一种高速实时数据波束产生器的设计方案

0 引 言
雷达探测做为一种独特的无线通信武器装备，也必定遵循从仿真模拟到数据再到手机软件化那样的發展路面。数据波束产生技术性被视作新一代雷达探测所需要采取的技术性，它保存了无线天线列阵模块数据信号的所有信息内容，并可运用专业的数字化信号分析技术性对列阵数据信号做好解决，能够得到 良好的波束特性，便捷地获得超辨别和低副瓣的特性，完成波束扫描仪、自校正和响应式波束产生等。恰好是因为之上特性，DBF技术性的顺利运用必定对当代雷达探测技术性的进步形成很大的危害。
在数据波束产生技术性的产品化全过程中，也碰到了一些难题。关键包含：传输数据量很大，特别是在当阵元数较多时，那样就局限了渠道的提升；来波方位可能和权重值升级测算量很大，促使权重值升级速率较慢，没法在一些快速运作的媒介上应用；当列阵数较多时，高速实时波束产生器的复乘计算消耗较多的資源，尤其是必须产生好几个波束的情形下。原先的DBF系统软件就碰到传输数据发展瓶颈，取样数据信息只有根据PCI总线开展传送，没法确保全部安全通道的信息都即时传送，因此只有做要求数据信息较少的测向工作中，并无法做即时波束产生。为了更好地解决这种艰难，这儿将测向数据信息和波束产生数据信息分离开展传送，选用LVDS技术性处理多路快速传输数据，挑选内嵌性能卓越DSP核心的密度高的FPGA并行处理完成波束产生中的很多复乘计算。

1 DBF系统软件构成
DBF系统软件包含列阵接受无线天线、多路接收器、多路数据收集板、FPGA波束产生板、DSP权重值测算板、外界数字时钟开启控制模块、工控电脑等模块，如图所示1所显示。接收器一般选用功率放大电路方法，完成列阵接受讯号的下变频、过滤，并将数据信号变大至A／D转换需要的水准。DBF系统软件最首要的基本功能便是完成来波方位可能(测向)和波束产生，DSP权重值测算板担负来波方位可能和权重值测算每日任务，权重值测算要依据测向結果和波束扫描仪，及其对抗干扰性的规定结合考虑到获得，FPGA波束产生板担负全阵波束产生每日任务。波束产生器依据权重值数值，根据对信息化的列阵模块接受数据信号开展复权重计算计算，产生需要的接受数据波束。
该体系中，由4块四通道收集板ICS554完成16阵元高频数据信号的模／数变换和数据下变频。为了更好地完成全部安全通道的同歩，收集板均工作中在外界数据信号开启方式，外界取样数字时钟彻底同歩；来波方位可能和权重值升级测算由DSP权重值测算板进行，计算必须的各个安全通道信息量一般并不算太大，ICS554将测向所需数据信息根据PCI总线传输给DSP权重值测算板；FPGA波束产生板要完成全阵的波束产生，就需要对各个渠道的数据信息复加权求和，获得最后需要的波束，因此必须传送数据量非常大，4块ICS554根据LVDS将快速传输数据到FPGA波束产生板；权重值由DSP权重值测算板测算进行后，根据修改的串口通讯发送至FPGA波束产生板。

