基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现

彭 博，张 波

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现

彭 博，张 波

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

数字波束形成(DBF)阵列能够充分利用阵列天线所获取的空间信息，通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能，它由天线阵元、射频下变频模块、AD采样、中频接收系统及上位机控制器组成;对中频接收系统进行数字波束形成的具体方案进行讨论，对多路接收和AD量化一致性造成的各通道间失配提出了幅相校正的解决方案，详细分析了研制中的关键技术;实验结果表明所设计的DBF多波束中频接收系统可有效实现通道间失配的校正，并实现精确的波束赋形功能。

数字波束形成；通道失配；幅相校正

0 引言

DBF(Digital Beam Forming)即数字波束形成技术是天线波束形成原理与数字信号处理技术相结合的产物[1]。数字波束形成技术能够充分利用阵列天线所获取的空间信息，通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能[2]。现有的DBF系统大多采用单DSP[3]或者DSP和FPGA协同运算[4]实现，利用仿真的手段进行验证，或是单独讨论验证幅相校正的问题，完整设计并实现DBF多波束系统的方案较少，本文利用FPGA资源丰富、高速并行处理的优势，设计并实现了一种使用单片FPGA实现了4通道20波束的高精度的DBF多波束接收系统的方法，并与天线阵元及射频下变频模块等进行了级联测试，实验结果表明该系统可有效实现精确的波束赋形功能。

1 数字波束形成技术原理

数字波束形成技术原理如图1所示。天线由N个天线阵元组成，对于某一方向(α角度)的入射信号，通过对由于接收天线空间位置不同引起的传播程差导致的相位差进行补偿，进行同向叠加，实现该方向的波束形成，最终完成该方向的最大能量接收。DBF基本处理数学模型如下式：

(1)

式中，N是通道数，Dn为第n通道实信号正交下变频再进行通道幅相校正后的输入复信号，Wkn为加权系数，Bk为第k方向的形成波束，d是天线阵元间隔，λ是信号波长，α是来波方向。

图1 DBF原理示意图

2 DBF多波束中频接收系统总体方案

本系统处理的信号来波方向共有20个波位，成一维线性均匀分布，每个波位间隔5°，分布位置及定义如图2所示，从左至右依次定义为1.2…20号波位，其中10号波位位于天线阵列正前方，波束偏角为0，1号波位波束偏角为-45°，2号波位波束偏角为-40°，以此类推，20号波位波束偏角为50°。阵列天线分布共由4个阵元组成，如图2所示，从左至右分别定义为1、2、3和4号阵元。

图2 波位示意图

DBF多波束中频接收系统设计框图如图3所示，共由中频采集模块(AD)、中频处理模块(FPGA)和上位机控制模块(PC)三部分组成。中频采集模块对四路天线阵元的信号进行采样后，将数据送入中频处理模块，中频处理模块对数据进行相应处理后，根据上位机控制模块选择的模式进行数据的上传。具体的工作流程如下，由四路天线阵元接收的信号分别经过四路A/D转换器转换成数字信号后，送入FPGA模块，在FPGA模块中，将四路数字信号分别送入数字下变频电路，形成8路正交零中频数字信号，该信号也可看作包含输入信号幅度和相位信息的复信号，经过幅相校正之后与指定20组复加权系数在波束形成模块进行加权合成，形成指定20个方向的波束信号，再根据上位机通过网口给中频处理模块发送的工作模式，经由网口进行相应数据的上传，在上位机进行实时显示监测或存储。

图3 DBF多波束接收系统工程实现设计框图

系统有3种工作模式：单波束工作模式、双波束工作模式、多波束工作模式。在单、双波束工作模式下，系统对上位机指定的1或2个波位进行波束形成(按照图2所定义的波位，1到20任选)，将波束形成后的复信号的幅度在上位机进行实时显示监测；在多波束模式下，系统对上位机指定的16个波位进行形成(1到20任选)，将1 s内形成的各波束复信号的原始数据存入DDR3，再通过网口组帧发送，上位机将数据分16个波位存成文件，以供后续分析处理。

3 各模块的设计

3.1 四通道联合正交下变频

(2)

形成β方向波束的各通道的加权复系数为：

(3)

各通道的复信号和加权复系数相乘累加所得的复数即为形成波束，可知，只有当β=α时所得的形成波束的幅度才能达到最大值。

图4 DBF四通道联合正交下变频

3.2 幅相校正

由于本系统对4通道之间的相位一致性和通道平稳性要求较高，因此需要对输入中频的信号进行幅相校正，以修正射频电缆和AD通道造成的通道间的系统误差。福相校正模块原理图如图5所示，在系统刚开始工作时，从微波前端接入自检信号(即保证输入的信号是幅相高度一致的)，此时在经过正交下变频后4路的复信号分别为A1ej0，A2ejβ2，A3ejβ3，A4ejβ4，其中A2,A3,A4,β2,β3,β4就是由于通道间差异造成的幅相误差。

