相控陣短波發信系統相位校正方案設計*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

相控陣短波發信系統相位校正方案設計*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

相控陣短波發信系統通過波束合成手段能夠實現通信的實時性和按需可控，并且提高通信的穩定性和抗毀性，滿足各種條件下的通信要求。提出了相控陣短波發信系統相位校正方案，并且將整個校正過程分為相位控制和交換兩個模塊。通過對相位控制模塊中AD采樣、下變頻和相位計算的具體設計以及交換模塊中DSP和FPGA的具體設計實現了系統的相位校正。最后對仿真數據和實測數據進行比較，驗證了本相位校正方案的可行性。

相控陣；短波通信；波束合成；相位控制

0 引 言

控制陣列天線各陣元的相位，形成空間波束并控制其掃描的技術就是相控陣技術。相控陣技術最早在20世紀50年代應用于雷達領域[1]。相控陣技術的使用大大提高了雷達的掃描速率，并且使其操作控制更加靈活。相控陣短波發信系統采用相控陣技術的原理，其目標為通過波束合成的手段，提高短波發信系統的綜合通信效能以及通信的實時性，實現通信方向能夠根據通信對象要求隨時可控的效果，使天線的布置靈活機動，按需可控，提高發信系統的生存能力、抗毀能力，從而滿足短波通信臺站全方位、遠距離、能夠適應各種通信業務的通信保障的要求。在實際應用中，相控陣技術在短波通信系統中的應用和雷達系統中的應用還是存在不小的區別。短波信號較雷達信號頻率較低，波長較長，通信天線尺寸較大等各方面因素都會給相控陣短波發信系統的實現帶來不小的困難。近年來隨著技術的發展，相控陣技術由于其突出的優勢在短波通信中的運用越來越廣泛。本文針對相控陣技術的關鍵點相位校正設計了具體的方案，并且通過實際測量來驗證本系統的可靠性。

1 波束合成技術簡介

所謂波束合成技術是指在空域內對以某種幾何形狀排列的多元基陣各陣元輸出的波束進行線性疊加，形成空間指向性的方法[2]。通過改變天線陣當中的每個單元天線激勵信號的相位，可以實現輻射方向在空域內的掃描。

圖1 波束合成原理

波束合成技術的關鍵就在于必須準確并且有效地控制各路信號的相位。各路信號的相位差異可以劃分為兩類：1.內部相位：各子系統中器件的時延存在差異，導致各路信號在內部的相位產生差異，并且由于各模塊板制作的差異會導致各路信號在內部傳輸線的長度不一致從而導致相位的差異；2.外部相位：各個發射天線到通信目標的距離差所產生的相位差。

2 系統方案設計

發信系統快速相位校正主要分為三步：1、對射頻輸出信號的相位差進行測量；2、快速計算出各路激勵器所需補償的相位值；3、將所需補償相位值的信息從相位檢測單元快速傳輸到各路激勵器[3]。

圖2 系統框圖

本系統設計使用四路天線發信。此模塊工作原理為通過相位檢測器對功放單元接回來的射頻信號進行相位檢測，將內部差異引起的各路射頻信號之間的射頻相位差送到激勵器射頻信號處理及控制單元，波束控制器通過已知的通信對象計算出各發射陣元到接收點的程差引起的相位差，以及相位檢測器得到的射頻相位差，計算出各路射頻信號實際需要移相的值。激勵器射頻信號處理單元根據波束控制器傳輸過來的移相數據實施數字移相處理，從而達到空間功率合成的目的。

在通信對象確定之后，需要根據發射頻率，通信距離，天線布陣等因素，迅速計算各路激勵器所需的特定相位，并且及時傳輸給各路射頻單元進行相位調整。為了提高相位校正的速度，提前根據發射頻率，通信距離，天線布陣等因素在實驗室提前進行仿真并計算出各路通道需要的相位，然后制成一個波束控制表，并把波束控制表存入相控系統中，在后面的操作中只需要通過查詢波表就能得到所需相位，這樣就減少了計算各路所需相位的時間。

對于波束控制單元，要考慮到天線安裝以后的工程誤差等因素可能導致實際天線陣與理想場地天線陣的輻射特性存在差異，因此還需對天線陣列各陣元的饋電相位進行監測，對多通道射頻信號的相位的不一致性進行修正。

一般常用的波表生成方法是提前產生，一次性灌入系統中不做改動。但是在通信中由于系統工作環境以及溫度的變化會引起系統中器件頻響的改變，當系統工作一定時間后各路信號在板內的相位差發生改變，如果不對其進行校正就會影響波束合成的效果，嚴重影響通信的質量。因此，為了提高相位校正的精確性，在本系統中加入自動更新波表的功能。即每次發信前測量當前設置下內部的相位差異，然后把這個相差跟波表中已有的相位值相加減計算出新的對應相位值并把得到的值存入波表中。

