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某雷达数字波束形成系统的设计与实现.pdf

某雷达数字波束形成系统的设计与实现

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《某雷达数字波束形成系统的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文某雷达数字波束形成系统的设计与实现姓名:王静申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:陈伯孝摘要数字化雷达是雷达发符等。

西安电子科技大学硕士学位论文某雷达数字波束形成系统的设计与实现姓名:王静申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:陈伯孝摘要数字化雷达是雷达发展的主要方向之一。发射波控和接收数字波束形成(DBF)技术是数字化雷达的关键。本论文结合某型号大型阵列雷达推导了“和、差”波束形成的详细计算公式研究了其发射波束控制和接收DBF的工程实现方法。利用先进的FPGA和DSP设计了该雷达路天线的实时数字多波束形成与发射波控系统研究了基于粒子群算法的大型阵列天线的低副瓣赋形波束的优化设计方法完成了其发射校正、接收校正、同时多波束形成的FPGA设计。因为系统通道数多、数据率高本文在详细分析了影响速度和资源消耗原因的基础上采用串并转换、时分复用并结合流水线的技术采用一些优化算法提高了数字波束形成的效率。测试结果表明:该系统满足系统设计要求。这种两维全阵列的发射波控及其接收DBF实现方法在其它阵列雷达中也可以借鉴。关键词:数字波束形成(DBF)赋形波束时分复用Abs仃actDigitalRadarisoneofthemaindirectionsthatRadarisdevelopedin.netransmittingbeamsteeringandreceivingDigitalBeamForming(DBF)isthekeytechnologyofDigitalR妣BasedoncertainRadarwithabigarray,formulasofsumanddifferencebeamformingsarederivedindetailandthewayoftransmittingbeamsteeringandtheimplementationofreceiverDBFarestudiedinthispaper.TherealtimesystemoftransmittingbeamsteeringandreceivingDBFforantennasisdesignedbyusingadvancedFPGAsandDSPs.Theoptimizationschemeforshapedbeamforming诵nllowsidelobesusingParticleSwarmOptimizer(PSO)isalsostudied.TheFPGAdesignsoftransmittingcalibration,receivingcalibrationandsimultaneousmultibeamformingalerealized.Becauseofthelargesizeofthearrayandthehi曲rateofthesystemsometechnologysuchastheconversionofserialintoparalleltimedivisionmultiplexing(TDM)pipeliningandotheroptimizationtechniquesareintroducedinthesystemtoimprovetheefficiencyofDBFafterdetailedanalysisofthefactorsthataffectthespeedandquantityoftheusedresource.Thetestresultsindicatethatthissystemisuptothedesignspecification.ThisimplementationoftransmitterbeamcontrolandDBFintwodimensionalarrayRadarcouldalsobeusedforreferenceinotherArrayRadar.Keywords:DigitalBeamFomingpBDShapedBeamFormingTDM西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:至甏日期彬‘慢西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名:至童.