基本由3部分組成，第一部分由天線及天線開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成；第二部分由接收機(jī)模塊和標(biāo)校時(shí)鐘源模塊組成；第三部分由采集處理模塊、交換模塊、控制及接口處理模塊和顯示控制計(jì)算機(jī)組成。

天線及天線開關(guān)完成對空間的電磁波信號進(jìn)行接收、傳輸。接收機(jī)模塊含獨(dú)立時(shí)鐘源、頻綜、信道和監(jiān)控電路，是一個(gè)可獨(dú)立工作的接收機(jī)，對射頻信號進(jìn)行下變頻和濾波處理，系統(tǒng)通過CAN總線對其進(jìn)行控制。各個(gè)接收模塊間通過時(shí)鐘級聯(lián)可以相參工作，適應(yīng)測向的要求。標(biāo)校時(shí)鐘源提供系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘，同時(shí)可以為測向提供標(biāo)校信號。系統(tǒng)中所有模塊均為標(biāo)準(zhǔn)VPX 6U尺寸插卡，采用高低頻混裝的連接器與背板進(jìn)行連接。所有模塊可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，以滿足不同場合的應(yīng)用。

如圖5所示，處理系統(tǒng)作為整個(gè)測向系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，采用軟件無線電設(shè)計(jì)思路，在通用硬件處理平臺上，通過加載測向軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。處理系統(tǒng)機(jī)箱中包含兩個(gè)采樣及預(yù)處理模塊、一個(gè)交換模塊、一個(gè)控制及接口處理模塊；交換模塊實(shí)現(xiàn)VPX機(jī)箱內(nèi)各個(gè)模塊之間的高速串行RapidIO交換；控制及接口模塊完成系統(tǒng)各模塊的協(xié)同控制，同時(shí)與上位機(jī)交互數(shù)據(jù)，上位機(jī)則完成參數(shù)下發(fā)、監(jiān)控、結(jié)果顯示等功能。

圖5 DBF測向系統(tǒng)組成

2.3 測向工作流程設(shè)計(jì)

DBF測向工作流程主要由測向數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備、測向系統(tǒng)標(biāo)校和測向3個(gè)過程組成。

測向數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備，是在系統(tǒng)上電后，上位機(jī)把測向需要的權(quán)系數(shù)理論庫和測向庫下載到主控模塊中，以供測向時(shí)計(jì)算所用。

測向系統(tǒng)標(biāo)校是指在系統(tǒng)進(jìn)行測向之前需要對整個(gè)系統(tǒng)的接收信道、數(shù)據(jù)采集等在各個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算并對理論權(quán)系數(shù)校正，以消除系統(tǒng)誤差。標(biāo)校流程如圖6所示，上位機(jī)下發(fā)標(biāo)校啟動命令，同時(shí)下發(fā)標(biāo)校的頻率范圍等參數(shù)；主控模塊收到標(biāo)校命令后，控制采集處理模塊進(jìn)行同步采樣，并根據(jù)采集處理模塊的數(shù)據(jù)對權(quán)系數(shù)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)校；主控模塊在完成對所有頻點(diǎn)標(biāo)校后，向上位機(jī)上報(bào)標(biāo)校結(jié)果。

DBF測向系統(tǒng)的測向工作流程如圖7所示，由上位機(jī)軟件控制測向系統(tǒng)工作。上位機(jī)通過以太網(wǎng)下發(fā)測向啟動命令的同時(shí)，下發(fā)目標(biāo)信號的頻率、帶寬等參數(shù)，主控模塊接收到測向命令后，通過SRIO總線向各個(gè)采集處理模塊發(fā)送該頻點(diǎn)的權(quán)系數(shù)用于波束預(yù)合成，并通過LVDS接口對多個(gè)模塊發(fā)送同步采集脈沖啟動采集處理模塊進(jìn)行采集；采集處理模塊在同步采集脈沖的控制下，進(jìn)行采集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和波束預(yù)合成，最后通過SRIO總線把波束預(yù)合成結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到主控模塊；主控模塊對收到的8路數(shù)據(jù)進(jìn)行波束合成，并根據(jù)測向數(shù)據(jù)庫和波束合成結(jié)果在測向庫中進(jìn)行查表比對，最后并把頻譜、信號頻點(diǎn)、信號方位等結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理上傳到上位機(jī)；上位機(jī)接收到8個(gè)波束的頻譜數(shù)據(jù)和信號方位，通過文字和圖形的形式在用戶界面上顯示[13-16]。

圖6 DBF測向系統(tǒng)標(biāo)校流程

圖7 DBF測向工作流程

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的測向功能技術(shù)指標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用了一個(gè)1分16的功分器和一個(gè)16通道中頻移相器模擬16陣元天線及接收機(jī)的輸出信號。以移相器的第1路作為基準(zhǔn)，控制第2至第16通道移相角度，對這16路中頻信號進(jìn)行同步采集并處理。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)DBF和差波束測向的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于VPX平臺的測向處理系統(tǒng)。對系統(tǒng)組成、硬件架構(gòu)、工作流程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的測向處理系統(tǒng)相比，本文提出的方案可行、實(shí)用，具有通用、小型化的特點(diǎn)。根據(jù)此方案研制出了實(shí)際的硬件設(shè)備對原理和流程進(jìn)行了驗(yàn)證，對225 MHz～3 GHz的信號進(jìn)行了測向試驗(yàn)，測向誤差小于1.5°，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行可靠、接口穩(wěn)定、性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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