3 相位控制模塊

從激勵器輸出端接回來的射頻信號信號在相位控制模塊要經歷3個過程：

(1)經過AD采樣，由模擬信號變為數字信號；

(2)經過下變頻，把射頻信號變為方便操作的基帶信號；

(3)對下變頻后的信號進行相位的計算，計算出各路需要補償的之后再經由交換模塊發送到各個射頻處理單元。

圖3 相位控制模塊

3.1 AD采樣

從發信末端接收回來的信號是模擬信號，為了后面處理方便，首先要對信號進行AD采樣，使之變成數字信號。由于本系統設計的是四路發信天線，因此要對四路信號同時進行采樣，所以本系統選擇AD9637作為AD采樣芯片。

AD9637是八通道的模數轉換器(ADC)[4]，它擁有小尺寸、低功耗和低成本的特性。系統中AD9637將4路模擬信號采樣后得到的是串行的差分信號，然后再對差分信號進行串并轉換變為4路并行信號，采樣完成后再把信號輸出。

3.2 下變頻

下變頻的目的就是把AD采樣后的射頻數字信號的中心頻率搬移到零頻[5]。為了進行頻率搬移，必須要產生與射頻信號頻率一樣的信號，然后使兩者混頻從而達到頻率搬移的目的。

下變頻的核心部分是數控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)。NCO模塊能夠按照需要產生相應的穩定正弦和余弦信號[6]。NCO包含了相位累加器和一個存儲了正弦值(余弦值)的查找表。每當來一個時鐘信號，就將長度為N位的頻率控制字送入長度為M位的累加器中去完成一次累加，然后將累加所得到的結果送入相位寄存器中，并同時把結果反饋給累加器，用于下一時鐘與頻率控制字累加；在時鐘的驅動下，相位寄存器輸出的值與相位控制字的值送到加法器內相加，將相加的結果送入查找表，經過相位/幅度轉換電路，最終產生輸出的正弦波形。本系統采用Quartus中NCO的IP核來實現這個功能。

圖5 NCO結構圖

3.3 相位計算

輸入AD的每路射頻信號都有一個自己的相位值θi(i=1,2,3,4)，下變頻時NCO也有一個自己的隨機初始相位值θ0，經過下變頻后得到的基帶信號的相位值為θ0-θi，下變頻完成后將得到的I路和Q路兩個信號數據送入DSP中，通過對基帶信號的實部與虛部求反正切，就能算出θ0-θi的大小。然后發送命令查詢存儲在FLASH中的波表，得到在當前通信角度和頻率下各路的相位差值，將測量得到的實際各路差值θ0-θi與波表中的值進行相加減，計算出各路還需要補償的角度值。最后把得到的補償角度值通過交換單元發送到對應各路的激勵器中去。

4 交換模塊

交換模塊硬件框圖如下所示[7]：

圖6 交換模塊硬件框圖

交換模塊采用Tundra公司的Tsi578交換芯片完成交換功能[8]。其中DSP芯片主要完成對交換芯片的初始化、配置和復位工作，同時還要對其他模塊發送過來的信號進行解析并做出具體操作。FPGA芯片的主要功能是實現RapidIO協議，并結合DMA和RAM等資源實現RapidIO接口，讓DSP芯片能夠完成對交換芯片的配置和維護。本系中將Tsi578設置為16組1x模式，并設定其串行速率為1.25Gbps。

圖7 RapidIO接口

FPGA中軟件設計核心是利用Quartus已有的IP核實現RapidIO協議，利用SOPC(可編程片上系統)編程實現RapidIO接口[9]。具體步驟是在SOPC編程界面下找到RapidIO組件，對RapidIO的IP核里面的各個層次的參數進行設置以實現RapidIO協議。但是這里的IP核并不能提供對SOPC系統外部的Avalon-MM接口，為了能夠實現DSP與RapidIO IP核的數據、門鈴及維護的交互，以及對其他組件的直接操作，需要建立一個連接器來實現RapidIO IP核等組件對SOPC系統外部的Avalon-MM接口。此外，DSP與FPGA之間通信是EMIF總線接口，而經過連接器中轉之后的SOPC系統仍然只能對外提供Avalon-MM接口。為了能夠實現DSP與SOPC的通信，在FPGA中必須進行EMIF和Avalon-MM總線間的轉換，從而讓DSP能夠與SOPC通信。這樣利用現成的IP核的方法能夠減少軟件編程的復雜程度，同時又能夠增加整個系統的穩定性。

DSP的軟件設計主要實現完成命令數據的接收，門鈴的解析和發送，對本地和遠程的RapidIO系統維護等功能[10]。DSP功能對應的內部存儲空間如下圖：

表1 DSP內部地址分配

5 仿真結果與實測結果對比

本文設計的方案應用到實際中。在距離天線陣地一千多米的位置進行場強測量，場強測量方法是通過天線接收信號，記錄頻譜儀上的信號電平指數。圖中同時給出了實際測量結果和理論仿真結果，其中實線為測試結果，虛線為仿真結果

