一種寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

肖 恒，詹銀芳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引 言

通信對(duì)抗是當(dāng)前軍事戰(zhàn)斗的重要部分，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的抗干擾措施(如擴(kuò)頻通信、自適應(yīng)調(diào)零天線、自適應(yīng)濾波等技術(shù))得以應(yīng)用。而最大限度提高發(fā)射機(jī)輸出功率成為干擾措施中的難點(diǎn)，如采用波束合成技術(shù)能有效降低發(fā)射機(jī)輸出功率并可靈活改變合成波束指向。因此，波束合成技術(shù)在電子對(duì)抗領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。

早期的波束合成通常運(yùn)用在模擬射頻端，通過移相器、放大器等射頻器件完成通道幅相加權(quán)處理，這種實(shí)現(xiàn)方法硬件電路復(fù)雜，無法形成多波束，靈活性差[1]。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和處理芯片性能的提高，數(shù)字波束合成技術(shù)在工程中得以實(shí)現(xiàn)。

1 技術(shù)原理

寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)作為數(shù)字波束合成技術(shù)的一種，是寬帶數(shù)字波束形成(DBF)發(fā)射中的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)用該技術(shù)可以補(bǔ)償天線陣內(nèi)相位差和通道時(shí)延差，解決通道帶內(nèi)群時(shí)延一致性的問題。因而，數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)為波束合成提供理論支持和實(shí)現(xiàn)方法。

本文著重論述一種寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，即在數(shù)字電路基礎(chǔ)上，利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)靈活的可編程性，通過軟件編程解決寬帶多波束(同頻或者異頻)快速合成的技術(shù)難題。圖1為寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)的組成框圖。

圖1 寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)組成框圖

首先由DSP根據(jù)發(fā)射波束的方位指向和數(shù)字多波束合成算法計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)母鱾€(gè)通道的時(shí)間參量和相位參量；其次運(yùn)用并行信號(hào)數(shù)字產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生所需的數(shù)字或者模擬調(diào)制信號(hào)；再由DSP把相位和幅度參量發(fā)送給幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，并把時(shí)間參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字濾波器的系數(shù)發(fā)送給并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器；經(jīng)并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波后的信號(hào)再通過高速串行總線發(fā)送給高速DAC陣列，完成多通道信號(hào)輸出；最后經(jīng)功率放大器組和天線陣把多通道放大信號(hào)輻射出去，最終在指定空域?qū)崿F(xiàn)空間波束合成。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 數(shù)字多波束合成算法

如圖2所示，一個(gè)沿X方向從q=0,1，…，q-1的q個(gè)陣元的線性天線陣列，這個(gè)陣列中的陣元天線均勻分布，間距為d[2]。如果輸出信號(hào)是正弦波，那么第q個(gè)陣元輸出為：

x(q,t)=Acos[2πf1(t-τq-tq)-Φ)]=

Acos[2πf1t-2πf1(τq+tq)-Φ)]

(1)

式中：A為輸出信號(hào)的幅度；f1為頻率；tq為第q個(gè)通道和第1個(gè)通道(q=0)的通道時(shí)延差，由硬件系統(tǒng)決定，是個(gè)定值；Φ為第q個(gè)通道和第1個(gè)通道(q=0)的本振相位差，也是個(gè)定值；τq為第q個(gè)陣元與第1個(gè)陣元(q=0)的相位延遲時(shí)間，即空間相位差。

若天線陣元之間的距離為d，則這個(gè)延時(shí)為：

(2)

式中：θ1為圖2中所示的波束指向和法線的夾角，實(shí)際應(yīng)用范圍為-π/4到π/4之間；c為光速；實(shí)際應(yīng)用中距離d是固定的；q相對(duì)于每個(gè)陣元來說也是固定的。

多波束合成在不需要進(jìn)行波束賦性的情況下只需把式(1)中的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行疊加。

圖2 線性陣列和平面波

2.2 并行數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生

圖3為并行數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生原理框圖，F(xiàn)PGA內(nèi)軟件功能模塊包括調(diào)制碼元生成、鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘電路、內(nèi)插濾波器、多相濾波器和數(shù)字控制振蕩器(NCO)正交混頻器。首先低數(shù)據(jù)速率的調(diào)制碼元信號(hào)分IQ兩路，再經(jīng)內(nèi)插濾波后提高到高速率的基帶信號(hào)，然后經(jīng)多相濾波與NCO電路產(chǎn)生的載波信號(hào)進(jìn)行正交混頻，最終實(shí)現(xiàn)并行數(shù)字信號(hào)輸出。

