寬帶數字波束形成系統應用和實現

中國電子科技集團公司第五十四研究所 張雨明

在多目標測控系統中，采用數字多波束技術能夠獲得更多的同時多目標數量、更靈活的系統配置方式和更強的擴展性。本文針對FDMA系統，設計了一種數字接收組件，每個數字接收組件能夠對1個16陣元的接收天線子陣進行信號處理，形成8個同時FDMA波束。工程應用結果表明，系統的各項指標達到了使用要求，具有較強的靈活性和可擴展性，能夠滿足使用要求。

相控陣天線根據波束形成所采用的硬件形式，可以分為模擬波束形成（ABF）和數字波束形成（DBF）。近十年來，隨著微電子技術的迅速發展，AD、DA和處理器的性能有了巨大發展，使得DBF技術得以廣泛推廣和應用。

DBF技術的核心和難點在數字TR組件。相比于模擬TR組件使用多功能幅相控制器、數控延遲器來實現相控陣幅相加權和時間加權，數字TR組件采用軟件無線電思想，在一定程度上能夠靈活的實現多波束形成，并實現波束主、副瓣能量管理。

1 數字波束形成技術具有如下優勢

數字波束的組成原理是將數字信號處理技術和天線技術有機結合。后者主要由數字波束構成，與此同時借助軟件技術來實現算法的更新，并以不改變系統硬件配置為基礎來加強系統的靈活度。DBF在整個流程中擔任的是接受信號并且進行計算從而形成數字波束的任務，主波束主要為使用者服務，其他波束對方向圖起到干擾的作用。一旦發生戰爭，雷達必須具有能夠惡劣環境正常工作的能力，而DBF就能夠實現這一目標。DBF可以通過許多的單獨束波來對接其他多徑束波并且形成完備的系統，充分發揮天線口徑吸收到的能源，從而讓每一個束波都等同于獨立開展工作的天線。

在測控通信系統中引入數字波束形成技術，有利于提高系統的靈活性、提高系統的抗干擾、抗截獲能力；數字波束形成技術能夠靈活的對抗寬帶信號帶來的孔徑渡越效應，能夠進一步提高系統的傳輸帶寬[1]。

(1)能夠調整主波束和副辦方向圖?？梢哉{整相關因素從而實現對目標的影響，使其在方向圖形成零點。

(2)形成聯系密切的近空多波束。DBF能夠在相同的時間里產生多個低副瓣波束，保證通信系統的總信息傳輸功能。

(3)自動對準天線降低副辦。在DBF處理系統中應用校對系統，有助于降低數字波束的頻率，提高束波收發的質量?？梢詼p弱導彈在發射時收到的反輻射，還能降低在收取信息時的干擾能力。

(4)精準校對陣列方向圖。DBF技術能夠使單元之間的校準更加方便、快速，減少失誤的發生。

(5)便捷的通信資源調度和管理。在測控通信中，對波束EIRP、波束寬度、收發占空比、數據速率的綜合管理要求日益提升。數字波束形成技術能夠靈活的配置系統發射功率，通過自適應加權改變波束寬度和零陷位置，能夠動態調整數據傳輸速率以適應不同速率的通信系統。

因為DBF能夠同時具備上述的條件，所以能夠被廣泛應用在各大領域。隨之而來的是，該技術也具有極高的難度系數和技術要求。在電子設備不斷優化的背景下，需要處理的數據不斷增加，能否及時處理信號、接口電路是否具有較高的承受能力成為了關鍵。隨著計算機、LSI以及信號處理技術的蓬勃發展，雷達DBF處理器的誕生條件已越來越完備。通常情況下，將運用數字進行傳輸與接受束波的技術成為數字列陣雷達。數字列陣雷達主要包括天線列陣、數字發收系統、計時系統、傳輸系統和處理系統等幾部分。在整個程序中，數字處理機模塊是最為關鍵的。它的主要工作就是形成數字波束。在數字列陣領域，束波的傳輸與接收都通過數字的形式來完成，區別于傳統的掃描技術，其具有更高的準確性、功能性、多徑性、多層次、免干擾性、高適應性和自動識別等功能[2]。因此，已越來越受到通訊領域學者和研究人員的喜愛與追捧。

在數字列陣技術普及與應用的背景下，寬帶數字陣列通信系統受到越來越多人的矚目。寬帶相控陣天線對通信系統的直接影響是提高了傳輸中的碼間串擾。碼間串擾的形成會惡化系統的解調性能，造成數據傳輸誤碼。數字波束形成技術能夠通過數字時延濾波器技術對抗由寬帶相控陣天線系統帶來的碼間串擾。因此，能夠有效的提高應用于通信領域的寬帶相控陣天線的瞬時信號帶寬，同時降低頻率空間色散，提高波束指向精度，降低指向損耗。

2 工作原理

數字接收組件由16通道微波信道(包括低噪放、混頻器和濾波器等)、高速ADC陣列、核心處理器（FPGA）和電光轉換模塊組成。

接收射頻前端對小信號進行放大、下變頻和濾波，輸出16路等幅、同相中頻信號。數字同步采集板對16通道中頻信號進行高精度同步AD轉換，由FPGA對采集數據進行接收信號處理，形成8個子陣級數字接收波束，并通過光纖將數字接收波束基帶數據發送至DBF機箱，由DBF機箱完成全陣數字波束形成。