图5 幅相校正示意图

在FPGA中进行复数的除法，采用复数除法公式进行转换，如下式：

(4)

由FPGA实现该幅相校正的算法，主要通过控制位宽实现。假定输入的信号位宽为21 bit，即a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4都是21 bit，经过校正模块后的输出也应为21bit。在校正命令到来之前，输入信号直接输出即可，在校正命令到达之后，第一路直接输出，其他路先进行幅相校正系数的运算，再将输入信号与幅相校正系数相乘得到的结果截位进行输出。主要问题就集中在幅相校正系数的运算和校正之后的截位运算。

首先讨论幅相校正系数的运算，由上式可以看出分子为21 bit*21 bit得42 bit，加减法不扩展位宽，分母也是21 bit*21 bit得42 bit。在使用除法IP核时，将分子分母同时截取高32 bit作为除法器的输入，这时候除法器输出1bit符号位、32 bit整数部分和31 bit小数部分。将它们如表1进行拼接，即所得幅相校正系数为64 bit。

表1 幅相校正系数

然后进行幅相校正的乘法运算，输入复信号乘以幅相校正系数，运算结果数据结构如表2所示(85 bit)。

表2 幅相校正乘法运算结果

4 DBF系统的实现

本文以Xilinx公司XC6VLX240T为主芯片的自制板卡上实现了4通道20波束的多波束接收系统，并进行了相关实验。实验环境为微波暗室，实验结构如图2所示，在10号波位(正前方30m处)放置信号源，将接收天线阵元放在转台上，接收信号模拟下变频后送入DBF多波束中频接收系统处理，对转台进行-65°～65°的旋转，接收处理结果如图6和图7所示，分别对应经过解算后10号波位和9号波位的方向图。

图6 10号波位方向图

图7 9号波位方向图

在图6中，使用10号波位的形成波束观测所测信号峰值在转台为0度角方向，对照图2所定义的波束方向，10号波位定义为0°方向形成波束，实验结果正确。

在图7中，使用9号波位的形成波束观测所测信号峰值在5度角方向，对照图2所定义的波束方向，9号波位定义在-5°方向形成波束，当转台向右旋转5°时，正好使得9号波位对准信号源，形成波束幅度最大，实验结果正确。

综上实验结果表明，本文所设计的基于FPGA的DBF多波束中频接收系统可有效实现通道间失配的校正，从而完成精确的波束赋形功能。

5 结论

本文采用单FPGA实现了DBF多波束接收系统，独特的四通道联合正交下变频模块严格的保证了通道间的相位一致性，利用严格的幅相校正算法并灵活使用FPGA的除法功能，使得系统不再采用DSP完成相关计算，FPGA可独立完成DBF多波束接收系统的全部功能，同时利用网口与上位机相连，可灵活的由上位机提供加权权值，为可重构的DBF多波束接收系统的研制踏出了关键的一步，测试结果表明，该系统可有效实现通道间失配的校正，从而完成精确的波束赋形功能。

[1] 程 伟, 左继章, 许悦雷. 数字波束形成器的FPGA实现[J]. 现代雷达, 2003, 25(5): 34-36.

[2] 胡可欣, 胡爱明. 数字波束形成技术(DBF)在雷达中的应用[J]. 现代防御技术, 2006, 34(6): 103-106

[3] 盛卫星, 崔君军, 管 蓓. 基于ADSPTS201S的DBF处理器的设计与实现[J]. 现代雷达, 2005, 27(8): 55-58.

[4] 谢礼莹, 曾 浩. DSP+FPGA的DBF基带系统设计[J]. 重庆大学学报(自然科学版)2007, 30(10): 65-68.

Design and Implementation of DBF Multi Beam IF Receiving System Based on FPGA

Peng Bo，Zhang Bo

(College of Electronical and Information Engineering, Bei Hang University, Beijing 100191，China)

A DBF array can make full use of the spatial information obtained by the array antenna, and the super resolution and low sidelobe performance of the beam can be obtained by using the signal processing technique. It consists of antenna elements, RF down-converter, AD sampling, IF receiving system and PC controller. focusing on the specific scheme of digital beam forming for IF receiving system, a solution of amplitude and phase correction is proposed for each channel mismatch caused by multi channel reception and AD quantization consistency. In this paper, the key technologies during the development is analyzed. The experimental results show that the design of the DBF multi beam IF receiving system can effectively realize the correction of the channel mismatch, and realize the accurate beam forming function.

digital beam forming(DBF); channel mismatch; amplitude and phase correction

2015-12-31；

2016-02-24。

彭 博(1993-)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事卫星导航、雷达信号处理方向的研究。

1671-4598(2016)07-0227-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.061

TN96 文献标识码：A