日期型皇::笪导师签名:牮蝤舀羞.第一章绪论第一章绪论.数字阵列雷达简介】雷达是现代信息化战争中最重要的信息获取装备它正面临着日益严峻的目标环境和电磁环境的挑战必须具备高的搜索速率、高的多普勒分辨率和角分辨率、高抗干扰能力和同时多功能(如搜索与跟踪)等。军用雷达对系统的动态范围、相位噪声、稳定度、隔离度以及其他一些与硬件相关的参数提出很高的要求。根据所采用的波束形成硬件雷达阵列通常可以分为模拟波束形成(ABF)雷达和数字波束形成(DBF)雷达。ABF雷达采用模拟器件(如移相器、时延单元及波导等)来形成波束而DBF雷达则采用数字采样和数字处理器来形成波束。数字阵列雷达是一种收、发均采用数字波束形成技术的全数字化相控阵雷达它采取的是在数字域实现幅相加权(即数字波束形成)。数字阵列雷达的基本工作原理是:发射模式下信号处理机给出发射波束扫描所需的幅度和相位值送至数字收/发组件(DTR)DTR在波形产生时预置相位和幅度然后经过上变频和放大后经辐射单元发射出去在空间合成接收模式下每个单元接收的信号经过下变频、DDC(数字下变频器)后I/Q信号送至信号处理机进行DBF处理和常规信号处理形成目标点迹。与采用模拟器件来实现波束形成的传统相控阵雷达相比数字阵列雷达具有很多优点。.大的动态范围。大动态范围是强杂波下小目标检测所必需的数字阵列雷达比常规相控阵雷达有更大的系统动态如个单元的数字阵列其系统动态可增蔓JHdB。.容易实现多波束。空间探N/导弹预警等情况下雷达需采用多波束工作方式这样可以充分利用能量。以模拟方式形成多波束无比复杂而数字阵列雷达是在数字域实现多波束的比较容易实现。另外为了同时满足高精度和高搜索、跟踪的数据率也需要多波束。.低损耗、低副瓣。波束加权和脉压加权在不同距离上可灵活设定这样可实现近距离低副瓣和远距离低损耗(改善约"'dB)。.低角测高精度高。可同时多波束不同距离波束数和波束指向可灵活控制波束交叠电平低在低角范围内可保证有两个高信噪比的波束对目标进行测量。数字阵列雷达采用高度集成的MMIC、FPGA、DSP和光纤通信技术使得系某雷达数字波束形成系统的设计与实现统变得非常简单仅由全数字阵列模块(DAM)和处理机两部分组成。数字阵列雷达优越的性能同时多功能、可重构、智能化等特点将使其成为相控阵雷达发展的主流在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。.数字波束形成研究现状雷达和通信系统所需的信息越复杂对天线的性能要求就越高。DBF是提高天线性能的强有力技术。严格地讲波束形成对应于单元信号的加权与合成而数字波束形成几乎包括传感器阵列的数字化信号的所有空间处理。目前先进的微波集成电路、信号处理和高速数字电路使微波雷达和通信系统的DBF成为可能DBF技术将越来越重要。数字波束形成赋予雷达系统诸如多波束形成、波束形成的灵活性和方向图综合等许多优点。随着现代数字技术方面的进展、各种军用雷达设计规划对雷达接收机数字法的推动和促进雷达DBF技术的研究必将取得更重大的实质性突破f】。近几十年采用阵列天线的相控阵雷达发展迅速数字波束形成是目前相控阵雷达的一个重要发展方向国外一些发达国家在这方面投入了大量的人力物力己取得了一定的研究成果出现了许多采用DBF技术的实验系统和相控阵雷达系统【】。美国海军研究局(ONR)世纪年代开展了数字阵列雷达的先期概念研究在此基础上于财年正式立项开展了全数字波束形成的数字阵列雷达(DAR)的研究以便引入现代新技术来开发一种具有全DBF结构的有源阵列雷达系统目的是解决舰载雷达在近海作战时复杂环境下小目标的检测问题【d。华东电子工程研究所于年提出了“直接数字波束控制系统”的概念其后对基于DDS的数字T/R组件进行了深入研究年研制出单元基于DDS技术的DBF发射阵。年该所完成了个单元的两维数字阵列雷达演示验证系统的研制该系统工作在S波段【ldll。目前关于DBF的理论研究较多由于DBF的运算量较大硬件实现主要是针对一维线阵。即使是两维阵列也是先微波合成为一维阵列再进行DBF处理。本论文结合某重点型号雷达由于该雷达采用DAM包括根天线需要对这些天线的发射波束进行控制使得发射波束指向不同的方向并且需要产生不同类型的波束(笔形或赋形波束)接收时需要对路信号进行两维DBF处理既有笔形波束也有赋形波束并且需要同时形成多对“和、差"波束。因此论文根据该雷达发射波束控制和接收数字波束形成的要求进行理论分析和工程实现。第一章绪论.本文的主要工作本文结合某型号大型阵列雷达进行了发射波控和数字波束形成的研究并在硬件系统实现。本文主要内容安排如下t.