多路射頻信號相位同步模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 寧

（91336部隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

0 引 言

相控陣技術(shù)是控制陣列天線各陣元的相位以形成空間波束并控制其掃描的技術(shù)，最早在20世紀(jì)50年代應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域[1-3]。相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)采用相控陣技術(shù)的原理，目標(biāo)是通過波束控制的手段實(shí)現(xiàn)空間功率的合成，提高短波發(fā)信系統(tǒng)的效能和通信業(yè)務(wù)控制的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)通信方向能夠根據(jù)通信對象要求隨時(shí)可控的效果，使天線的布置靈活機(jī)動、按需可控，從而滿足短波通信系統(tǒng)全方位、遠(yuǎn)距離的要求[3]。

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，相控陣技術(shù)由于突出的優(yōu)勢在短波通信中的運(yùn)用越來越廣泛。本文針對相控陣技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)相位校正設(shè)計(jì)了具體方案，并且通過實(shí)際測量驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)簡介

相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)的基礎(chǔ)是波束合成技術(shù)，即通過改變一組天線陣中的每個(gè)單元天線激勵(lì)信號的相位，實(shí)現(xiàn)波束合成功率的最大化[4-5]。

實(shí)現(xiàn)波束合成的基礎(chǔ)是在饋入相位前保證射頻信號相位的同步性。天線陣的相位同步是通過閉環(huán)系統(tǒng)中對射頻信號進(jìn)行相位檢測，從而補(bǔ)償相位，采用數(shù)字信號處理技術(shù)有效解決各通道射頻單元產(chǎn)生的“隨機(jī)”相位，即數(shù)字上變頻時(shí)各數(shù)字載波初始相位和D/A轉(zhuǎn)換時(shí)鐘相位的不一致引起的射頻相位差，實(shí)現(xiàn)多路信號的精確相位同步。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

短波發(fā)信系統(tǒng)相位同步校正主要分為三步：

（1）測量射頻輸出信號的相位；

（2）快速計(jì)算各路激勵(lì)器所需補(bǔ)償?shù)南辔恢担?/p>

（3）將所需補(bǔ)償相位值的信息從相位檢測單元快速傳輸?shù)礁髀芳?lì)器。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用四路天線進(jìn)行發(fā)信，如圖1所示。相位同步模塊的工作原理為：通過相位檢測單元對功放單元耦合獲取的射頻信號進(jìn)行相位檢測，將內(nèi)部差異引起的各路射頻信號之間的射頻相位差通過光纖送到激勵(lì)器射頻信號處理及控制單元[6-8]，通過已知的通信對象計(jì)算相位檢測器得到的射頻相位差，計(jì)算各路射頻信號實(shí)際需要移相的相位補(bǔ)償值。激勵(lì)器射頻信號處理單元根據(jù)傳輸過來的移相數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字移相處理，從而實(shí)現(xiàn)四路射頻信號的相位同步。

圖1 相位同步模塊系統(tǒng)

2.1 相位檢測單元

激勵(lì)器的時(shí)鐘信號和數(shù)字本振信號相差會導(dǎo)致激勵(lì)器射頻輸出的相位存在偏差，即多通道射頻信號的“隨機(jī)”相位。而相位控制單元就是通過采集并檢測多通道射頻信號相位差，實(shí)現(xiàn)對該“隨機(jī)”相位的相位補(bǔ)償。這一單元的設(shè)計(jì)是相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[3]。

同時(shí)，對n路上變頻板的射頻反饋信號進(jìn)行采樣，對采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，送至數(shù)字下變頻，把上變頻板得到的射頻信號與NCO模塊產(chǎn)生的本振信號經(jīng)過乘法器進(jìn)行混頻，即數(shù)字下變頻。下變頻后得到基帶信號，即將載波的頻率調(diào)制到基帶，得到正交的I、Q路數(shù)據(jù)流。

