。（ ＩＪ【 Ｖ ｌ】Ｉ 科技视界 科技·探索·争鸣 基于ＦＰＧＡ的宽带雷达波束形成技术 汪灏 （中国电子科技集团公司第３８研究所，孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，安徽合肥２３００３１） 【摘要】雷达波束形成（Ｉ）ＢＦ）作为相控阵雷达体系中的核心环节之一，其作用不言而喻；宽带波束形成是实现数字阵列雷达－＊－３实现中 的主要难点之一本文介绍一种利用信道复用技术表实现宽带雷达波束形成的方式，着重在于结合实际工程实践中的难点并给出解 臭方案．旨 在减少雷达信号处理系统中硬件资源使用量 【关键词】宽带波束形成；相控阵雷达；信道复用 Ｔｈｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｒａｄａｒ Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ＦＰＧＡ ＷＡＮＧ Ｈａｏ （Ｎｏ．３８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ａｒｒａｙ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ａｎｈｉｕ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒａｄａｒ ｂｅａｎｆｏｒｍｉｎｇ ｐｌａｙｓ ａ ｋｅｙ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈａｓｅｄ—ａｌｒａｙ ｒａｄｍ’．ａｎｔｉ ａｌｓｏ ｉｔ ｉｓ 、ｏｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉＭｔ’ｕｈｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔ－ｎｇｉｎｅｅｌ’ｉｎｇ ｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄａｒ ｓｉｇｗａｌ ｐｉｎｔ’ｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａ ｃｈａｎｎｅｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｕｓｅ Ｉｌｌｅｔｈｏｄ ｉｎ ＩｈＰ ｒａｄａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｔ。ｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｔ’ＰｔＩ ｈｅｒｒ ｉｎ ＯｔｌＩＰｒ ＩＩ）Ｉ１Ｐｌｉｔ ｒ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｂｒｏａｄｈａｎｄ ｂｅａｍｆｉ￣ｒｍｉｎｇ．ｉｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ＯＩ３ ｔｈｅ ｄｉｆｉｅｕｈｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ＰＩｔｇｉｎｅｅｔｉｎｇ ｆｉｄｆｉｌｌｍｅｎｌ ａｎｔｌ ｒｅｄｕｔ。ｔ ｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｕｒ（。Ｐｓ ｌＪｓＰ（·ｆ ｔｉｌｅ ｈａｒｔｈｗｕ’ｅ【ｌｆ ｌＩ１ｔ－ ｓｙｓｔｅｍ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒａｄａｒ ｂｅａｍｆｌ￣ｒｍｉｎｇ：Ｐｈａｓｅｄ－ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ，Ｃｈａｎｎｅｌｉｚａｔｉｏｎ ｒｅａｓｅ ０引言 雷达信号处理中．数字波求形成技术是相控阵雷达的核心 技术之一．宽带波束形成义以其独特的难点成为雷达系统设计过程 所必须要关注的重点问题 其难点一般在于其带宽范嗣大．数据通量 特别大．多波束情况下尤其对于数据传输以及运算所提｝｝｜的要求非常 高．即数据乔吐率以及运算要求这两方丽要求都非常高．这对硬件实 现提 ｌｒ非常高的要求．尤其在板件数据传输以及板内数据运算 元 这两方面都订非常高的要求 Ｆ１前．在已知的宽带信号处理系统叶１．带 宽达到儿百兆的情况下所采用的硬件架构基本相似．都是采 Ｉ｝＝ｊ高速光 纤束进行数据传输．利用越来越高端的ＦＰＧＡ来进行信号处理．往往 还需要形成同时多波束．这就使得ＦＰＧＡ内部的乘法器ｉＩ＿：观倍数的增 长．乘法器数目从７ｆ始的几十个到后来的几百个．以至于现在的几 个，阵无以及波束越来越多，硬件栏体规模越来越大 如何在满足系统 设汁功能的前提下．尽可能减少硬件规模已成为设计师仃】的新的挑战 ２工程实现 宽带波束形成网络的规模异常庞大．一般需要消牦数 ｆ 大的硬 １波束形成算法 什资源．尤其是 Ｉ 复数乘法器资源 ３１ 例 ．一个４００Ｍ的宽带价 号输人．利Ｊ目信道化技术将其划分为ｌ６Ｍ．