第一章为绪论介绍了数字阵列雷达的优点及其发展分析了数字波束形成的研究现状引出研究该大型面阵实时数字波束形成工程实现的重要性。.第二章为工程实施的基础首先介绍了面阵数字波束形成和测角差波束形成的理论基础并对各个过程进行了详细的公式推导然后介绍了基于粒子群算法的大型阵列天线的低副瓣赋形波束的优化设计方法。.第三章为本文重点。首先给出了系统的参数及要求在介绍该信号处理板的基础上对DSP和FPGA进行任务分配然后对发射校正、接收校正、多波束形成这几个过程进行了详细的讨论给出了各个部分的时序图、软件设计方法以及时序仿真结果。.第四章给出了DBF板的测试结果。为了方便实验室调试设计了阵列信号源对信号的干扰、噪声的产生方法进行了介绍。文中涉及到的保密信息均以XXX代替。第二章数字波束形成技术理论分析第二章数字波束形成技术理论分析.面阵模型与方向图如果要在方位角和俯仰角这两个方向上同时实现天线波束的扫描可以采用平面阵列天线。年代初期发展起来的平面相控阵雷达主要供对外空目标的监视用。由于相控阵技术的发展及其生产成本的降低二维相扫的平面相控阵雷达目前正日益广泛的被用于战术雷达。DBF技术用于平面相控阵雷达将显著改善雷达多方面的性能。Y图.天线阵分布图.所示为一个按照矩阵格阵排列天线单元的平面阵列及其坐标关系。整个平面在yz平面。假设阵元规模为(行)(列)。某个天线单元最的位置坐标为(xk,Yk,动xk=目标jfT的位置坐标为(xr,yr,zD。天线单元最的直角坐标(Xk,Yk,劢和极坐标(破最鳓对应关系为k=哝cos。=Idk=x:yz:{Y^=dIcos}{cosl=Y/噍sink=缸/d々()k=d女sinlIl以=目标丁的直角坐标(xr,yr,z力和极坐标Or,鳓对应关系为f矗=灭.cosqr.cos目rlR=x露z{Yr=Rcos伊rsin岛j{cos缈r=Yr/Rsinqr=/R()k础‘sinqrIsm=蜥/厢某雷达数字波束形成系统的设计与实现天线单元Ek与目标T的距离为l鸭l(而一吒)(蜥一n)(勿一z。)Rdk(sin岛cos够rcos级sin够rsin呼ok)()目标T与天线单元最相对于阵列中心(坐标原点O)的波程差为R=RIP毛ldk{sinOrcos#)reos#)ksin够rsin铱)=Yksin岛Cs卿ZksinqAr.()由此可见第k行、第Z列天线阵元相对于坐标原点O的波程差及其产生的相位差分别为AR々J=ytsin岛cosrzsin伊r()丸=等嘞=等in岛c嘶%sinr)()其中九为波长(如鳓分别为目标的方位和仰角。这里先不考虑阵元和接收通道的幅相误差(不一致性)在理想情况下第k行、第列天线阵元接收的目标回波信号可以表示为sk:(t)=exp(j#i)s()=eXp(等(删n岛c。s伤刁siIl伤)))(.)其中s(t)为坐标原点处的目标回波信号的时域表示为了简化表达式在下面的波束形成表达式中将不写出s(f)项。由式(.)知当波束指向为(岛缈)时行天线合成的加权因子为%(=exp(一zsinOcos矽、/k=~()而对波束指向为(谚)时列天线合成的加权因子为醐咖ex卜等驴m缈I=亿天线阵接收DBF后的输出信号为E(O)=彤(秒矽)吸(目痧)%。以)=荟%Me冲(/等M(sn啡cos磊一sncos)善%:exp(j孚娟访办痂矽))(。)其中呒和彬恐分别为行、列的窗函数加权值。第=章数宇波束形成技术理论分析图.给出了某面阵单波束形成的方向图。图.给出了天线阵在垂直和水平维的方向图。口盖l脚脚凰.波束形成方向图:I::iI::j忿::i::|I:j:僻:释八r}瑶鲰嘲融||f.rr卅Ⅲ图.方位和俯仰维切面.单脉冲测角差波束形成为了进行单脉冲测角在接收DBF过程中还要形成方位差波束和仰角差波柬。由式()知假设波束指向(方位仰角)为(B)则方位差波束是先按式()对每一列天线合成第t列天线的输出信号为疋j一p)=%(以种^』O)’kffil~()再按下式加权%(咖)=却等。s唧以)cos一一dJ等。如p一岛)cos({iⅢ某雷达数字波束形成系统的设计与实现得到的方位差波束为号为。(p)=Ewoj(秒)乒(p)()j蕾l同理仰角差波束是先按式(.)对每一行天线合成第行天线的输出信迎(秒)=呒(p矽)(f)=~()k=l再按F式加权既c见纠=eXp(歹等zs似缈以)一eXp(等zs缸矽一矗))卢t~Q得到的仰角差波束为。(p)=呒』()疋』(p矽)()式中西和吒分别为方位和仰角波束宽度的一半。然后再由式(lO)、()、(.)分别提取方位和仰角的误差信号瓦=掣^=掣再根据目标所在波束位置从而得到目标的方位和仰角信息。由此得到的方位维和、差信号和角误差信号如图.所示。方位角度第二章数字波束形成技术理论分析方位身度图.方位和、差波束与角误差曲线.