圖3 并行數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生

2.3 幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)

幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)原理框圖如圖4所示，主要用于補(bǔ)償本振相位差或者多片DAC之間的采樣時(shí)鐘相位偏差和多路射頻信號(hào)之間的幅度偏差。幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字正交體制，采用16位量化，相位精度優(yōu)于0.1°，移相范圍0°～360°。I路和Q路的幅度控制采用16位量化，幅度控制范圍為0～96 dB，幅度控制步進(jìn)可精確到0.1 dB。

圖4 幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)

2.4 并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器

并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器用于補(bǔ)償天線陣內(nèi)相位差和通道時(shí)延差，該濾波器設(shè)計(jì)為通過時(shí)延補(bǔ)償時(shí)延差的方式奠定了基礎(chǔ)。并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器實(shí)現(xiàn)構(gòu)架如圖5所示。

圖5 并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器實(shí)現(xiàn)構(gòu)架

并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器的時(shí)延精度是判決濾波器是否能滿足設(shè)計(jì)需求的最重要指標(biāo)。并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器的時(shí)延精度取決于2個(gè)因素： (1)濾波器工作時(shí)鐘。這是時(shí)延精度的主要因素，29階的濾波器的群時(shí)延特性如圖6所示，時(shí)延精度為1/500的采樣時(shí)鐘，如400 Mbps的采樣速率，時(shí)延精度可以達(dá)到5 ps，這個(gè)數(shù)量級(jí)能滿足6 GHz以下所有頻段的波束合成的指標(biāo)需求。(2)濾波器的階數(shù)。這是時(shí)延精度的次要因素，當(dāng)濾波器階數(shù)提高，在一定程度上可以提高時(shí)延精度。

圖6 29階系數(shù)量化之后的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器群時(shí)延

并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器結(jié)構(gòu)是將“待卷積”的2個(gè)序列x(n)和h(n)按交叉數(shù)據(jù)分配的原則分為“相同數(shù)量的”若干個(gè)子序列[3]，二相分解公式表達(dá)如下：

在頻域，可表示為：

X(z)=X0(z2)+z-1X1(z2)

(3)

同理，有:

H(z)=H0(z2)+z-1H1(z2)

(4)

其中，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，有：

(5)

若N為奇數(shù)，只需修正式(5)的求和上標(biāo)即可，二相分解過程如圖7所示。

濾波結(jié)果的頻域可表示為：

圖7 二相分解過程

Y(z)=X(z)H(z)=(X0(z2)+z-1X1(z2))(H0(z2)+z-1H1(z2))=

X0(z2)H0(z2)+z-1X0(z2)H1(z2)+z-1X1(z2)H0(z2)+z-2X1(z2)H1(z2)=

(X0(z2)H0(z2)+z-2X1(z2)H1(z2))+z-1(X0(z2)H1(z2)+X1(z2)H0(z2))

(6)

2.5 高速DAC陣列

高速DAC陣列實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡我們采用AD9172芯片，該芯片是一款高性能雙通道16 bit DAC，支持最高12.6 Gsps采樣率，其輸出頻率最高可達(dá)到6 GHz。圖8中1塊數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡可同時(shí)產(chǎn)生8路信號(hào)，若增加板級(jí)同步信號(hào)可擴(kuò)展射頻通道路數(shù)。因此，高速DAC陣列技術(shù)的應(yīng)用大大降低了寬帶數(shù)字多波束合成對(duì)于射頻電路規(guī)模的需求，更解決了模擬器件無法在寬帶頻段內(nèi)做到較好一致性的問題。

圖8 高速DAC陣列組成圖

3 結(jié)束語(yǔ)

采用基于數(shù)字多波束合成算法、并行數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生、幅相加權(quán)網(wǎng)絡(luò)、并行分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波、高速DAC陣列的寬帶數(shù)字多波束發(fā)射技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍廣、信號(hào)帶寬寬(僅受制于DAC的采樣速率)，很好地解決了寬頻段多波束合成時(shí)天線陣內(nèi)相位差和通道時(shí)延差問題，合成效率高且硬件規(guī)模小，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單。工程應(yīng)用中僅通過軟件編程即可產(chǎn)生高碼速率的寬帶調(diào)制信號(hào)、寬窄帶多波束電掃等復(fù)雜信號(hào)，具有廣闊的應(yīng)用前景。