在FPGA中將檢測得到的I、Q路的數(shù)據(jù)送至DSP中。在DSP求出上變頻板輸出的射頻信號與檢測板本振的相位差。射頻單元的DSP依次接收到相位檢測的計(jì)算結(jié)果，并且傳輸至射頻單元的FPGA，在NCO模塊內(nèi)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而消除“隨機(jī)”相位給多通道射頻信號帶來的困擾。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用4路射頻信號的相位檢測，相位檢測軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 相位檢測軟件結(jié)構(gòu)

接收平臺數(shù)字信號處理任務(wù)主要由DSP與FPGA共同完成。DSP用于完成處理步驟相對復(fù)雜的信號算法和控制靈活的命令通路，F(xiàn)PGA用于完成大計(jì)算量且算法相對簡單的底層信號處理，從而解決了多通道射頻信號同步采集的難題，可以有效檢測各通道射頻單元產(chǎn)生的“隨機(jī)”相位。

相位采集單元的信號處理過程是數(shù)字化的，但是從發(fā)射末端接收回來的是4路模擬射頻信號。因此，需要一個(gè)射頻ADC用于將4路模擬射頻信號同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。針對設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)中采用的射頻ADC是AD9637。

AD9637是八通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），擁有小尺寸、低功耗和低成本的特性。系統(tǒng)中，AD9637將4路模擬信號采樣后得到的是串行的差分信號，然后對差分信號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換為4路并行信號。采樣完成后，再把信號輸出。下變頻的目的是把AD采樣后的射頻數(shù)字信號的中心頻率搬移到零頻。為了進(jìn)行頻率搬移，必須要產(chǎn)生與射頻信號頻率一樣的信號，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（NCO）。它的作用是產(chǎn)生正交的正弦和余弦樣本。傳統(tǒng)方法是采用查表法（LUT），即事先根據(jù)各個(gè)正余弦波相位計(jì)算好相位的正余弦值，并按相位角度作為地址存儲該相位的正余弦值，構(gòu)成一個(gè)幅度/相位轉(zhuǎn)換電路。在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，由相位累加器對輸入頻率字不斷累加，得到以該頻率字為步進(jìn)的數(shù)字相位，再通過相位相加模塊進(jìn)行初始相位偏移，得到要輸出的當(dāng)前相位。AD的采樣速率較高，而混頻后得到的數(shù)據(jù)率和采樣速率是一致，后級的DSP很難達(dá)到這個(gè)處理速率。因此，先通過級聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC）進(jìn)行大的抽取，使數(shù)據(jù)率快速降下來。CIC抽取濾波器的零極點(diǎn)相消，只需要用加法器、積分器和寄存器就能實(shí)現(xiàn)，不需要乘法，在高速抽取中非常有效。CIC濾波器由積分部分和梳狀濾波部分組成。輸入的每路射頻信號都有一個(gè)自己的相位值下變頻時(shí)，NCO模塊中產(chǎn)生的本振信號的相位值為經(jīng)過下變頻后，得到的基帶信號的相位值為下變頻完成后，將得到的I路和Q路兩個(gè)信號數(shù)據(jù)送入DSP中。通過對基帶信號的實(shí)部與虛部求反正切，計(jì)算得到最后，將補(bǔ)償角度值通過交換單元發(fā)送到對應(yīng)各路的激勵(lì)器。

2.2 交換單元

交換單元采用Tundra公司的Tsi578交換芯片完成交換功能。其中，DSP芯片主要完成對交換芯片的初始化、配置和復(fù)位工作，同時(shí)要對其他模塊發(fā)送過來的信號進(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，使DSP芯片能夠完成對交換芯片的配置和維護(hù)。本系統(tǒng)中，將Tsi578設(shè)置為16組1x模式，設(shè)定其串行速率為1.25 Gb/s，交換模塊硬件框如圖3所示。