基于粒子群算法的赋形波束设计粒子群进化算法(ParticleSwarmOptimizer,PSo)是基于一群粒子的智能运动而产生的随机进化计算方法。PSO算法最早是fljkenndeyNEberhart掣于年提出的。受到人工生命的研究结果启发PSO的基本概念源于对蜂群采蜜行为的研究。PSO初始化为一群随机粒子(随机解)在搜索空间中以一定的速度飞行然后通过迭代找到最优解。在每一次迭代中粒子通过跟踪两个极值来更新自己第一个就是粒子本身所找到的最优解另一个极值是整个种群目前找到的最优解。设第i个粒子表示为m=(xilz挖...xid)它经历过的最好位置(有最好的适应值)用Pi=(pilpi...p叻表示。而群体所有粒子经历过的最好位置用职表示。粒子f的速度用Vi=(vilvi...vid)表示。对每一代个体其第d维(Sd)的速度和位置根据如下方程变化I巧J%=wxvidcaxRandOx(p,dXid)CXRandOx(Ps一砀)()x证=x谴专v谴m)其中:w为惯性权重o和c为加速常数,RandO为在Ol】范围内变化的随机函数。此外粒子的速度馓一个最大速度%所限制。如果当前对粒子的加速导致它在某维的速度矗超过该维的最大速度"max则该维的速度被限制为该最大速度gmax。标准PSO的算法流程如下Ll副:第一步:初始化一群粒子包括起始位置和速度第二步:计算每个粒子的适应度值第三步:对每个粒子将其适应值度与其经历过的最好位置加甜r作比较如果某雷达数字波束形成系统的设计与实现好于后者则将此时的适应度值作为当前的最好位置pbest第四步:对每个粒子将其适应度值与全局所经历的最好位置Psf作比较如果好则重新设置.gbest的大小第五步:先根据方程(.)重新计算粒子的速度然后根据方程(.)计算粒子位置第六步:如果满足结束条件(通常为足够好的适应度值或达到一个预设最大代数)程序终止否则跳转到第二步。标准PSO算法的参数包括:群体规模粒子的维数惯性权重W加速常数CJ和C最大速度"Vmax最大代数G懈。本文所用程序中PSO算法的参数设置如下:种群的规模一般是由待优化的参数的个数来决定的惯性权重w可以是定值也可是随叠代的次数而呈线性变化的本文使用的是后者。其变化的范围是从.No.加速常数。和。均等于.O最大速度't,'max为.这些参数的设置都是由一些文献【】经验得出而程序的终止条件是程序运行达到了设置的最大代数。种群中个体的维数就是所要优化的参数的个数它由所要解决的实际问题来决定的在天线阵综合中它一般由天线阵阵元的激励相位和单元间距这些参数构成。适应度函数的设计是算法的关键它必须根据所要优化的问题具体设计它的好坏直接决定了优化效果。在天线阵列综合中适应度函数一般表示天线实际所产生的方向图与目标方向图的差异大小。先计算出每个粒子的方向图与规定的理想方向图的误差再对这个误差作变换得到适应度。误差越大适应度越低误差越小适应度越高。在计算误差时采用最大误差的形式即计算实际天线阵方向图与规定方向图在各个取样点的误差然后找出误差的平方和优化的目的就是使误差的平方和减小到最小这样实际的方向图就最接近规定方向图。一般都根据具体目标的方向图的形状而分段给出【】。本文中采用的适应度函数的形式是:fitness=olxsum(slll一sil)axsum(sll一sil)口xsum(sll一s肋)()其中sf是sZZ的目标值它们是根据具体目标方向图的形状而分段给出的而口J口a为权值系数作用是调整每一部分参数变化对于目标函数的贡献。它可以避免某个参数变化范围过大而淹没其他参数对于目标函数的贡献它们的大小一般都要根据实际的情况在程序中手动调节。假设某赋形波束要求参数为:阵元数:均匀线阵阵元间距为:.m覆盖范围:.度最大指向:度:副瓣电平:.至.度:dB度:一dB。图.和图.给出了其中两个频点的拟合结果图。表.和表.给出了各个阵元的相位加权值(度)。理想方向图采用的是余割方向图。第二章数字波束形成技术理论分析口ki:..!!i谨、I:l:l:\、^A\VV|VVu八八^、、.‘.矿、VVVVl相对阵列法向方向角度/度图.赋形波束(频点)表.各阵元相位值(频点)阵元相位(度)阵元相位(度)..................ll..某雷达数字波束形成系统的设计与实现山可相对阵列法向方向角度/厦图.赋形波束(频点)表.各阵元相位值(频点)阵元相位(度)阵元相位(度)..............l........第三章DBF板工程实现第三章DBF板工程实现.系统方案该相控阵系统有个通道经过收发组件和A/D后进行全数字化处理。DBF的主要任务就是对这路通道的信号进行发射控制发射、接收通道校正以及接收数字多波束形成。..任务要求.