相控阵短波发信系统相位校正方案设计*

2015-03-25屈晓旭

通信技术 2015年10期

关键词：发信短波相控阵

邓冉，高俊，屈晓旭

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033)

相控阵短波发信系统相位校正方案设计*

邓冉，高俊，屈晓旭

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033)

相控阵短波发信系统通过波束合成手段能够实现通信的实时性和按需可控，并且提高通信的稳定性和抗毁性，满足各种条件下的通信要求。提出了相控阵短波发信系统相位校正方案，并且将整个校正过程分为相位控制和交换两个模块。通过对相位控制模块中AD采样、下变频和相位计算的具体设计以及交换模块中DSP和FPGA的具体设计实现了系统的相位校正。最后对仿真数据和实测数据进行比较，验证了本相位校正方案的可行性。

相控阵；短波通信；波束合成；相位控制

0 引言

控制阵列天线各阵元的相位，形成空间波束并控制其扫描的技术就是相控阵技术。相控阵技术最早在20世纪50年代应用于雷达领域[1]。相控阵技术的使用大大提高了雷达的扫描速率，并且使其操作控制更加灵活。相控阵短波发信系统采用相控阵技术的原理，其目标为通过波束合成的手段，提高短波发信系统的综合通信效能以及通信的实时性，实现通信方向能够根据通信对象要求随时可控的效果，使天线的布置灵活机动，按需可控，提高发信系统的生存能力、抗毁能力，从而满足短波通信台站全方位、远距离、能够适应各种通信业务的通信保障的要求。在实际应用中，相控阵技术在短波通信系统中的应用和雷达系统中的应用还是存在不小的区别。短波信号较雷达信号频率较低，波长较长，通信天线尺寸较大等各方面因素都会给相控阵短波发信系统的实现带来不小的困难。近年来随着技术的发展，相控阵技术由于其突出的优势在短波通信中的运用越来越广泛。本文针对相控阵技术的关键点相位校正设计了具体的方案，并且通过实际测量来验证本系统的可靠性。

1 波束合成技术简介

所谓波束合成技术是指在空域内对以某种几何形状排列的多元基阵各阵元输出的波束进行线性叠加，形成空间指向性的方法[2]。通过改变天线阵当中的每个单元天线激励信号的相位，可以实现辐射方向在空域内的扫描。

图1 波束合成原理

波束合成技术的关键就在于必须准确并且有效地控制各路信号的相位。各路信号的相位差异可以划分为两类：1.内部相位：各子系统中器件的时延存在差异，导致各路信号在内部的相位产生差异，并且由于各模块板制作的差异会导致各路信号在内部传输线的长度不一致从而导致相位的差异；2.外部相位：各个发射天线到通信目标的距离差所产生的相位差。

2 系统方案设计

发信系统快速相位校正主要分为三步：1、对射频输出信号的相位差进行测量；2、快速计算出各路激励器所需补偿的相位值；3、将所需补偿相位值的信息从相位检测单元快速传输到各路激励器[3]。

图2 系统框图

本系统设计使用四路天线发信。此模块工作原理为通过相位检测器对功放单元接回来的射频信号进行相位检测，将内部差异引起的各路射频信号之间的射频相位差送到激励器射频信号处理及控制单元，波束控制器通过已知的通信对象计算出各发射阵元到接收点的程差引起的相位差，以及相位检测器得到的射频相位差，计算出各路射频信号实际需要移相的值。激励器射频信号处理单元根据波束控制器传输过来的移相数据实施数字移相处理，从而达到空间功率合成的目的。

在通信对象确定之后，需要根据发射频率，通信距离，天线布阵等因素，迅速计算各路激励器所需的特定相位，并且及时传输给各路射频单元进行相位调整。为了提高相位校正的速度，提前根据发射频率，通信距离，天线布阵等因素在实验室提前进行仿真并计算出各路通道需要的相位，然后制成一个波束控制表，并把波束控制表存入相控系统中，在后面的操作中只需要通过查询波表就能得到所需相位，这样就减少了计算各路所需相位的时间。

对于波束控制单元，要考虑到天线安装以后的工程误差等因素可能导致实际天线阵与理想场地天线阵的辐射特性存在差异，因此还需对天线阵列各阵元的馈电相位进行监测，对多通道射频信号的相位的不一致性进行修正。

一般常用的波表生成方法是提前产生，一次性灌入系统中不做改动。但是在通信中由于系统工作环境以及温度的变化会引起系统中器件频响的改变，当系统工作一定时间后各路信号在板内的相位差发生改变，如果不对其进行校正就会影响波束合成的效果，严重影响通信的质量。因此，为了提高相位校正的精确性，在本系统中加入自动更新波表的功能。即每次发信前测量当前设置下内部的相位差异，然后把这个相差跟波表中已有的相位值相加减计算出新的对应相位值并把得到的值存入波表中。

3 相位控制模块

从激励器输出端接回来的射频信号信号在相位控制模块要经历3个过程：

(1)经过AD采样，由模拟信号变为数字信号；

(2)经过下变频，把射频信号变为方便操作的基带信号；

(3)对下变频后的信号进行相位的计算，计算出各路需要补偿的之后再经由交换模块发送到各个射频处理单元。

图3 相位控制模块

3.1 AD采样

从发信末端接收回来的信号是模拟信号，为了后面处理方便，首先要对信号进行AD采样，使之变成数字信号。由于本系统设计的是四路发信天线，因此要对四路信号同时进行采样，所以本系统选择AD9637作为AD采样芯片。

AD9637是八通道的模数转换器(ADC)[4]，它拥有小尺寸、低功耗和低成本的特性。系统中AD9637将4路模拟信号采样后得到的是串行的差分信号，然后再对差分信号进行串并转换变为4路并行信号，采样完成后再把信号输出。

