一種數(shù)字波束合成處理架構(gòu)及其子陣設(shè)計

李 杰,李 翔,侯京辰

(成都振芯科技股份有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

基于數(shù)字波束合成(DBF)技術(shù)的數(shù)字相控陣具有靈活多變的波束控制及調(diào)度功能,易于實現(xiàn)收/發(fā)并行多波束,支持自適應(yīng)數(shù)字波束形成(ABDF)功能。與傳統(tǒng)模擬相控陣相比,數(shù)字相控陣在多目標(biāo)并行跟蹤、抗干擾能力、瞬時動態(tài)范圍、雜波抑制等方面具有明顯優(yōu)勢[1-3],可用于雷達[4-6]、電子對抗[7-9]、衛(wèi)通測控[10-11]等領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣泛。

DBF處理架構(gòu)是數(shù)字相控陣系統(tǒng)的核心技術(shù)之一,直接影響數(shù)字相控陣系統(tǒng)的成本、尺寸、功耗、功能性能、技術(shù)先進性、可重構(gòu)特性等指標(biāo)。常見的DBF處理架構(gòu)采取電傳輸及多級合成的分布式處理方案,技術(shù)成熟,但是系統(tǒng)體積大,難以滿足收發(fā)通道與數(shù)字處理分開的技術(shù)發(fā)展趨勢。本文以某數(shù)字相控陣項目的DBF處理架構(gòu)為研究對象,考慮技術(shù)先進性以及較高的尺寸限制,并著眼于未來技術(shù)發(fā)展趨勢,提出了一種基于光傳輸?shù)募惺紻BF處理架構(gòu),并完成對其可重構(gòu)處理子陣的詳細設(shè)計、樣機制造及試驗驗證。

1 數(shù)字波束合成處理架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)某項目需求,針對數(shù)字波束合成處理架構(gòu)問題,提出2種解決方案:(1)電傳輸及分布式處理架構(gòu);(2)光傳輸及集中式處理架構(gòu)。下面研究分析2種處理架構(gòu)的詳細方案及其優(yōu)缺點,在此基礎(chǔ)上確定該項目的數(shù)字波束合成處理架構(gòu)。

1.1 電傳輸及分布式處理架構(gòu)

電傳輸及分布式數(shù)字波束合成處理架構(gòu)如圖1所示,其主要特點為:

圖1 電傳輸及分布式數(shù)字波束合成處理架構(gòu)

(1)在結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求的情況下,信號處理組件位于各個可重構(gòu)子陣內(nèi)部,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,但是單個可重構(gòu)子陣的尺寸增加,對系統(tǒng)尺寸的要求更高,是一種較為傳統(tǒng)的處理架構(gòu)方案;

(2)采用分布式數(shù)字波束合成處理架構(gòu),各個可重構(gòu)子陣獨立完成初級波束合成,再由全陣信號處理組件完成全陣波束合成;

(3)各個可重構(gòu)子陣對外輸出波束合成數(shù)據(jù),合成波束個數(shù)遠小于通道個數(shù),數(shù)字光收、發(fā)組件的成本更低;

(4)單個可重構(gòu)子陣結(jié)構(gòu)緊湊,信號處理組件、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)采樣組件和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)組件同在一個子陣內(nèi)部,距離近,大規(guī)模通道數(shù)據(jù)的高速傳輸可采用電傳輸方案,成本低;

(5)通過子陣重構(gòu),可實現(xiàn)任意規(guī)模陣列的擴展。

1.2 光傳輸及集中式處理架構(gòu)

光傳輸及集中式數(shù)字波束合成處理架構(gòu)如圖2所示,其主要特點為:

圖2 光傳輸及集中式數(shù)字波束合成處理架構(gòu)

(1)信號處理組件獨立于各個可重構(gòu)子陣,可重構(gòu)子陣的結(jié)構(gòu)更加緊湊;

(2)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理相互獨立,子陣波束合成處理和全陣波束合成處理集中在具有超大規(guī)模計算能力的全陣信號處理組件中完成;

(3)集中式處理架構(gòu)是一種較為先進的處理架構(gòu),符合數(shù)字陣列的發(fā)展趨勢,如智能蒙皮、模數(shù)/數(shù)模(AD/DA)轉(zhuǎn)換前移、超高速光傳輸、集中式信號處理等;