发射波束的数字控制按照通信协议在机扫情况下对发射波束进行数字控制实现在仰角维的电扫(笔形波束或赋形波束)在两维电扫或者在机扫时对目标确认的情况下对发射波束进行数字控制实现方位和仰角两维的电扫(笔形波束或赋形波束)。因此从发射波束控制的角度波束分两种类型:一是笔形波束二是赋形波束对一定仰角区域的覆盖。.收发校正通道校正分为接收校正和发射校正。进行主雷达接收通道内场校正时需要对个频点的路通道接收信号进行校正解算出的幅相值修正DBF移相数据表。进行主雷达发射通道内场校正时需要对个频点的路通道发射信号进行校正解算出的相位值修正波束指向移相数据表。.接收多波束形成由于通道数较多为了减少运算量先按照行和列分别进行数字波束形成为了进行单脉冲测角接收数字波束形成过程中同时形成方位差波束和仰角差波o柬。波束形成时根据不同的工作模式形成的波束个数和方式也是不同的最多个波束同时形成覆盖.度范围。在高空时要求水平波束旁瓣低于.dB垂直波束旁瓣低于.dB。整个阵元规模为(行)(列)外部数据输入的数据率为MHz通过根光纤高速通道(速率为.Gbit/s)分别进入两块FPGA所以要求在至少us的时间内完成个通道的多波束合成。某雷达数字波束形成系统的设计与实现..DBF板结构介绍该DBF信号处理板结构如图.所示。信号经过II根光纤高速通道同时进入到两片FPGA中每根光纤传输个通道的数据(O)。两片FPGA(下称DID)之间通过对LVl)S(LowVoltageDifferentialSignal)进行连接进行两片FPGA之间的数据交互。每一片FPGA都与片SRAM相连。另外扳上还有一片TS通过链路口和总线与两片FPOA进行通信。圈.I信号处理板结构DBF板与上一级需要和定时扳、信号源板通信。从定时板接收波控信息和各种时序定时信息。从信号源板接l鼬个通道的数据(IO)。DBF扳与下一级需要和超分辨板、SLC扳进行通信。和下级的通信可以通过两根光纤进行每根光纤的最大传输率为bit/s。进出的信号类型如表.I所示。翱.输m信号接收板信号类型位敦被柬个数渡柬指向方位超分辨板列合成咀后信号(IO)、、(X俯仰超分辨板行合成以后信号(}峋)个方位笔形波吏)。。【主通道方位和、差信号(IO)、、SLC板个辅助天线信号(Q)第三章DBF板工程实现..DSP、FPGA任务分配通过第二章的分析可知多波束形成需要处理的是高速数据流运算数据量大实时性要求高但算法简单运算结构规则适合FPGA来处理:而权值运算部分和校正系数计算部分要处理的数据量小适合DSP来计算。.DSP完成的任务主要包括:>发射校正模式下根据FPGA传送过来的个通道数据(个校正通道个参考通道)计算出组频点的发射校正系数并传给FPGA>接收校正模式下根据FPGA传送过来的个通道数据(个校正通道个参考通道)计算出组频点的接收校正系数并传给FPGA>回扫模式下根据FPGA的中断标志和当前的方位角和俯仰角计算出行和列天线的加权系数并传给FPGA。FPGA完成的任务主要包括:>产生各种时序控制信号>发射校正模式下将信号转换为串行数据传给DSP。等待DSP计算完毕将发射校正系数存储进行发射相位的校正。>接收校正模式下将信号转换为串行数据传给DSP。等待DSP计算完毕将接收校正系数存储进行接收信号的校正。>正常工作模式下进行单波束或者多波束的波束形成>回扫模式下接收DSP传过来的加权系数进行特定方向的波束形成>进行和、差波束的合成。对于DD任务的安排有两种方案:.D只完成行合成D只完成列合成。这样做的好处是前段数据的存储可以按照单一格式存储。.D只完成行的行、列合成和和、差形成D完成剩下行的行、列合成和和、差形成。对于方案l由于DBF板内的LVDS传输只能达到MHz且只有根而信号的进入是通过根光纤分别进入到两个FPGA的如果D进行行合成D只进行列合成那么两个FPGA之间要进行信号的交互。交互的数据量大小为:x(位)要在lus内完成那么要求的LVDS的传输时钟要达到MHz。这是难以达到的。所以方案是不可行的。对于方案D只做行数据的行列合成和和差合成D做另外行数据的行列合成和和差合成。这样在两个FPGA都进行行、列的合成以后也要将两个FPGA的结果相加才是最终的结果。这是需要交互的数据量为x(位)如果在lus内传完这是可行的。某雷达数字波束形成系统的设计与实现所以最终采用方案。以D为例FPGA程序模块的关系如下图(其中总线箭头代表数据流单箭头代表控制流):..校正系数的计算图.FPGA模块接口关系.发射校正关于通道的校正一般有两种方法:一是查表法一是直接计算法如图.所示。由于板上有一片TS因此在本实现方案中采用直接计算法得到通道的幅相校正系数名。再与各路接收信号进行复乘从而实现通道的校正。将各个校正通道与参考通道相比即可得到各个通道的幅相校正系数具体计算公式如式.所示:气:争磬:始些掣磐堑业=Zkd心Q()IIojQoI:线。