3.2 下变频

下变频的目的就是把AD采样后的射频数字信号的中心频率搬移到零频[5]。为了进行频率搬移，必须要产生与射频信号频率一样的信号，然后使两者混频从而达到频率搬移的目的。

下变频的核心部分是数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)。NCO模块能够按照需要产生相应的稳定正弦和余弦信号[6]。NCO包含了相位累加器和一个存储了正弦值(余弦值)的查找表。每当来一个时钟信号，就将长度为N位的频率控制字送入长度为M位的累加器中去完成一次累加，然后将累加所得到的结果送入相位寄存器中，并同时把结果反馈给累加器，用于下一时钟与频率控制字累加；在时钟的驱动下，相位寄存器输出的值与相位控制字的值送到加法器内相加，将相加的结果送入查找表，经过相位/幅度转换电路，最终产生输出的正弦波形。本系统采用Quartus中NCO的IP核来实现这个功能。

图5 NCO结构图

3.3 相位计算

输入AD的每路射频信号都有一个自己的相位值θi(i=1,2,3,4)，下变频时NCO也有一个自己的随机初始相位值θ0，经过下变频后得到的基带信号的相位值为θ0-θi，下变频完成后将得到的I路和Q路两个信号数据送入DSP中，通过对基带信号的实部与虚部求反正切，就能算出θ0-θi的大小。然后发送命令查询存储在FLASH中的波表，得到在当前通信角度和频率下各路的相位差值，将测量得到的实际各路差值θ0-θi与波表中的值进行相加减，计算出各路还需要补偿的角度值。最后把得到的补偿角度值通过交换单元发送到对应各路的激励器中去。

4 交换模块

交换模块硬件框图如下所示[7]：

图6 交换模块硬件框图

交换模块采用Tundra公司的Tsi578交换芯片完成交换功能[8]。其中DSP芯片主要完成对交换芯片的初始化、配置和复位工作，同时还要对其他模块发送过来的信号进行解析并做出具体操作。FPGA芯片的主要功能是实现RapidIO协议，并结合DMA和RAM等资源实现RapidIO接口，让DSP芯片能够完成对交换芯片的配置和维护。本系中将Tsi578设置为16组1x模式，并设定其串行速率为1.25Gbps。

图7 RapidIO接口

FPGA中软件设计核心是利用Quartus已有的IP核实现RapidIO协议，利用SOPC(可编程片上系统)编程实现RapidIO接口[9]。具体步骤是在SOPC编程界面下找到RapidIO组件，对RapidIO的IP核里面的各个层次的参数进行设置以实现RapidIO协议。但是这里的IP核并不能提供对SOPC系统外部的Avalon-MM接口，为了能够实现DSP与RapidIO IP核的数据、门铃及维护的交互，以及对其他组件的直接操作，需要建立一个连接器来实现RapidIO IP核等组件对SOPC系统外部的Avalon-MM接口。此外，DSP与FPGA之间通信是EMIF总线接口，而经过连接器中转之后的SOPC系统仍然只能对外提供Avalon-MM接口。为了能够实现DSP与SOPC的通信，在FPGA中必须进行EMIF和Avalon-MM总线间的转换，从而让DSP能够与SOPC通信。这样利用现成的IP核的方法能够减少软件编程的复杂程度，同时又能够增加整个系统的稳定性。

DSP的软件设计主要实现完成命令数据的接收，门铃的解析和发送，对本地和远程的RapidIO系统维护等功能[10]。DSP功能对应的内部存储空间如下图：

表1 DSP内部地址分配

5 仿真结果与实测结果对比

本文设计的方案应用到实际中。在距离天线阵地一千多米的位置进行场强测量，场强测量方法是通过天线接收信号，记录频谱仪上的信号电平指数。图中同时给出了实际测量结果和理论仿真结果，其中实线为测试结果，虚线为仿真结果

图8所示为频率为12M，指向为90°时的对比图。

图8 接收信号测量与仿真对比图

图9所示为27M频率下，指向为90°时的对比图。

图9 接收信号测量与仿真对比图

通过上面的对比图可以看出，天线阵方向图实测结果与理论仿真结果基本一致，可以认为本系统设计的相控阵短波发信系统相位校正方案满足设计要求，能够实现波束的控制。

6 结语

近年来相控阵短波发信系统以其突出的优点，受到了越来越多人的关注。在广泛吸收了前人这方面的研究成果后，本文设计了具体相位校正方案，并且通过实际的测量结果验证了其波束指向控制的能力。在后续的研究中可以尝试将阵元数增加，从而进一步提高通信的效率，也可以针对提高系统的运算处理速度以提高系统的实时性。总的来说短波通信中相控阵技术的研究起步比较晚，后面还有许多有待人们进一步研究和提高的地方。

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Phase Correction Scheme of Phased Array Shortwave Transmitting System

DENG Ran，GAO Jun, QU Xiao-xu

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

By beam-forming means, phased array shortwave transmitting system could realize real-time communication and on-demand control, improve communication stability and survivability, and meet the communication requirement in various conditions. The phase correction scheme of phased array shortwave transmitting system is proposed, and the whole correction process is divided into two modules, i.e., phase control and phase exchange. Through the design of AD sampling, down-conversion and phase calculation in phase control module, and the specific design of FPGA and DSP in exchange module, the phase correction of system could be realized. Finally,the comparison of simulation data and testing data indicates the feasibility of this phase correction scheme.

phased array; shortwave communication; beam-forming; phase control

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.007

2015-06-07；

2015-08-20 Received date:2015-06-07；Revised date：2015-08-20

TN91

1002-0802(2015)10-1129-05