2 即时数据波束产生器设计方案
2．1 快速数据收集与传送
该体系中，因为信号带宽较为宽，挑选ICS企业四通道的收集板ICS554完成数据收集每日任务，ICS554是ADC和数据下变频(DDC)一体化的商品。ADC决策了操作系统的采样率，根据ADC的十位数K，以每一位6 dB提升，并伴随着以dB表明的并行处理接受安全通道数量N提升。ICS554的构成如图2所显示，它具体包含4个单独的14 b／105 MHz模／数SPWMAD6645，4个正交和下变频调速器(QDDC)GC4016，一个一百万门的客户可编程控制器FPGA(Xilinx XC2V1000)，两个512 KB的FIFO和一个PCI插口集成icQC5064。在其中，AD6645的键入信号带宽可以达到50kHz～200 MHz，较大 无虚报采样率(SFDR)为92 dB(10 MHz±50 kHz)，每一个GC4016內部包含4个单独的DDC安全通道，每一个安全通道都可以单独操纵其本振频率和原始相位差，頻率辨别好于24 MHz，全频段的遮盖促使每一个GC4016共享资源一同的射频前端与A／D转化器，大空间的FIFO用以缓存輸出数据信息，FPGA则可用以对輸出数据信号开展基本解决。ICS554具备较高的可靠性，出色的离散系统及其正交和等系统软件特点，协调能力非常强。ICS554的可编程控制主要参数根据配制不一样的存储器来进行。

该系统软件共16个无线天线模块，A／D采样率105 MHz，历经数据下变频后产生30 MHz的I，Q双路24 b数据流，假如将全部传输数据到后面FPGA波束产生板开展解决，那麼每片ICS554收集板每秒钟必须传送的信息量为：
4×2×24×30 Mb／s=5．625 Gb／s
充分考虑收集板ICS554并没有给予更性能的传输数据系统总线，要完成5．625 Gb／s总流量的传输数据很艰难，因而运用板上预埋给客户的FPGA資源，先在收集板中做一次子阵的波束生成，将同一收集板4安全通道的I，Q双路数据信息开展加权求和，获得生成的I，Q数据信息，手机流量减少为1 440 Mb／s。
收集板ICS554与FPGA波束产生板中间的联接选用LVDS技术性，低压音频信号(Low Voltage Dif-ferenTIal Signaling，LVDS)是一种用低摆幅的差分信号工作电压串行通信传送数据信号的技术性。这类数据信号能在差分信号PCB输电线对或均衡电缆线内以好几百Mb／s，乃至上Gh／s的速度传送，具备低压、减反射膜、功耗低、成本低、强抗干扰性和可含有数字时钟等优势，特别是在适用对传送距離有规定机器设备间的快速传输数据。可是，LVDS只界定了数据信号电气设备标准，做为一个完全的数据通讯标准还必须对应的传输数据操纵。为了更好地提高工作效率，应用没有帧构造的信息同时传送，与此同时为了更好地尽可能提升传输数据的安全通道，撤销推送端和协调器中间的操控数据信号，应用不持续的上传端数字时钟．仅在推送端数据信息合理时，得出推送数字时钟。这类情形下，协调器能够应用一个高过推送数字时钟的持续数字时钟对推送数字时钟开展取样来确认数据信息能否合理。

收集板ICS554自身给客户预埋有64个通用性I／O口，能够将其配制为LVDS的I／O口，那样能够提升传输数据功能和抗干扰能。传输数据步骤如图所示3所显示，ICS554內部FPGA先将24 b的I，Q数据流分析并／串变换。VHDL语言表达的状态机完成并／串变换非常容易，随后由LVDS推送控制模块将LVTTL数据信号转化成LVDS数据信号开展推送，协调器FPGA波束产生板最先将接受到的LVDS数据信号转化成LVTTL数据信号，随后开展数据库同步，再历经串／并变换，将串码修复成24 b的I，Q数据信息。因为运用ICS554给予给客户的通用性I／O口配备为LVDS差分信号对，差分信号对的相位差、互耦等也没有非常好的考虑到，并且不可以选用专门的均衡电缆线联接，因此务必减少传输速度，以减少传送错误差，提高稳定性，与此同时考虑到配备9位的LVDS口，8位并行传输数据信息，1位推送时钟信号，LVDS传输速度为：
30×2×24／8=180 Mb／s
具体检测也说明，180 Mb／s的传输速率LVDS差分信号对可以靠谱的工作中，FPGA波束产生板恰当地传输到收集板ICS554的数据信息。