I在本系统中对于发射校正模式和接收校正模式都采用直接计算的方式计算校正系数。第三章DBF板工程实现参考通道校正通道参考o通道Qo校正五通道幺(a)查表法计算幅相误差lkjQt|njQo..发射校正时序幅相校正系数磊(b)直接计算法图.校正系数计算方法相位校正系数进行主雷达发射通道内场校正时信号处理自动产生一组导前信号在信号处理的波形触发、变频触发以及发射通道控制代码的控制下校正信号源产生一路发射波形信号耦合到参考接收机作幅相参考路发射通道按顺序依次进行功率发射发射功率经校正网络耦合、功分器送到校正接收机校正和参考两路接收机的I/Q数据送信号处理中得到路发射通道在不同频率时的幅度、相位相对值用此解算出的相位值修正波束指向移相数据表。其中每个DAM的个通道功率发射在一个us导前重复周期内完成在信号处理的信号控制下由收发系统的数据复用插件依次选择不同的DAM、每个DAM再依次产生lO个通道的发射波形和收发开关信号完成各个发射通道的功率发射。每个导前的重复周期为us对个DAM的单个频率点校正所用的时间为usx=us个频率点发射通道校正所用的时间总共为usx=us。校正时序ll如下:某雷达数字波束形成系统的设计与实现!形触发Ij媳U疫形触发o波形触发刀nl濒触发弧变频触发刀、、}变频触发iol谢信号叻fU蝴信号囊..力一珞发射信号一矗o“r发射信号竹r”}发射信号I.Iif”各发射信号I.圈f“路发射信号IU譬路发射信粤竹...lifO路发射信号:I媳ifo..发射校正FPGA程序设计图.发射校正时序FPGA在发射校正模式下接收到路信号后根据时序将每个通道的后次快拍数据取出并转为串行发给DSP。每个导前周期发一次一次发个通道的数据共个。每个导前给DSP发送一次中断信号共分成x=第三章DBF板工程实现次发送完个频点的数据。DSP求出各个通道的校正相移并对发射相位进行修正。由于导前是由定时扳发送过来的所以首先要进行同步化处理。处理过程采用D触发器进行锁存两次。具体电路连接如下图:圈.同步化处理FPGA程序设计主要包括取数部分和时钟转换两个部分。取数部分就是产格按照发射时序将所需要的数据取出时钟转换部分就是要将取得的数据转抉为与链路口时钟严格同步的数据。时钟转换部分采用的方法就是读写RAM写入的时钟采用模块内部取数时钟而读时钟采用链路口时钟。两块FPGA的程序设计基本相同.只是取数的通道数有所区别图为其中一块的部分时序仿真结果。d~“i‰一一囤.发射校正时序仿真.接收校正接收校正系数的计算和发射校正系数的计算方法是一样的。如图.所示这里不再重复。..I接收校正时序进行主雷达接收通道内场校正时信号处理自动产生个导前信号在信号某雷达数字波束形成系统的设计与实现处理的波形触发和变频触发控制下校正信号源分别产生个频率点的射频信号信号经功分器、校正网络耦合到路接收机I/Q数字信号的校正数据由光纤进行接收。校正信号源同时耦合l路射频信号到参考接收机其I/Q数字信号送至DSP作幅相参考得到路接收通道在个频率下的幅度、相位相对值用此解算出的幅相值送往DBF模块修正DBF移相数据表。校正时序【】如下:r【【“【触发UU“一u{{触发lll(I【式波形信号网豳。圉豳f圈fl“豳f..接收校正FPGA程序设计图.接收校正时序FPGA在接收校正模式下接收到路信号后根据时序将后次快拍数据取出并转为串行发给DSP。每个导前周期发一个频点的数据一次发个频点的数据。FPGA将个频点的数据转换为串行且与链路口时钟严格同步的数据一次将所有数据(xx或者xSx)发送给DSP。两个FPGA程序设计基本相同只是数据量大小不一样各通过一个链路口将数据传给DSP。DSP求出各个通道的接收校正系数并再将校正系数传给两个FPGA。接收校正模式下输入信号格式为:每根光纤传输个位数据(行实部虚部)时钟为MHz。首先通过并串转换转为串行数据并转换为与链路口时钟严格同步的数据。采用的方法是读写RAM因为根光纤的数据是同时进入的所以开个相同大小的RAM将根光纤的数据同时写入在写完成以后再分时将个RAM中的数据依次读出。读出的同时进行时钟域的转换采用链路口时钟作为读时钟。因为有个频点所以每个RAM的读写都要分为次才能完成。这部分时序如下:第三章DBF扳工程实现二U“o。圈.时序转换DSP接收到校正的数据阻后根据公式进行校正系数的计算在计算完成以后将得到的校正系数发送给FPGA。校正系数先放在一个RAM中然后再分发到个RAM中进行并行运算。这部分时序如下:FⅢi一。ot。圈.RAM读写时序>状态为个RAM的写使能信号每一个写使能分个步骤写完一次写入~个频点的值。》状态为个RAM的写地址信号它由写使能进行控制写使能有效时地址顺序增l无效时地址保持不变直到写完个频点的值。>状态为读状态在所有的个颓点的数据都写完以后将根据工作模式和工某雷达数字波束形成系统的设计与实现作状态同时输出个RAM的值(一行校正系数)并行进行校正的计算。..