(4)信號處理組件獨立于各個可重構(gòu)子陣,信號處理組件與ADC采樣組件、DAC變換組件的距離較遠,為提高傳輸可靠性,需采用光傳輸方案,成本較高;

(5)通過子陣重構(gòu),可實現(xiàn)任意規(guī)模陣列的擴展。

1.3 對比分析及結(jié)論

根據(jù)分布式處理架構(gòu)方案及集中式處理架構(gòu)方案的特點,2種方案對比分析結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1 的分析結(jié)果可知,光傳輸及集中式處理架構(gòu)比電傳輸及分布式處理架構(gòu)在技術(shù)先進性、技術(shù)發(fā)展趨勢契合度、尺寸規(guī)模等方面具有明顯優(yōu)勢,但是光傳輸及集中式處理架構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)難度及成本較高。

表1 數(shù)字波束合成處理架構(gòu)方案對比分析結(jié)果

光傳輸及集中式處理架構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)難度和成本主要受限于高速、高容量數(shù)字收發(fā)光模塊。根據(jù)前期技術(shù)調(diào)研,國內(nèi)部分廠家可研制滿足技術(shù)要求的收發(fā)光模塊。隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字收發(fā)光模塊的技術(shù)穩(wěn)定性和成本將逐漸改善,可進一步降低光傳輸及集中式處理架構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)難度和成本。

綜合以上分析,考慮項目的技術(shù)先進性以及較高的尺寸限制,并著眼于未來技術(shù)發(fā)展趨勢,擬采用光傳輸及集中式數(shù)字波束合成處理架構(gòu)方案。

2 可重構(gòu)處理子陣設(shè)計

2.1 功能視圖

根據(jù)圖2可知,基于子陣重構(gòu)方法,可實現(xiàn)陣列通道數(shù)目的任意擴展,可重構(gòu)子陣是陣列的最小功能顆粒,其功能視圖如圖3所示?？芍貥?gòu)子陣主要完成接收采樣、發(fā)射數(shù)模變換、數(shù)字光發(fā)射、數(shù)字光接收、多接收通道同步、多發(fā)射通道同步及狀態(tài)監(jiān)控等功能。

圖3 可重構(gòu)處理子陣功能視圖

2.2 硬件架構(gòu)

可重構(gòu)子陣的硬件組成如圖4所示,包括4個ADC采樣組件、4個DAC變換組件、1個信號轉(zhuǎn)接組件以及1個模擬光接收組件,核心元器件或者模塊包括64路ADC、64路DAC、數(shù)字光收發(fā)組件、模擬光收發(fā)組件、時鐘分發(fā)模塊、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)配置芯片等。

圖4 可重構(gòu)處理子陣硬件架構(gòu)

2.3 總線關(guān)系及互聯(lián)邏輯

可重構(gòu)處理子陣總線關(guān)系及互聯(lián)邏輯如圖5所示,外部交互接口包括64路射頻信號輸入、64路射頻信號輸出、多路數(shù)字光輸入及輸出、系統(tǒng)同步SYNC信號模光接口、系統(tǒng)參考時鐘SYSCLK模擬光接口、供電及系統(tǒng)控制調(diào)試接口,其中:

圖5 可重構(gòu)處理子陣總線關(guān)系及互聯(lián)邏輯

(1)64路射頻信號輸入由ADC采樣組件完成采集,通過數(shù)字光發(fā)送模塊送入陣列的信號處理組件完成波束合成;

(2)DAC變換組件的數(shù)字光接收模塊接收來自信號處理組件的數(shù)字基帶數(shù)據(jù),并由DAC芯片完成64路射頻信號輸出;

(3)系統(tǒng)同步SYNC信號、系統(tǒng)參考時鐘SYSCLK信號由模擬光組件完成接收,并進行光電轉(zhuǎn)換;

(4)信號處理組件通過控制調(diào)試接口實現(xiàn)對可重構(gòu)子陣的配置和控制;

(5)信號轉(zhuǎn)接組件接收模擬光組件的同步SYNC信號及系統(tǒng)參考時鐘SYSCLK信號,產(chǎn)生ADC組件、DAC組件所需的同步信號和時鐘信號。