圖3 交換單元硬件

3 相位檢測的效果分析

單機(jī)模式下，原始射頻信號和經(jīng)過相位采集單元修正過的射頻信號，在4通道示波器上的波形分別如圖4、圖5所示。

單機(jī)模式下，將經(jīng)過相位控制單元修正過的4路射頻信號分別接入示波器，以通道1為基準(zhǔn)進(jìn)行相位差檢測，統(tǒng)計(jì)1 000組數(shù)據(jù)，求得平均相位差，該相位差即平均誤差，如表1所示。

圖4 激勵(lì)器輸出的原始射頻信號實(shí)測圖

圖5 相位同步后的射頻信號實(shí)測圖

表1 誤差統(tǒng)計(jì)表

在相位檢測過程中，誤差來源主要是AD的量化、變壓器頻響的不一致性、電磁干擾、DSP計(jì)算舍入等。經(jīng)以上的測試結(jié)果可以看出，相位控制單元確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)射頻信號處理單元輸出射頻信號的相位精確計(jì)算，可以有效補(bǔ)償射頻單元產(chǎn)生的“隨機(jī)”相位差，為后續(xù)要進(jìn)行的波束合成提供技術(shù)基礎(chǔ)。相位檢測的精度≤1°，也符合一般情況下相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)?？梢?，本文設(shè)計(jì)的相位控制單元滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

4 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)，受到了越來越多的關(guān)注。在廣泛吸收前人的研究成果后，本文設(shè)計(jì)了具體相位同步補(bǔ)償方案，并通過實(shí)際的測量結(jié)果驗(yàn)證了該方案相位補(bǔ)償?shù)目尚行?。該相位同步的結(jié)果精確有效，可實(shí)際應(yīng)用于相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)，對多通道的相位檢測技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

[1] 龍劍飛,曹燕,寧更新.基于零中頻的短波發(fā)射機(jī)DSP單元的設(shè)計(jì)與研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(07):1706-1711.LONG Jian-fei,CAO Yan,NING Geng-xin.Design and Research of a DSP Unit Based on Zero-IF in Short Wave Transmitter[J].Science Technology and Engineeri ng,2009,9(07):1706-1711.

[2] 汪安民.DSP實(shí)用技術(shù)與開發(fā)案例[M].北京:人民郵電出版社,2008:1-404.WANG An-min.Practical Technology and Developmentcase for DSP[M].Beijing:Posts and Telecom Press,2008:1-404.

[3] 何憲文,高俊,屈曉旭等.多信道射頻信號相位檢測技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2014,47(05):478-482.HE Xian-wen,GAO Jun,QU Xiao-xu,et al.Research and Realization of Phasedetection Technology for Multichannel RF Signal[J].Communication Technology,2014,47(05):478-482.

[4] 陶登高,王勇,易克初.基于FPGA實(shí)現(xiàn)的NCO及其應(yīng)用[J].空間電子技術(shù),2005(03):32-36.TAO Deng-gao,WANG Yong,YI Ke-chu.NCO and Application Based on FPGA[J].Space Electronic Technology,2005(03):32-36.

[5] 董亮,汪敏,高亦菲等.基于NCO IP core的Chirp函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(20):20-22.DONG Liang,WANG Min,GAO Yi-fei,et al.Design and Implementation of Chirp Function Based on NCO IP Core[J].Modern Electronics Technique,2009(20):20-22.[6] Jovanovic D,Mitra S K.Simle Method for Compensation of CIC Decimation Fiter[J].Electronics Letters,2008,44(19):1162-1163.

[7] 崔浩貴,高俊,屈曉旭.數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)功率反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù),2011,51(08):134-137.CUI Hao-gui,GAO Jun,QU Xiao-xu.Design and Implementation of a Power Feedback Control System for Digitalshortwave Transmitters[J].Telecommunication Eng ineering,2011,51(08):134-137.

[8] 邱昊,高俊,屈曉旭等.短波數(shù)字接收機(jī)中頻響校正方案的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(06):58-64.QIU Hao,GAO Jun,QU Xiao-xu,et al.Research and Realization of a Frequency Response Calibration Scheme in HF Digitized Receiver[J].Application of Electronic Technique,2012,38(06):58-64.