3 方案設計

3.1 高速AD采樣

高速AD采樣基于JEDEC協會制定的JESD204B協議（子類I），實現了2GSPS采樣率下的同步采樣?；谟布娐返?6通道間的同步采樣誤差為±70ps，經過軟件調整后，該誤差修正為±15ps；16通道間的同步采樣抖動為±10ps。經過相位校準后，16通道間的相位誤差為±2.3°。

為了使得系統具備擴展性，AD采樣的參考時鐘為外參考提供。

3.2 多波束幅相加權器

AD采樣后的數據通過高速串行接口進入FPGA。由于采樣速率高達2GSPS，因此在FPGA內部采用8路并行處理。

多波束幅相加權器實際上為數字正交下變頻模塊。每個加權器內部包括相位計算模塊、同步并行DDS和正交混頻器。相位計算模塊根據當前波束指向，計算該波束在某一陣元的幅相權值，并補償加工制造不一致性帶來的幅相誤差。同步并行DDS將幅相權值和幅相誤差合并，根據指向脈沖同步更新DDS幅度、相位控制字，輸出1路正交的數字本振。正交混頻器對AD采樣數據進行并行正交下變頻，輸出基帶I、Q數據，同時完成了幅相加權。

3.3 波束形成器

波束形成器在數字域形成和、差波束和波束用于信號解調，恢復傳輸數據；差波束用于波束跟蹤，用于驅動和波束對準目標。波束形成器的工作原理和設計方法比較簡單，不再贅述。

3.4 并行多相FIR濾波器

并行多相FIR濾波器為16階8并行多相濾波器，完成2個功能：

(1)低通濾波：濾除正交下變頻產生的二倍頻分量；

(2)抗抽取混疊：在抽取前，對混疊帶內的信號進行抑制。

可配置FIR濾波器為一固定16階8并行多相濾波器，輸入采樣速率2GSPS，抽取因子D=8，輸出采樣率250MSPS。并行多相FIR濾波器的結構如圖1所示。

圖1 多并行FIR濾波器實現框圖Fig. 1 Implementation block diagram of multi parallel FIR filter

FIR并行濾波器分為8相，每相濾波器的輸入為前相濾波器延時1個采樣周期；經延時后的8并行數據輸入至并行轉換模塊，輸出17路并行數據，然后進入并行結構FIR濾波器濾波，輸出8并行濾波數據M0M1M2……

由于濾波后進行了抽取，因此在實現時僅使用了第1相濾波器。16階8相8抽取濾波器使用的計算資源為：16個加法器和9個乘法器。

3.5 數據發送

將數據按照既定幀格式組幀，然后經過Xilinx GTH IP CORE核并串轉換，輸出高速串行數據，進行電光轉換后，經光纖傳輸至后級DBF模塊進行合成處理。

3.6 DBF板卡

DBF板卡為多通道并行高速接收板卡。每塊DBF板具備64路光電轉換和高速GTH SERDES。通過FPGA內部FIFO對數據進行對齊，然后完成不同子陣間的全陣列數字波束形成。數字采集和DBF板卡的如圖2所示。

圖2 寬帶DBF板實物圖Fig.2 Physical drawing of broadband DBF board

3.7 測試結果

數字同步系統實現的主要技術指標如下：

(1)ADC采樣：2000MSPS，14bit；(2)系統帶寬：600MHz；(3)單波束瞬時帶寬：≤64MHz；(4)同時多波束數量：8個；(5)單波束單通道數據傳輸速率：≤9Gbps（編碼后）；(6)系統處理時延：≤200ns；(7)系統寬帶時延能力：≤500ps。

4 結語

經分機試驗、系統試驗驗證，該寬帶數字波束形成系統波束合成損失≤0.2dB，和差波束指向精度優于10mrad（RMS），具備良好的擴展性和實現性，能夠實現系統要求指標。

寬帶字波束形成技術是現階段相關信息領域的研究熱門，對促進我國經濟發展具有積極作用。本文針對寬帶數字波束的形成系統進行了研究與分析，但是該技術輻射到的領域十分廣泛，依然由許多相關內容與問題值得我們繼續研究，舉例如下[3]：

目前頻移結構易發生相位間斷的現象，在借助時域與空域進行信號處理時往往會造成大規模的延遲線頭和陣元。這對其發展是不利的，不但提高了硬件的成本，而且對算法計算的要求提高，只有通過復雜的運算方式才能解決高階數計算問題，阻礙了人們的工作。因此，要對濾波器的高階數運算進行新的設計與研究，使其能夠進行多徑傳輸，目前有的寬帶波束并沒有涉及到多徑傳輸問題[4]。在現實中，遇到多路線傳輸需要時，波束形成器往往難以支撐多途徑傳輸。對寬帶數字波束形成系統進行深入研究有助于環節這一問題，促進波束器的進一步發展。寬帶盲波束區別于普通的波束器，脫離了參考信號和信號抵達方向的限制，具有較強的競爭力。盲波束依靠自身具有的傳輸穩定、相關性較強、運算量較大等優勢進行信號分離，盡可能的縮小信號指向之間的誤差，使其擁有穩定性。目前在市場上通行的構成多以卷積混合模型為基礎，其運算方法具有較高的專業要求[5]。因此，必須加大對寬帶數字波束的研究力度，從而使工程運用時更加方便快捷。