接收波束低旁瓣设计.接收多波束形成因为在中高空时系统要求接收DBF在水平副瓣电平为.dB垂直副瓣电平为.dB。因此在行列天线合成过程中还要进行加窗处理。但是加窗以后主瓣功率会有所损失因此在低空和中低空不进行加窗处理。加窗会使得主瓣展宽为了找到一种合适的窗函数使得在满足副瓣电平的同时主瓣尽量窄且增益损失最小下面给出了几种加窗后的效果图:占.葙。襄.荡.二二闽}一卜叫丰l童j三.淖.j|lil{...睾..j}i{譬『了’了::l躞姻i~j吨/。革i’芎j.i....Ifj..二..j....I|.髫..量..i...j:B仰角庋图.仰角波束加窗效果图方位角膻图.方位波束加窗效果图n.n一‰.竺柬柬柬柬柬|波波波波波一射收收收收一|i.:一.......一......一一\.......:一.鞲:第三章DBF板工程实现关于各种加副瓣窗的增益损失情况由式.计算结果如表.所示。xlogl(Sum(W)/)和xlogl(Sum(W)/)()表.几种加窗函数比较(单位:dB)窗函数TaylorChebwinKaiserGausswin行加权损失....列加权损失.....由上述对比可以看出Taylor窗函数效果要好一些。采用归一化以后的窗函数进行加权后的发射和接收波束如下图:..FPGA算法优化牛二:::::|::二二暑二:萎嚣.巧卜.i’二=茎丝堡壅i..:印方位角/度图.加窗后的波束由于本系统涉及到的相控阵通道数()比较多运算量比较大。通道校正需要个复数乘法器在进行和、列合成的时候按照一次处理一行或者一列计算在进行个波位的行合成的时候需要x个复数乘法器在进行个波位的列和成的时候需要x个复数乘法器。而一块FPGA只有个x的乘法器资源。为了充分利用现有资源采用了一些优化算法达到面积和速度的折衷处理。.复乘的优化首先要完成x的复乘。例如要计算O)j『)psjf)可以先计算cs、x.Y、c.s然后分别计算y(eS)、e(xy)、x(cs)。那么实部就是c(x一)py(cs)而虚部就是x(Cs).e(xy)。在具体实现的时候因为第一步的计算是加法会有一位的进位所以这样优化的代价就是乘法器的位数增加一位如果数据输入为x那么采用此算法乘法器的位数必须配置为x但是对整个计算的速度和精度没有影响。这样由于整个系统中复乘比较多通过一个复乘可以节省一个乘法器的方法可以节省大量的乘法器。~刈Ⅳ‰‰川川蚪酊黼胤斟二硝谳辩二弼懈~卜:弘:I|!耕m川掉~~一r盯“旷卜卜~~l:U业W琢一一上noi丘ji队某雷达数字波束形成系统的设计与实现由于后级计算要求的数据动态范围的要求在行列合成以后数据需要保存为位格式那么将需要进行x的计算。如果仅仅用x的乘法器来搭建x的运算需要的乘法器数量太多假设我们需要计算的为c(bit)xd(bit)那么我们可以将c拆分为abx埔的形式。即cd:(口bx)xd=axdbxdx。这样一个x的计算只需要个x的乘法器即可以实现。.时分复用时分复用顾名思义就是将各个波束的形成在时间上分开复用一套乘法器来实现。对多波束形成模块进行时分复用通过高频时钟将不同指向的权值周期性输出分别与通道的数据相乘此高频时钟就是全局时钟而通道的数据则用该全局时钟的同步分频时钟触发。这样分时的将多个波束形成出来而不是每个波束都去占用一套乘法电路。当然时分复用的使用相当于是用速度来换面积在节省了乘法器个数的同时乘法器的工作时钟也提高了。.乒乓操作降低数据速率由于此系统的数据输入是通过光纤接口的采用乒乓缓冲区的方式暂存接收的数据可以对数据流进行流水式处理完成数据的无缝缓冲和处理。另外在输入数据进行缓冲的同时还可以对校正系数和波束指向权值同时进行载入这样最后的输出结果只是有一个时钟周期的延时但是数据率是连续的。具体操作过程图.所示其中虚线框中就是FPGA中进行数据输入缓冲和权值载入的过程。数据预处理模块将输入数据转换为行存储或者列存储以方便后续的数据处理过程。图.乒乓缓冲第三章DBF板工程实现.面积与速度互换其实整个DBF的过程就是一个简单的复乘加过程整个系统的难点就是在面积和速度的折衷处理。以本系统中以方位维的波束形成为例按照一次处理一行来计算(共行)。首先通道校正过程一次处理一行的数据(共个)按照上述复乘的优化处理至少需要x=个x的乘法器。接下来对这一行的数据进行波束形成按照时分复用的思想如果一次同时形成个波束需要的乘法器也是x=个x的乘法器。这样算下来需要的乘法器为个资源是够用的也就是说面积是可行的。但是让我们来算一下这时候需要的全局时钟是多少。由时分复用的原理和要求的MHz的数据率我们也可看出需要的系统时钟至少是x=MHz那么假设我们在系统中留出%的冗余需要的时钟就是MHz。