圖8所示為頻率為12M，指向為90°時的對比圖。

圖8 接收信號測量與仿真對比圖

圖9所示為27M頻率下，指向為90°時的對比圖。

圖9 接收信號測量與仿真對比圖

通過上面的對比圖可以看出，天線陣方向圖實測結果與理論仿真結果基本一致，可以認為本系統設計的相控陣短波發信系統相位校正方案滿足設計要求，能夠實現波束的控制。

6 結 語

近年來相控陣短波發信系統以其突出的優點，受到了越來越多人的關注。在廣泛吸收了前人這方面的研究成果后，本文設計了具體相位校正方案，并且通過實際的測量結果驗證了其波束指向控制的能力。在后續的研究中可以嘗試將陣元數增加，從而進一步提高通信的效率，也可以針對提高系統的運算處理速度以提高系統的實時性。總的來說短波通信中相控陣技術的研究起步比較晚，后面還有許多有待人們進一步研究和提高的地方。

[1] 羅敏．多功能相控陣雷達發展現狀與趨勢[J]．現代雷達，2011，33(9)：14-18． LUO Min. Development Status and Trend of Multi Phased Array Radar [J]. Modern Radar, 2011, 33 (9):14-18.

[2] 丁君，郭陳江，許家棟．基站智能天線多波束合成技術[J]．微波學報，2004，20(1)：79-81． DING Jun, GUO Chen-jiang, XU Jia-dong. Multi Beam Synthetic Technology of Base Station Smart Antenna [J]. Microwave, 2004, 20 (1):79-81.

[3] 何憲文，高俊，屈曉旭等.多信道射頻信號相位檢測技術的研究與實現[J]．通信技術，2014(5)：478-482．

HE Xian-wen, GAO Jun, QU Xiao-xu,et al. Research and Realization of Phase Detection Technology for Multichannel RF Signal [J]. Communications Technology, 2014(5): 478-482.

[4] Analog Devices，Inc．AD9637 DataSheet[EB∕OL]．http: //www.analog.com．

[5] 閆濤．軟件無線電數字下變頻模塊研究及其FPGA實現[D]．合肥：合肥工業大學，2012． YAN Tao. Research of Software Radio Digital Down Conversion Module and FPGA Implementation [D]. Hefei: HeFei University of Technology, 2012.

[6] 張阿寧，趙萍．基于FPGA的正交數控振蕩器的設計與實現[J]．電子設計工程，2011，19(17)：150-152． ZHANG Aning, ZHAO Ping. Design and Implementation of FPGA based Quadrature Digital Oscillator [J].Electronic Design Engineering,2011,19 (17):150-152.

[7] 鄧冉，高俊，屈曉旭．基于RapidIO的相控陣短波發信系統交換單元設計[J]．通信技術，2015(4)：495-500． DENG Ran, GAO Jun, QU Xiao-xu. The Design of the Exchange Unit of Phased Array Shortwave Transmitting System based on Rapidio Bus [J]. Communications Technology, 2015(4):495-500.

[8] 張靜，李漢波．基于TSI578的串行RapidIO交換模塊設計[J] ．電子元器件應用，2010(11)：30-31． ZHANG Jing, LI Han-bo. Design of Serial RapidIO Exchange Module based on TSI578 [J] . Electronic Components, 2010 (11):30-31.

[9] 周立功．SOPC嵌入式系統基礎教程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006． ZHOU Li-gong.The Basis of SOPC Embedded Systems Tutorial [M]. Beijing:Beihang University Press,2006．

[10] 汪安民，張松燦，常春藤．TMS320C6000實用技術與開發案例 [M]．北京：人民郵電出版社，2008． WANG An-ming,ZHANG Song-can,CHANG Chun-teng.TMS320C6000 Practical Technology and Development Case [M]. Beijing: People′s Posts and Telecommunications Press, 2008.

Phase Correction Scheme of Phased Array Shortwave Transmitting System

DENG Ran，GAO Jun, QU Xiao-xu

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

By beam-forming means, phased array shortwave transmitting system could realize real-time communication and on-demand control, improve communication stability and survivability, and meet the communication requirement in various conditions. The phase correction scheme of phased array shortwave transmitting system is proposed, and the whole correction process is divided into two modules, i.e., phase control and phase exchange. Through the design of AD sampling, down-conversion and phase calculation in phase control module, and the specific design of FPGA and DSP in exchange module, the phase correction of system could be realized. Finally,the comparison of simulation data and testing data indicates the feasibility of this phase correction scheme.

phased array; shortwave communication; beam-forming; phase control

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.007

2015-06-07；

2015-08-20 Received date:2015-06-07；Revised date：2015-08-20

TN91

A

1002-0802(2015)10-1129-05

鄧 冉(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為數字通信；

高 俊(1957—)，男，教授，主要研究方向為數字通信、無線通信；

屈曉旭(1976—)，男，副教授，主要研究方向為數字通信、無線通信。