信道化之后的输ｌＩＩ为２５个 子信道．刈 每一路鄙要进行子带的波束形成．假设阵元数 为ｌ６．Ｉ６ 个同时多波束 邯么单个信道所需要的复数乘法器的数量为２５６个． 换算匀实数乘法器的数 为１０２４个．单个信道所需要的乘法器数量Ｌ三 经超…Ｊ 绝大多数ＦＰＧＡ的片内所含有的乘法器的数量．在实际的Ｉ’ 程实践【｛Ｊ必须采取相应措施来保证在有限的资源的前提下实观特定 功能 允，最主要的改进措施是采取分时复用的方式．１６Ｍ的信 根 据余垒斯特采样定律．只需要３２Ｍ的采样频率即可．乘法器１ 作频率 定为３２Ｍ对于目前的主流ＦＰＧＡ来说是一种浪费．目前主流的ＦＰＧ．、 的乘法器的Ｔ作频率琏书都能达到２００Ｍ．采川分时复川的方 可以提 高乘法器的利用效率．复用方式分为两种．一种是利用阵元复Ｊ｝ｊ． 外 种是采川信道复』ｆｊ、图２给ｍ了６信道复川的基本的 网． １Ｉ 到Ｗ［６１表示的是ｌ到６信道的ＤＢＦ系数，Ｄ…到ＤＩ６１表示的ｌ到６ 信道的需达接收数据．以６为周期循环进入乘法器．乘法器的输 也 是以６为Ｊ占】期输ｆｌ『ｌ采用６信道复用那么乘法器的时钟ｆ 升到１９２Ｍ． 此时 ｌ 程实现中所附带的问题就是ＦＰＧＡ程序的建立保持时ＩｈＪ的 要求更加苛刻．需要在程序设计过程中时刻 证时序完整性 ． 图２多信道复用框架示意图 ３硬件实现方案 图１波束形成网络 ｌ中列出Ｊ ｌ０个阵元．阵元间距离为ｔ１．目标回波信号与垂直线 角度为０．载波波长为 ．那么相邻阵元间的空Ｉ＇＠Ｐｌｌ位差如『哥中所示… Ａ￣＝２１ｖｄ ｓｉｎＯ／ｋ （１） 阵元编号为Ｎ，Ｎ取值从０至９．那么以０阵元为基准，ｌ到９阵元 分别需要补偿的相位为中ｎ＝－Ｎ △中一．波束形成网络输ｔｔ｛： Ｙ（Ｉ）＝∑ｘｎ｝ｅ ～ （２） 作为ＤＢＦ模块设计．系数的作用是保证将接收到的回波信号进行 相位修正，保证输入的信号相位一致．从而增加信号的信噪比．同相的 信号幅度会发生累加．但是附带的白噪声信号由于它的随机性．会… 现相消的现象，这个在本质上会提高输入信号的信噪￣－Ｌ１４－５ Ｉ基于信道化复片】的波束形成板的实现硬件采用的是基于Ｘｉｌｉｎｘ 公司推…的高端器件Ｖｉｒｔｅｘ－７系列ＸＣ７ＶＸ６９ｆｆｌ、的芯片而ｆ｛主开发的 波束形成扳 该芯片禽有超过一百万的逻辑连线资源．以及３６００ １、乘 法器资源． 块波束形成板卡ｉ：集成了两片ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ的芯片．总共 含有７２００个实数乘法器．即２４００个复数乘法器．总共配有８路光横 块接¨，每个接门采用ｌ２合ｌ方式，即ｌ ２根单纤．总共９６柱；！单纤．每 根 纤可实现ｌＯＧＩ ｉｔ／ｓ的吞吐率． 板最高可实现９６０（；１，ｉｔ／ｓ的择吐 率：板什有高速板问总线，能够实现片问数据互传 该板卡无沧是存数 据吞吐 还是存片内处理能力』 都具备了就目前的技术水平米说檄 高的水平，町见 板 设ｉｆｔＮ．设汁师们所关注的最主要的两个性能 指标就是数据吞吐 以及运算能力．．该 饭可实现ｌ６个阶元．２５个 信道．１Ｏ个波束的信道化以及ＤＢＦ程序 作者简介：汪灏（Ｉ９７６一），男．中国电子科技集团公司第３８研究所．高级工程师．主要从事雷达信号处理与集成电路设计工作 Ｓ（‘ｉｅｎｅｅ＆Ｔｅｔ’ｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 科技视界ｌ １ 科技·探索·争鸣 、Ｉ科ｌ Ｌ ¨ｔ ［＼技Ｉ Ｌ、 ｌ视…Ｌ１ｌｌ １界 ＼ｌ ４仿真及实测 ［］＿ｌ一－［＝ 一 一一 ． 鼬ｉ ■ ＸＣＴＶＸ６￣Ｔ（４８５Ｔ】Ｉ－＝ 在系统设计之初需要利用Ｍａｔｌａｂ对波序形成系 证其功能正确．如图中５所示的是在正负３０度范 内ｆ 个波束的波束指向图的仿真结果．副瓣一２５ｄｂ单个激 信道相互叠加 、 在程序实现过程中．利用Ｍａｔｌａｂ仿真结果．产生 波数据以及系数．预先写入到ＦＰＧＡ的内部存储区域 运行过程中，通过开关控制．使得程序既可以选择实Ｉ 为数据源，也可选择仿真数据作为数据源．作为程序 种自检方式．图６给出了实际板卡上运行的结果 一＝＝币 一 ＝：：． ＩＫ尊蠢 霄簟 ｐ南ｗ＆１丰Ｌ 一．＝＝［—圉３波束形成板框架结构图 板 １＿ 图６波束形成板上运行结果图 ５结束语 本文介绍了工程实践中使用宽带波束形成算法 然后根越 程实现过程中遇到的资源使用过大的问题．结合现有的ＤＢＦ 出 信道复用的方式．大大优化了资源利用率．减少ｒ设备使 图４波束形成板实物图 少设备成本。ｅ 【参考文献 ｔ义．相控阵雷达原理［Ｍ１ 憔 ４］王峰．李婧 宽带数字 觅研究ｆＪ】．雷ｉ 报，２０１３，２（３ ５］邵杰．一科 进的宽带滋 ．学报：工程 堂版．２００６．３８ 责任编辑：杨玉 图５ Ｍａｔｌａｂ仿真程序 口 ６］吴文江，高占风．张建超，王翠艳．工程训练中心教 ！：实验技术与管理．２０１０。２７ｆｌｌ１：１２７一Ｉ２９． ７］毕萍．刘毓．“Ｍａｔｌａｂ工程应用基础”课程新模式 Ｅ 探索．２ｏｌ２，３川２）：１４５—１４７． ８］谢玉鹏，姜晓林像杰，张启晶，吕中志．电信类ＭＡ ￡举ｌＪ１＿哈尔滨：高师理科学刊，２０１ ５，３５（２）：８５—８７． ２ Ｉ科技视界