2．2 即时波束产生测算
如前所述，全部即时波束产生分成2次，最先在收集板ICS554中进行子阵波束产生，随后再到FPGA波束产生板中完成全阵的波束产生，怎样确保全部测算的实用性是重要。
波束的产生，实际上 也是对A／D转换后模拟信号开展力度和相位差权重计算，波束的特征如波束偏向、副瓣脉冲信号、主瓣总宽等彻底由权重值决策。权重值测算关键考虑到两层面的要素，最先要对各安全通道开展幅相校正，摆脱各安全通道不一致和互耦的危害，随后完成航线过滤，进行期待的波束偏向。最先幅相校正，针对第i模块：

式中：δφi，△ai各自为第i安全通道与规范安全通道的相位角和力度比率。若要完成航线过滤则必须在这个基础上提升阵因子对力度和相位差权重计算。

式中：φi为第i安全通道相位差权重计算值；αi为力度权重计算值，能够按照不一样的波束特性规定(主瓣总宽、旁瓣脉冲信号、零陷部位)灵便选用不一样的力度权重计算方式，获得不一样的αi，权重值引流矩阵W也会各有不同。权重值升级测算由DSP解决板进行。
最开始的子阵波束产生需完成四通道模块的波束产生，即对4路高频数据I，Q双路数据信号复加权求和：

式中：Iout，Qout为4安全通道波束产生后I，Q双路輸出結果；ωir,ωii各自为第i模块权重值的实部、虚部。因为ICS554采样率较为高，而FPGA片内剩下可运用的資源比较多，在这儿选用并行处理复乘计算，应用ISE手机软件IP核设计方案投射出4个单独的复乘计算模块，片内VHDL编程设计如图4所显示。

用4块收集板ICS554单独开展子阵波束产生，随后将結果Iout，Qout輸出给FPGA波束产生板开展复求饶，最后获得16个无线天线模块的全阵生成波束。考虑到FPGA计算的多元性，采用含有DSP核心的Xilinx企业的XC3SD3400A集成ic，该集成ic性价比高十分高，含有的DSP核心XtremeDSP DSP48A计算速率能够做到250 MHz，差分信号I／O传输速度可做到622 Mb／s。要确保全部波束产生计算的实用性，关键从收集木板阵波束产生计算、传输数据、FPGA板全阵波束产生计算三个层面检测剖析。全阵波束产生计算关键是在XC3SD3400A内做单数加法运算，加法运算最大能够到250 MHz，远远地高过数据下变频后数据流分析速率。子阵波束产生计算则是在XC2V1000内做四通道并行处理复乘计算和复加计算，片内复乘生产流水线、复加计算时钟频率可以达到420 MHz。事实上，子阵和全阵波束产生的计算工作能力全是充足的，全部体系的关键短板或是传输数据，传输数据总流量大，传输数据I／O口位宽达8位，在传输数据阶段，将低速档多名并行处理数据信息用内存超频数字时钟转化成250 MHz快速串行通信数据信息；在协调器，应用移位寄存器完成串／并变换就可以获得低速档并行处理数据信息。模拟仿真和具体检测也说明，可以确保整体系统软件波束产生计算的实用性。

3 结 语
这儿设计方案的高速实时波束产生器，改进了原DBF系统软件，不但可进行测向工作中，与此同时完成了快速传输数据和全阵的即时数据波束产生。系统软件是根据收集板ICS554构建的，ICS554尽管是一款性能卓越的4安全通道收集板，可是它成本增加，并且只给予PCI插口，沒有给予别的性能卓越的传输数据插口，当阵元数大量时其扩展性并较弱。为了更好地做到传输数据功能的规定，选用了多个LVDS差分信号对信息开展传送，尽管完成了规定的速率，可是联接电缆线过多，互耦危害大、传送间距短。因此，事后的系统开发中，运用FPGA集成化速率迅速的快速串行通信差分信号RockeTIO安全通道、光纤传输激光焊接等技术性来改进特性，提升系统软件扩展性。

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