一種高速實(shí)時(shí)數(shù)字波束形成器的設(shè)計(jì)

0 引 言
    雷達(dá)作為一種特殊的無(wú)線電裝備，也必然遵循從模擬到數(shù)字再到軟件化這樣的發(fā)展道路。數(shù)字波束形成技術(shù)被視為新一代雷達(dá)所必須采用的技術(shù)，它保留了天線陣列單元信號(hào)的全部信息，并可采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行處理，可以獲得優(yōu)良的波束性能，方便地得到超分辨和低副瓣的性能，實(shí)現(xiàn)波束掃描、自校準(zhǔn)和自適應(yīng)波束形成等。正是由于以上特點(diǎn)，DBF技術(shù)的成功應(yīng)用必將對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。
    在數(shù)字波束形成技術(shù)的工程化過(guò)程中，也遇到了一些問(wèn)題。主要包括：數(shù)據(jù)傳輸量太大，尤其當(dāng)陣元數(shù)較多時(shí)，這樣就限制了通道的增加；來(lái)波方向估計(jì)和權(quán)值更新計(jì)算量太大，使得權(quán)值更新速度比較慢，無(wú)法在一些高速運(yùn)動(dòng)的載體上使用；當(dāng)陣列數(shù)較多時(shí)，高速實(shí)時(shí)波束形成器的復(fù)乘運(yùn)算耗費(fèi)較多的資源，尤其是需要形成多個(gè)波束的情況下。原來(lái)的DBF系統(tǒng)就遇到數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問(wèn)題，采樣數(shù)據(jù)只能通過(guò)PCI總線進(jìn)行傳輸，無(wú)法保證所有通道的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)傳輸，因而只能做需求數(shù)據(jù)較少的測(cè)向工作，并不能做實(shí)時(shí)波束形成。為了克服這些困難，這里將測(cè)向數(shù)據(jù)和波束形成數(shù)據(jù)分開(kāi)進(jìn)行傳輸，采用LVDS技術(shù)解決多通道高速數(shù)據(jù)傳輸，選擇內(nèi)置高性能DSP內(nèi)核的高密度FPGA并行實(shí)現(xiàn)波束形成中的大量復(fù)乘運(yùn)算。

1 DBF系統(tǒng)組成
    DBF系統(tǒng)包括陣列接收天線、多通道接收機(jī)、多通道數(shù)據(jù)采集板、FPGA波束形成板、DSP權(quán)值計(jì)算板、外部時(shí)鐘觸發(fā)模塊、工控機(jī)等單元，如圖1所示。接收機(jī)一般采用超外差方式，實(shí)現(xiàn)陣列接收信號(hào)的下變頻、濾波，并將信號(hào)放大至A／D變換所需的水平。DBF系統(tǒng)最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)來(lái)波方向估計(jì)(測(cè)向)和波束形成，DSP權(quán)值計(jì)算板承擔(dān)來(lái)波方向估計(jì)和權(quán)值計(jì)算任務(wù)，權(quán)值計(jì)算要根據(jù)測(cè)向結(jié)果和波束掃描，以及對(duì)抗干擾的要求綜合考慮得到，F(xiàn)PGA波束形成板承擔(dān)全陣波束形成任務(wù)。波束形成器根據(jù)權(quán)值計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)數(shù)字化的陣列單元接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)運(yùn)算，形成所需的接收數(shù)字波束。
    該系統(tǒng)中，由4塊四通道采集板ICS554實(shí)現(xiàn)16陣元中頻信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字下變頻。為了實(shí)現(xiàn)所有通道的同步，采集板均工作在外部信號(hào)觸發(fā)模式，外部采樣時(shí)鐘完全同步；來(lái)波方向估計(jì)和權(quán)值更新計(jì)算由DSP權(quán)值計(jì)算板完成，運(yùn)算需要的每個(gè)通道數(shù)據(jù)量通常并不大，ICS554將測(cè)向所需數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳送給DSP權(quán)值計(jì)算板；FPGA波束形成板要實(shí)現(xiàn)全陣的波束形成，就要對(duì)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)復(fù)加權(quán)求和，得到最終所需的波束，因而需要傳輸數(shù)據(jù)量很大，4塊ICS554通過(guò)LVDS將高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA波束形成板；權(quán)值由DSP權(quán)值計(jì)算板計(jì)算完成后，通過(guò)自定義的串口通信發(fā)送到FPGA波束形成板。

