一种分布式数字多波束形成方法

周志伟，王志国

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

波束形成[1][2]是信号处理中的一个重要的组成部分，在通信、雷达[3][4]、导航等领域中得到广泛应用。波束形成是对阵列天线接收信号进行幅度加权和相位加权，使波束主瓣指向期望信号方向，实现在空域上的滤波。一般相控阵[5][6]系统中，模拟接收信号经过前端低噪放、下变频、滤波等处理后，通过AD采样变为数字信号，然后在数字域对信号进行幅相误差校正和波束形成加权处理，实现波束形成。由于相控阵天线数量较多，若要实现对每个天线接收的信号都进行AD采样和波束形成加权处理，需要设备量很大。若进行子阵级[7][8]波束形成加权处理，波束形成精度差。本文方法通过可编程逻辑器件[9][10]计算单个天线的波束形成幅度权值和相位权值，并通过移相器在模拟端调整天线接收的模拟信号，实现波束形成的加权处理。仿真结果证明了该方法在实际工程中的可行性。

1 分布式数字波束形成系统结构

如图1所示，分布式波束形成系统结构由波控计算机、波控主控板、串口分路器、可编程逻辑器件电路板、移相器、信道及天线组成。

图1 分布式波束形成系统结构图

波控计算机通过异步串口向可编程逻辑器件电路板发送幅相零值更新、信号左右旋极化选择、状态查询指令，并接收可编程逻辑器件电路板回馈的信息。

波控主控板通过同步串口实时的将波束指向的俯仰角和方位角信息发送给可编程逻辑器件电路板。

移相器对信号的幅度和相位进行控制，从而实现对信号的幅度加权和相位加权。

可编程逻辑器件电路板结构如图2所示。E2PROM存储芯片用来存储天线的编号以及幅度零值和相位零值。EPCS配置芯片用来存储FPGA程序。可编程逻辑器件FPGA通过同步串口和异步串口分别接收波束指向的角度信息和波控计算机发送的指令，计算对应的幅相权值以及对波控计算机发送的指令进行回应。

图2 可编程逻辑器件电路板结构框图

2 分布式数字波束形成流程

分布式数字波束形成流程如下：

（1）监控计算机通过异步串口将指令发送给可编程逻辑器件电路板上的FPGA，FPGA对指令进行解析，得到解析结果并执行指令。监控计算机下发的指令包括幅相零值更新、信号左右旋极化选择和状态查询指令。FPGA接收幅相零值更新命令后将接收的幅相零值存储到E2PROM存储芯片中。

（2）波控主控板通过同步串口将波束指向的俯仰角和方位角发送给可编程逻辑器件电路板上的FPGA，FPGA根据天线的编号采用查表的方式得到天线坐标位置。根据波束指向的俯仰角和方位角、天线坐标位置及波束形成的相位零值按照公式（1）计算得到该天线的波束形成移相值。

式中， 为波束形成的移相值；λ为接收信号波长；φ为波束指向的俯仰角；θ为波束指向的方位角；x为天线坐标位置的横坐标；y为天线坐标位置的纵坐标； 为波束形成的相位零值。

（3）将波束形成的幅度零值作为该天线的波束形成幅度权值，根据波束形成幅度权值和波束形成相位移相值，使用移相器调整天线接收信号的幅度和相位，实现波束形成加权处理。

3 仿真结果分析

在FPGA中计算波束形成权值时，要对天线阵元位置以及波束指向角度信息等参数进行量化，而且需要对乘加运算后的结果进行截位，无法避免的会产生误差。最后受移相器移相精度的限制，相位权值误差进一步增大。因此需要对通过移相器进行移相的波束形成方向图进行仿真，并与理论波束形成方向图进行比较，验证相位权值误差对方向图的影响大小。

仿真条件：如图3所示，阵元数目为18×18的平面阵，相邻阵元间距d=λ/2，λ为入射信号的波长，信号入射方向为（θ0，φ0）=（45°，30°）。移相器移相精度为5.625°，即每次移相只能变化5.625°的倍数。

图3 均匀平面阵列

图4 波束指向（45°，30°）时移相器移相值误差

图5 移相器移相的方向图与理论方向图

按照公式（1）计算出波束形成的理论移相值和实际移相器的移相值，两者之间的移相值误差如图4所示。可以看出，两者的移相值误差主要是由移相器的移相精度决定的。最大移相值误差为移相器精度的一半。而FPGA中进行的量化和截位等操作对移相值的误差基本上没有影响。

通过移相器进行移相的波束形成方向图以及理论波束形成方向图如图5所示。图（a）为俯仰方向的方向图，图（b）为方位方向的方向图。实线为通过移相器进行实际移相的方向图，虚线为理论波束形成的方向图。

由仿真结果可以看出，波束形成中移相器实际所移相位值与理论的移相值之间的误差主要由移相器的移相精度决定。通过移相器进行实际移相的方向图与理论波束形成的方向图相比，主波束以及最高旁瓣基本上重合的，不会降低主副瓣比。因此该波束形成方法可以在实际工程中实现波束形成。

4 结束语

本文以实际工程中的波束形成方法为研究目标，给出一种分布式波束形成方法。详细介绍了该方法的实现过程，并通过软件仿真验证该方法的有效性。该方法兼顾设备量和波束形成精度，有很强的实用性，对实际相控阵测控[11][12]工程中实现波束形成具有指导意义。

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