多路射頻信號相位同步模塊的設計與實現*

王 寧

（91336部隊，河北 秦皇島 066000）

0 引 言

相控陣技術是控制陣列天線各陣元的相位以形成空間波束并控制其掃描的技術，最早在20世紀50年代應用于雷達領域[1-3]。相控陣短波發信系統采用相控陣技術的原理，目標是通過波束控制的手段實現空間功率的合成，提高短波發信系統的效能和通信業務控制的實時性，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，從而滿足短波通信系統全方位、遠距離的要求[3]。

近年來，隨著技術的發展，相控陣技術由于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方案，并且通過實際測量驗證了本系統的可靠性。

1 系統簡介

相控陣短波發信系統的基礎是波束合成技術，即通過改變一組天線陣中的每個單元天線激勵信號的相位，實現波束合成功率的最大化[4-5]。

實現波束合成的基礎是在饋入相位前保證射頻信號相位的同步性。天線陣的相位同步是通過閉環系統中對射頻信號進行相位檢測，從而補償相位，采用數字信號處理技術有效解決各通道射頻單元產生的“隨機”相位，即數字上變頻時各數字載波初始相位和D/A轉換時鐘相位的不一致引起的射頻相位差，實現多路信號的精確相位同步。

2 系統設計

短波發信系統相位同步校正主要分為三步：

（1）測量射頻輸出信號的相位；

（2）快速計算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。

本系統設計使用四路天線進行發信，如圖1所示。相位同步模塊的工作原理為：通過相位檢測單元對功放單元耦合獲取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通過光纖送到激勵器射頻信號處理及控制單元[6-8]，通過已知的通信對象計算相位檢測器得到的射頻相位差，計算各路射頻信號實際需要移相的相位補償值。激勵器射頻信號處理單元根據傳輸過來的移相數據進行數字移相處理，從而實現四路射頻信號的相位同步。

圖1 相位同步模塊系統

2.1 相位檢測單元

激勵器的時鐘信號和數字本振信號相差會導致激勵器射頻輸出的相位存在偏差，即多通道射頻信號的“隨機”相位。而相位控制單元就是通過采集并檢測多通道射頻信號相位差，實現對該“隨機”相位的相位補償。這一單元的設計是相控陣短波發信系統實現的基礎[3]。

同時，對n路上變頻板的射頻反饋信號進行采樣，對采樣后的數字信號進行串并轉換，送至數字下變頻，把上變頻板得到的射頻信號與NCO模塊產生的本振信號經過乘法器進行混頻，即數字下變頻。下變頻后得到基帶信號，即將載波的頻率調制到基帶，得到正交的I、Q路數據流。

在FPGA中將檢測得到的I、Q路的數據送至DSP中。在DSP求出上變頻板輸出的射頻信號與檢測板本振的相位差。射頻單元的DSP依次接收到相位檢測的計算結果，并且傳輸至射頻單元的FPGA，在NCO模塊內進行相位補償，從而消除“隨機”相位給多通道射頻信號帶來的困擾。本系統設計中使用4路射頻信號的相位檢測，相位檢測軟件結構圖如圖2所示。

圖2 相位檢測軟件結構

接收平臺數字信號處理任務主要由DSP與FPGA共同完成。DSP用于完成處理步驟相對復雜的信號算法和控制靈活的命令通路，FPGA用于完成大計算量且算法相對簡單的底層信號處理，從而解決了多通道射頻信號同步采集的難題，可以有效檢測各通道射頻單元產生的“隨機”相位。

相位采集單元的信號處理過程是數字化的，但是從發射末端接收回來的是4路模擬射頻信號。因此，需要一個射頻ADC用于將4路模擬射頻信號同步轉換為數字信號。針對設計需要，本系統中采用的射頻ADC是AD9637。

AD9637是八通道的模數轉換器（ADC），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，然后對差分信號進行串并轉換為4路并行信號。采樣完成后，再把信號輸出。下變頻的目的是把AD采樣后的射頻數字信號的中心頻率搬移到零頻。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（NCO）。它的作用是產生正交的正弦和余弦樣本。傳統方法是采用查表法（LUT），即事先根據各個正余弦波相位計算好相位的正余弦值，并按相位角度作為地址存儲該相位的正余弦值，構成一個幅度/相位轉換電路。在系統時鐘的控制下，由相位累加器對輸入頻率字不斷累加，得到以該頻率字為步進的數字相位，再通過相位相加模塊進行初始相位偏移，得到要輸出的當前相位。AD的采樣速率較高，而混頻后得到的數據率和采樣速率是一致，后級的DSP很難達到這個處理速率。因此，先通過級聯積分梳狀濾波器（CIC）進行大的抽取，使數據率快速降下來。CIC抽取濾波器的零極點相消，只需要用加法器、積分器和寄存器就能實現，不需要乘法，在高速抽取中非常有效。CIC濾波器由積分部分和梳狀濾波部分組成。輸入的每路射頻信號都有一個自己的相位值下變頻時，NCO模塊中產生的本振信號的相位值為經過下變頻后，得到的基帶信號的相位值為下變頻完成后，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，計算得到最后，將補償角度值通過交換單元發送到對應各路的激勵器。

2.2 交換單元

交換單元采用Tundra公司的Tsi578交換芯片完成交換功能。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，使DSP芯片能夠完成對交換芯片的配置和維護。本系統中，將Tsi578設置為16組1x模式，設定其串行速率為1.25 Gb/s，交換模塊硬件框如圖3所示。

圖3 交換單元硬件

3 相位檢測的效果分析

單機模式下，原始射頻信號和經過相位采集單元修正過的射頻信號，在4通道示波器上的波形分別如圖4、圖5所示。

單機模式下，將經過相位控制單元修正過的4路射頻信號分別接入示波器，以通道1為基準進行相位差檢測，統計1 000組數據，求得平均相位差，該相位差即平均誤差，如表1所示。

圖4 激勵器輸出的原始射頻信號實測圖

圖5 相位同步后的射頻信號實測圖

表1 誤差統計表

在相位檢測過程中，誤差來源主要是AD的量化、變壓器頻響的不一致性、電磁干擾、DSP計算舍入等。經以上的測試結果可以看出，相位控制單元確實可以實現射頻信號處理單元輸出射頻信號的相位精確計算，可以有效補償射頻單元產生的“隨機”相位差，為后續要進行的波束合成提供技術基礎。相位檢測的精度≤1°，也符合一般情況下相控陣短波發信系統的技術指標?？梢?，本文設計的相位控制單元滿足實際應用的需求，達到了預期的設計目的。

4 結 語

近年來，相控陣短波發信系統以其突出的優點，受到了越來越多的關注。在廣泛吸收前人的研究成果后，本文設計了具體相位同步補償方案，并通過實際的測量結果驗證了該方案相位補償的可行性。該相位同步的結果精確有效，可實際應用于相控陣短波發信系統，對多通道的相位檢測技術具有指導意義。

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