2 實(shí)時(shí)數(shù)字波束形成器設(shè)計(jì)
2．1 高速數(shù)據(jù)采集與傳輸
    該系統(tǒng)中，由于信號(hào)帶寬比較寬，選擇ICS公司四通道的采集板ICS554實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，ICS554是ADC和數(shù)字下變頻(DDC)集成化的產(chǎn)品。ADC決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，依據(jù)ADC的位數(shù)K，以每位6 dB增加，并隨著以dB表示的并行接收通道數(shù)目N增加。ICS554的組成如圖2所示，它主要包括4個(gè)獨(dú)立的14 b／105 MHz模／數(shù)變換器AD6645，4個(gè)正交下變頻器(QDDC)GC4016，1個(gè)100萬(wàn)門(mén)的用戶可編程FPGA(Xilinx XC2V1000)，2個(gè)512 KB的FIFO和1個(gè)PCI接口芯片QC5064。其中，AD6645的輸入信號(hào)帶寬可達(dá)50kHz～200 MHz，最大無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為92 dB(10 MHz±50 kHz)，每個(gè)GC4016內(nèi)部包括4個(gè)獨(dú)立的DDC通道，每個(gè)通道都可獨(dú)立控制其本振頻率和初始相位，頻率分辨優(yōu)于24 MHz，全頻段的覆蓋使得每個(gè)GC4016共享共同的射頻前端與A／D轉(zhuǎn)換器，大容量的FIFO用于緩沖輸出數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA則可用于對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行初步處理。ICS554具有較高的穩(wěn)定性，優(yōu)異的非線性以及正交等系統(tǒng)特性，靈活性比較強(qiáng)。ICS554的可編程控制參數(shù)通過(guò)配置不同的寄存器來(lái)完成。

    該系統(tǒng)共16個(gè)天線單元，A／D采樣頻率105 MHz，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻后形成30 MHz的I，Q兩路24 b數(shù)據(jù)流，如果將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖薋PGA波束形成板進(jìn)行處理，那么每塊ICS554采集板每秒需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為：
    4×2×24×30 Mb／s=5．625 Gb／s
    考慮到采集板ICS554并未提供更高性能的數(shù)據(jù)傳輸總線，要實(shí)現(xiàn)5．625 Gb／s流量的數(shù)據(jù)傳輸很困難，因此利用板上預(yù)留給用戶的FPGA資源，先在采集板中做一次子陣的波束合成，將同一采集板4通道的I，Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到合成的I，Q數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流量降低為1 440 Mb／s。
    采集板ICS554與FPGA波束形成板之間的連接采用LVDS技術(shù)，低電壓差分信號(hào)(Low Voltage Dif-ferential Signaling，LVDS)是一種用低擺幅的差分電壓串行傳輸信號(hào)的技術(shù)。這種信號(hào)能在差分PCB導(dǎo)線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)b／s，甚至上Gh／s的速率傳輸，具有低電壓、低輻射、低功耗、低成本、強(qiáng)抗干擾能力和可內(nèi)含時(shí)鐘等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對(duì)傳輸距離有要求設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。但是，LVDS只定義了信號(hào)電氣規(guī)范，作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信規(guī)范還需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸控制。為了提高效率，使用不含幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)直接傳輸，同時(shí)為了盡量增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃∠l(fā)送端和接收端之間的控制信號(hào)，使用不連續(xù)的發(fā)送端時(shí)鐘．僅在發(fā)送端數(shù)據(jù)有效時(shí)，給出發(fā)送時(shí)鐘。這種情況下，接收端可以使用一個(gè)高于發(fā)送時(shí)鐘的連續(xù)時(shí)鐘對(duì)發(fā)送時(shí)鐘進(jìn)行采樣來(lái)確定數(shù)據(jù)是否有效。
    采集板ICS554本身給用戶預(yù)留有64個(gè)通用I／O口，可以將其配置為L(zhǎng)VDS的I／O口，這樣可以提高數(shù)據(jù)傳輸能力和抗干擾性能。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示，ICS554內(nèi)部FPGA先將24 b的I，Q數(shù)據(jù)流并／串轉(zhuǎn)換。VHDL語(yǔ)言的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)并／串轉(zhuǎn)換很容易，然后由LVDS發(fā)送模塊將LVTTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，接收端FPGA波束形成板首先將接收到的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVTTL信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，再經(jīng)過(guò)串／并轉(zhuǎn)換，將串碼恢復(fù)成24 b的I，Q數(shù)據(jù)。由于利用ICS554提供給用戶的通用I／O口配置為L(zhǎng)VDS差分對(duì)，差分對(duì)的相位、互耦等都沒(méi)有很好的考慮，而且不能采用專(zhuān)用的平衡電纜連接，因而必須降低傳輸速率，以減小傳輸誤碼率，增強(qiáng)可靠性，同時(shí)考慮配置9位的LVDS口，8位并行傳輸數(shù)據(jù)，1位發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，LVDS傳輸速率為：
    30×2×24／8=180 Mb／s
    實(shí)際測(cè)試也表明，180 Mb／s的傳輸速度LVDS差分對(duì)能夠可靠的工作，F(xiàn)PGA波束形成板正確地接收到采集板ICS554的數(shù)據(jù)。