2.4 功能軟件架構(gòu)

陣列系統(tǒng)的軟件架構(gòu)組成如圖6所示,主要包括接口通信、芯片配置、系統(tǒng)控制以及波束合成等功能。其中:

圖6 可重構(gòu)處理子陣功能軟件架構(gòu)

(1)信號處理模塊的FPGA1駐留接口通信程序、系統(tǒng)控制程序、波束合成程序以及芯片配置程序,用于完成上位機通信、系統(tǒng)控制、發(fā)射/接收波束合成以及信號處理模塊芯片的基礎(chǔ)配置;FPGA2、FPGA3、FPGA4駐留接口通信程序和波束合成程序,用于完成各自FPGA的對外通信交互及發(fā)射/接收波束合成;

(2)可重構(gòu)子陣的信號轉(zhuǎn)接組件、ADC采樣組件、DAC變換組件駐留接口通信程序和芯片配置程序,用于完成各組件上FPGA_A7的對外通信交互及芯片的基礎(chǔ)配置。

3 試驗分析

根據(jù)前述分析,設(shè)計制造的可重構(gòu)處理子陣實物如圖7所示,與信號處理子陣配合,可同時完成64(8×8)通道接收、發(fā)射數(shù)字波束合成。為測試波束合成結(jié)果,搭建如圖8所示的波束方向圖掃描測試系統(tǒng)。

圖7 可重構(gòu)處理子陣實物

圖8 可重構(gòu)處理子陣波束方向圖掃描試驗框圖

測試流程說明如下:

(1)外置信號產(chǎn)生設(shè)備,按照時序要求,生成可重構(gòu)子陣所需的SYNC信號和SYSCLK信號,電光轉(zhuǎn)換后,發(fā)送給可重構(gòu)子陣;

(2)可重構(gòu)子陣的DAC輸出接入可重構(gòu)子陣的ADC輸入;

(3)獲取通道間的幅相不一致性,并進行通道校準(zhǔn);

(4)信號處理組件集成發(fā)射數(shù)字波束合成功能和接收數(shù)字波束合成功能,通過發(fā)射波束合成功能模擬不同來波方向?qū)?yīng)的時差和相位差,并通過可重構(gòu)子陣的DAC輸出滿足通道間時差和相位差要求的射頻信號;

(5)可重構(gòu)子陣的ADC采集DAC輸出的模擬不同來波方向的射頻信號,信號處理組件的接收波束合成功能完成接收波束合成,并提取波束幅度;

(6)發(fā)射波束合成功能完成全空域模擬來波方向掃描,通過接收波束合成,即可形成全空域的波束方向圖。

按照上述流程,僅考慮一維8通道數(shù)字波束合成,采集完成的波束方向圖如圖9所示。其中,波束指向從左到右依次為-70°～70°,按照10°步進。根據(jù)圖9可知,各個合成波束的指向正確,主副瓣比符合理論分析結(jié)果,設(shè)計的可重構(gòu)子陣可用于任意規(guī)模數(shù)字陣列的擴展重構(gòu)。

圖9 可重構(gòu)處理子陣波束方向圖掃描結(jié)果

4 結(jié)束語

針對某數(shù)字陣列項目需求,考慮項目的技術(shù)先進性以及較高的尺寸限制,并著眼于未來技術(shù)發(fā)展趨勢,設(shè)計了一種光傳輸及集中式數(shù)字波束合成處理架構(gòu),并對該處理架構(gòu)的可重構(gòu)處理子陣進行了詳細設(shè)計?；谠撎幚砑軜?gòu)以及可重構(gòu)處理子陣,可實現(xiàn)任意規(guī)模數(shù)字陣列的擴展。為驗證處理架構(gòu)、可重構(gòu)處理子陣設(shè)計結(jié)果的正確性,搭建試驗系統(tǒng),獲取了可重構(gòu)處理子陣實物的數(shù)字波束合成方向圖。測試結(jié)果表明,可重構(gòu)處理子陣合成波束的指向正確,主副瓣比符合理論分析結(jié)果,可用于任意規(guī)模數(shù)字陣列的擴展重構(gòu)。