基于FPGA的一維多波束處理機設計

尹利忠 孔繁 耿東華 孫衛杰 羅欣

摘要：針對多波束系統傳輸數據量大、實時性要求高及多通道并行處理的特點，設計了一款基于FPGA的多波束處理機，利用FPGA芯片配置靈活、運行速度快、并發執行的優點，實現了多波束數據的實時處理與傳輸。采用該多波束處理機進行試驗，結果表明該處理機滿足系統需求，實現了多波束數據的實時處理與傳輸。

關鍵詞：一維多波束處理機;FPGA;多波束;實時性

中圖分類號：TP274.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0155-03

數字波束形成技術是一種將數字信號處理技術與傳統陣列天線技術相結合的技術，具有同時多波束、靈活可變、低副瓣的特點，是現代化雷達的核心技術。

方位向采用機械掃描，俯仰向形成同時多波束的一維線陣由于在探測精度、威力、空域覆蓋范圍、抗干擾及數據更新率和自身價格方面做到了很好的折中，在輕價值軍事目標和民用方面得到了廣泛的應用[1]。

本多波束處理機為某民用一維線陣研制，具有通用性強、波束數量和屬性可配置的特點。

1 多波束處理機板卡設計

多波束處理機安裝在6U標準機箱中，通過六路數據光纖接口接收數字接收機產生的40路I/Q數據，然后進行波束形成、波束組幀，最后通過三路SRIO波束傳輸接口將波速數據傳遞到后端的信號處理機。

1.1 板卡結構設計

VPX總線標準由VME總線標準發展而來，是一系列標準的集合，主要包括VITA46、VITA65、VITA48等。采用VPX標準的PCB結構有3U和6U兩種尺寸，支持PMC和XMC子卡安裝，散熱方式有風冷、液冷和金屬導冷三種方式[2]。

本多波束處理機模塊外形符合VITA48.2標準，采用6U結構，導冷散熱，預留標準XMC接口，用于背負光纖子卡。

1.2 板卡電路設計

多波束處理機原理框圖如圖1所示。

主要指標分解與實現：

（1）數據接收能力：本一維線陣共40個陣元，DDC后數據率10M，數據寬度16bit，I/Q兩路，則單個陣元需要傳輸的數據率為320M bps，單路光纖通道最大分配7個陣元的數據，則有效數據傳輸速率需求為2.24G bps，考慮8b/10b編碼及數據傳輸效率，則光纖通道的傳輸速率要求在3G bps以上，本多波束板卡光纖通道支持6.25G bps數據傳輸，滿足系統數據傳輸及后續升級擴展需求;

（2）運算能力：本多波束板卡最大需求為同時48個波束形成，乘法器采用8倍復用復數乘法器，則乘法器數量需求為240（×3DSP）個，加法器需求量為492（×1DSP）個，共需求DSP運算單元1212個，Virtex-7 690t DSP數量為3600個，滿足系統及后續升級擴展需求;

（3）數據發送能力：一維多波束線陣抽取后數據率10M，經波束形成后，I/Q為32位，則單個波束數據率為0.64Gbps，單路SRIO需傳16個波束，則SRIO傳輸速率要求為大于10Gbps，本多波束板卡傳輸速率5Gbps，×4，則總速率為20G bps，滿足波束數據傳輸及后續升級需求。

2 模型建立與仿真

2.1 仿真參數設置

本一維線陣工作信號頻率ku波段;陣元垂直方向線陣排列，陣元數目40個，陣元間隔1/2波長;同時形成多波束數量14個（和差），波束中心間隔15°，波束寬度5°。

2.2 多波束方向圖仿真

采用多波束技術的接收信號模型可以表示為[3]：

本多波束系統對7個不同指向的和波束權重系數分別加-30db泰勒權，與和波束對應的7個差波束分別加-30db貝葉斯權，其仿真結果如圖2所示。

為了便于后續工程驗證，利用matlab模擬產生一個某方位向遠場回波。回波方位假設為30°，回波形式為連續波，單頻點，頻率f0為1M，采樣率Fs為5M，采樣點N為1500個，則回波信s可表示為：

將生成的信號數據注入多波束系統，波束形成后，取各個通道的輸出波形的實部或虛部，求出各個波束通道的信號幅度值，求模、歸一化。本多波束系統不同波束通道的幅度響應如圖3所示。

3 多波束處理機主要功能軟件設計

3.1 DSP主要功能軟件設計

DSP通過網口中斷接收上位機傳遞過來的數據幀，校驗無誤后提取幀中的波束指向、波束數量等信息，根據提取的信息生成相應的權重系數，對權重系數進行歸一化、定點化，通過EMIF接口將定點化后的權重系數存儲到FPGA的Block RAM中，存儲完成后，產生GPIO中斷，通知FPGA權重系數已更新。其程序流程框圖如圖4所示。

3.2 FPGA主要功能邏輯設計

FPGA接收40個陣元的基帶數據并緩存到40個DataRAM中，將每個陣元對應的48個系數分為6組緩存6個CoffRAM中。所有數據準備完成后，觸發波束形成模塊，進行波束形成。波束形成框圖如圖5所示。

4 系統驗證

本文采用模擬遠場回波的方式來驗證多波束系統[4]。具體做法是將2.2節中生成的30°方向40陣元的遠場回波數據進行歸一化、定點化，保存為coe格式的文件，將該文件導入到FPGA的Data_RAM中，根據PRI和CPI信號來觸發多波束系統工作，進行波束形成。

利用matlab處理波束數據，計算出來波方向各波束通道的幅度響應，具體如圖6所示。

從圖6可以看到，該多波束系統響應與matlab仿真系統響應基本吻合，誤差在0.49db左右。

5 結語

本文以一維多波束線陣為背景，針對多波束系統數據量大、多通道并發的難點，利用Virtex-7 FPGA芯片邏輯容量大，運行速度快、并行執行的特點實現了多波束處理機。目前該處理機已在相關型號中得到應用，表現良好。

參考文獻

[1] 李靖舒.多核CPU上一維DBF雷達信息處理平臺研究[D].南京：南京信息工程大學，2017.

[2] 王平安.基于FPGA的艦載三坐標雷達多波束及信號處理技術研究[D].南京：南京信息工程大學，2014.

[3] 夏萍萍.小型相控陣雷達數字波束形成和信號處理仿真研究[J].南京：南京理工大學，2013.

[4] 李勇.多波束天線的近場測量與模擬分析[J].電子測量技術，2009（5）：141-144.