在这样高的时钟下进行乘法器和ROM的运算是十分危险的对程序的稳定性要求也很高。而现在我们还有.=个乘法器的剩余能不能用面积来换取速度呢可以采用这种方案:对于最多同时个波束的计算可以时分复用产生个波束然后再采用简单面积复制的方法产生另外的个波束。这样时钟需要的就是x=MHz了而这样的代价就是乘法器需要增加x=个这样剩下的乘法器就为个了。如果仔细分析一下还可以发现在通道校正的时候因为一次复乘需要的是个乘法器那么也可以采用时分复用的思想用个乘法器来完成。这样整个系统的全局时钟就是x=M而乘法器使用为xxx=个(x)。这样就可以在面积和速度之间找到一种相对比较好的解决方案。..DSP程序设计DSP程序主要分为种模式发射校正接收校正和回扫模式。发射校正主要完成发射校正系数的计算接收校正主要完成接收校正系数的计算在回扫模式下主要完成行、列加权系数的计算。DSP接收波控和发送数据都是通过链路口传输的。FPGA通过发送链路口中断信号的方式开启链路口传输。DSP主程序流程如图.所示。某雷达数字波束形成系统的设计与实现是图.DSP主程序流程.校正模式采用直接计算的方法实现:参考通道校正通道幅相校正系数戤图.校正计算实验室调试时假设各个通道上(路)的信号都是相同的只是各个通道的噪声不一样。假设第个通道作为参考通道。其余路信号为校正通道利用上图所示方法对每一个通道进行校正。校正公式如下:气=I厶kj/Q蜴k=墨生互』三望旦予毫{掣zk,IJ‘露()IIojQoI:饯’‘越由于校正模式下校正系数的计算比较简单只需按照式.进行计算所以不给出软件设计流程。氢匡第三章DBF板工程实现.凹扫模式回扫确认目标时需要根据波束指向(只)实时计算出行、列天线的加权因子。公式如下:哪护卜等y,sinOcos#)k=l()吣加d一『等zs讥刁小()吸纠=唧(一歹等坛sm口cos刁=c。s每儿smpcos们一州n弓坛咖cos咖()彤(劬)=eXp卜等zsin缈).cos(等刁siIl咖寸siIl(等刁siIl力()由公式至.可见计算问题就转换为求sin和COS值的问题。一般采用查表法来求出sin和COS的值。为了精度的要求在建立查找表的时候采用.度量化为了节省存储空f.q将sin和COS按照如下图方式进行建表。这样通过存储/个周期的sin信号通过查找表地址的切换可以得到sin和COS的信。图.建表方式查表法计算行、列加权值流程如图.所示由于每一次要发送两个频点的权值所以在计算的时候也是根据收到的频率控制字一次计算两个频点的加权值。某雷达数字波束形成系统的设计与实现..FPGA程序设计图.行、列加权值计算流程.输入接口由于前段数据量很大数据输入采用根高速通道并行进入D和D。光纤接口采用Quartus中自带的光纤模块(如图.)由MegaWizardPluginManager调出。第三章DBF板工程实现图.光纤模块其中:>光纤模块需要设置的参数有:Protocol:NoLoopbackEffecfivedatarate:Mbps(数据速率设置)inprequency:.MHz(数据输入时钟)Wordalignment:syncstatemachineWordalignmentwidth:Wordalignmentpattern:Cbbmode:normal>输入输出参数为:rxdatainO和txdataout是光模块的差分数据线一收一发。Txdatain..O】和rxdataout..】为位数据线。PlbIk、rxcmclk和txcoreclk均为时钟线。Txetrlenable..oYo标志位。标志位和数据是通过不同通道发送经过模块后得到rxetrldetect..】。Rxerrdetect..】为校减错误位。>数据发送过程:位数据Txdatain位校检Txctrlenable通过ALTGXB模块后通过钦dataout差分数据线向外出。Pllclk为位数据Txdatain的时钟Pllclk经ALTGXB模块内部锁相环TXPLL后得到TxclkoutTxclkout为差分数某雷达数字波束形成系统的设计与实现据线txdatacut的时钟。》数据接收过程:外部光纤数据通过差分数据线rxdataia进入ALTGXB模块而后得到位数据Ⅸda跏位校检码删de眦tRxcn墩位位数据rxda枷的时钟rxda伽,t为rxdat,血的时钟i接收时ALTGXB模块同时进行校检工作P,xetrdetect为校检错误rxdispe盯为数据丢失错误。在数据接收过程中需要注意的是数据经过光纤后进入DBF模块前需要进行数据格式的转换。数据格式的转换主要有个任务一是将实部和虚部组合为为数据供后续处理另外一个更为重要的目的就是进行数据的同步处理。经过光纤

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