2．2 實(shí)時(shí)波束形成計(jì)算
    如前所述，整個(gè)實(shí)時(shí)波束形成分為兩次，首先在采集板ICS554中完成子陣波束形成，然后再到FPGA波束形成板中實(shí)現(xiàn)全陣的波束形成，如何保證整個(gè)計(jì)算的實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。
    波束的形成，其實(shí)就是對(duì)A／D變換后數(shù)字信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)，波束的特性如波束指向、副瓣電平、主瓣寬度等完全由權(quán)值決定。權(quán)值計(jì)算主要考慮兩方面的因素，首先要對(duì)各通道進(jìn)行幅相校準(zhǔn)，克服各通道不一致和互耦的影響，然后實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，完成希望的波束指向。首先幅相校準(zhǔn)，對(duì)于第i單元：
   
式中：δφi，△ai分別為第i通道與標(biāo)準(zhǔn)通道的相位差和幅度比值。若要實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波則需要在此基礎(chǔ)上增加陣因子對(duì)幅度和相位加權(quán)。
   
式中：φi為第i通道相位加權(quán)值；αi為幅度加權(quán)值，可以根據(jù)不同的波束性能要求(主瓣寬度、旁瓣電平、零陷位置)靈活選擇不同的幅度加權(quán)形式，得到不同的αi，權(quán)值矩陣W也會(huì)有所不同。權(quán)值更新計(jì)算由DSP處理板完成。
    最初的子陣波束形成需實(shí)現(xiàn)四通道單元的波束形成，即對(duì)4路中頻數(shù)字I，Q兩路信號(hào)復(fù)加權(quán)求和：

   
    式中：Iout，Qout為4通道波束形成后I，Q兩路輸出結(jié)果；ωir,ωii分別為第i單元權(quán)值的實(shí)部、虛部。由于ICS554采樣頻率比較高，而FPGA片內(nèi)剩余可利用的資源比較多，在這里采用并行復(fù)乘運(yùn)算，運(yùn)用ISE軟件IP核設(shè)計(jì)映射出4個(gè)獨(dú)立的復(fù)乘運(yùn)算單元，片內(nèi)VHDL程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

    用4塊采集板ICS554獨(dú)立進(jìn)行子陣波束形成，然后將結(jié)果Iout，Qout輸出給FPGA波束形成板進(jìn)行復(fù)求和，最終得到16個(gè)天線單元的全陣合成波束?？紤]FPGA運(yùn)算的復(fù)雜性，選用內(nèi)含DSP內(nèi)核的Xilinx公司的XC3SD3400A芯片，該芯片性價(jià)比非常高，內(nèi)含的DSP內(nèi)核XtremeDSP DSP48A運(yùn)算速度可以達(dá)到250 MHz，差分I／O傳輸速率可達(dá)到622 Mb／s。要保證整個(gè)波束形成運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，主要從采集板子陣波束形成運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、FPGA板全陣波束形成運(yùn)算三個(gè)方面測(cè)試分析。全陣波束形成運(yùn)算主要是在XC3SD3400A內(nèi)做復(fù)數(shù)加法運(yùn)算，加法運(yùn)算最高可以到250 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)字下變頻后數(shù)據(jù)流速度。子陣波束形成運(yùn)算則是在XC2V1000內(nèi)做四通道并行復(fù)乘運(yùn)算和復(fù)加運(yùn)算，片內(nèi)復(fù)乘流水線、復(fù)加運(yùn)算時(shí)鐘頻率可達(dá)420 MHz。實(shí)際上，子陣和全陣波束形成的運(yùn)算能力都是足夠的，整個(gè)系統(tǒng)的主要瓶頸還是數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸流量大，數(shù)據(jù)傳輸I／O口位寬達(dá)8位，在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，將低速多位并行數(shù)據(jù)用倍頻時(shí)鐘轉(zhuǎn)換成250 MHz高速串行數(shù)據(jù)；在接收端，使用移位寄存器實(shí)現(xiàn)串／并轉(zhuǎn)換就可以得到低速并行數(shù)據(jù)。仿真和實(shí)際測(cè)試也表明，能夠保證整個(gè)系統(tǒng)波束形成運(yùn)算的實(shí)時(shí)性。

3 結(jié) 語(yǔ)
    這里設(shè)計(jì)的高速實(shí)時(shí)波束形成器，改善了原DBF系統(tǒng)，不僅可完成測(cè)向工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸和全陣的實(shí)時(shí)數(shù)字波束形成。系統(tǒng)是基于采集板ICS554搭建的，ICS554雖然是一款高性能的4通道采集板，但是它成本高，而且只提供PCI接口，沒(méi)有提供其他高性能的數(shù)據(jù)傳輸接口，當(dāng)陣元數(shù)更多時(shí)其可擴(kuò)展性并不強(qiáng)。為了達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸能力的要求，采用了多組LVDS差分對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，雖然實(shí)現(xiàn)了要求的速度，但是連接電纜太多，互耦影響大、傳輸距離短。因而，后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用FPGA集成速度更快的高速串行差分RocketIO通道、光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)來(lái)改善性能，提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。