一种可重构的相位一致性阵列发射系统技术方案

本发明专利技术提出了一种可重构的相位一致性阵列发射系统，能够解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。本发明专利技术在发射模式转换过程中，提出了详细的转换策略，具备可重构特性，并具备敏捷性，并且给出了各个发射模式下波束形成的具体实现算法。在多波束发射模式下，发射机的结构设计使得工作量得到显著降低。本发明专利技术提出的可重构的高精度相位一致性的阵列发射系统，可以解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，高精度的幅度和相位一致性可以有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种可重构的相位一致性阵列发射系统


[0001]本专利技术涉及数字阵列发射
，具体涉及一种可重构的相位一致性阵列发射系统。

技术介绍

[0002]目前阵列发射系统在应用中包括雷达和通信两部分。对于雷达的数字T/R组件来说，发射时，由实时信号处理机产生每个天线单元的幅相控制字，对各T/R组件的信号产生器进行控制，产生一定频率、相位、幅度的射频信号；再输出至对应的天线单元，最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。接收时，每个T/R组件接收天线各单元的微波信号，经过下变频形成中频信号再经中频采样处理后输出回波信号；多路数字化T/R组件输出的大量回波数据，通过高速数据传输系统传送至实时信号处理机，实时信号处理机完成自适应波束形成和软件化信号处理。与采用模拟器件来实现波束形成的传统、相控阵雷达相比，数字阵列雷达具有很多优点：易于实现超低收发副瓣；波束扫描速度快(低于微秒量级)，信号处理方式灵活，可以同时发射、接收多波束，自适应零点形成易于抗干扰，模块之间的幅相校正较为简单；可以利用直接频率合成技术，产生各种具有复杂编码波形的发射信号，被截获的概率低，不用移相器，雷达的整机功耗低、可靠性高。
[0003]直接频率合成(DDS)的幅度和相位近似连续可调，可用于数字阵列雷达的波形产生和幅相调整。基于直接频率合成的数字T/R组件是数字阵列雷达的关键部分之一，包括了频率源、直接频率合成、功放、混频、滤波、模数变换等部件，有集中式频率源、分布式频率源等多种实现方式。关于雷达的数字T/R组件的研究重点主要有体系结构、基于直接频率合成的发射信号产生与幅相控制技术、数模一体化设计理论、组件的一致性和稳定性等。
[0004]对于数字波束形成校正技术来说，数字阵列发射通道和各接收通道间存在幅相误差，会对波束副瓣电平产生影响，应对其进行校正。发射通道校正有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是让每个通道依次通过天线所发射的信号，再把远场接收的发射信号与参考信号比较，得到各发射通道的幅相误差。将此误差代入直接频率合成部件即可修正各发射支路的幅相误差。内部校正是将发射信号从天线耦合端耦合出来，经矩阵开关依次切换各路信号，再把矩阵开关的输出与参考信号相比较得到发射通道的幅相误差。此误差再加上天线、矩阵开关等固定误差，更得到等效的远场校正误差。接收通道校正同样有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是将校正信号从远场发射，经天线、接收机至采集卡，然后在计算机内对接收通道的幅相误差进行分析。内部校正是将校正信号从功分网络馈入天线的耦合器，经天线耦合端、接收机至采集卡，由计算机分析各通道的幅相误差，依此进行天线、功分网络等固有误差的修正，然后才能得到等效的系统误差。接收通道的幅相误差最终将在数字波束形成器中加以修正。
[0005]对于宽带数字波束形成技术来说，采用宽带波形可达到高的距离分辨率，有助于目标识别，从而适用子弹道导弹防御系统等场合。实现宽带数字波束形成，一是天线系统和射频组件的频带要相当宽，二是雷达必须具有大的瞬时带宽，三是要进行高速数字信号处
理。通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位，可以实现宽带发射和接收。当然，由于带宽的增大，迫切需要解决宽带数字波束形成存在的巨大的运算量问题。
[0006]大容量高速数据传输是实现数字阵列单元(DAU)与数字处理系统之间的数据交换是必不可少的。有多种办法来实现大容量高速数据传输，例如采用光纤和低压差分传输(LVDS)，传输速率都能达到几百兆。
[0007]LVDS是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号(约350毫伏)，通过一对差分电路板走线或平衡电缆来传输数据。它允许单个信道的传输数据率达到每秒数百兆比特。与LVDS相比，光纤传输具有传输距离远、传输数据率高、延迟低、重量轻、保密性能好等优点，传输数据率可达千兆以上。
[0008]数字阵列雷达的任务控制、时序产生、校正处理、波束控制、目标跟踪和显示处理等工作，需要一个功能强大的处理平台——采用的高性能信号处理机。
[0009]通信部分包括模拟阵列发射机以及数字阵列发射机。不足之处是只具备单一的发射模式。例如只支持单波束发射，发射多波束需要添加设备等。
[0010]随着数字技术的发展，相控阵天线逐渐由模拟转为数字，其中数字阵列发射机是相控阵系统中十分重要的一个部分，目前有非常多的数字波束形成算法，例如LCMV算法，正交投影算法，唯相位算法等，根据波束成形算法会得到一组幅相加权值，根据这组幅相加权值可以对发射机的每一个通道进行调幅和调相。在理想情况下，应用算法生成的加权值就可以得到指向精准的波束，但是实际应用中往往会因为发射机各个发射端口的信号幅度和相位不同步而导致波束指向发生偏差，导致加权值精度不够。因此，发射机的高精度的相位一致性设计对整个发射机的波束指向精度的影响至关重要。现有技术中，模拟发射机调节不便利，并且精度控制不足；模拟阵列发射机和T/R组件在发射波束时，当从发射单波束模式转换到发射多波束模式时，需要在单波束的设备基础上增加多套射频设备和相应的发射阵列才能发射多波束。因此发射系统实现发射模式单一。转换发射模式较复杂，工作量大；现有的相位一致性设计是在硬件层面对每一块DAC芯片做了等长布线处理，虽然可以保证时钟走线到DAC芯片的相位一致性，但是无法保证每片DAC同时开启以及同步发射数据。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术提出了一种可重构的相位一致性阵列发射系统，能够解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。
[0012]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0013]本专利技术的一种可重构的相位一致性阵列发射系统，包括一块主控制板卡和多块发射板卡，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制；其中，每块发射板卡搭载多片DAC芯片，DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块DAC设为主芯片，其余DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，连线保证等长布线。
[0014]其中，通过写寄存器配置各个DAC芯片，将主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，每一片DAC的编程逻辑中都加入一个寄存器作为数据同步调制以及编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制以及编解
码模块中；最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据。
[0015]其中，所述主控板卡包括参数配置模块、自主认知模块和多制式波束形成权值计算模块；具体地，参数配置模块的功能包括将各通道幅度和相位校正值下发到校准模块、载波通道数的选择、各个载波通道调制模式的选择、调制信号带宽的控制、各通道频率的配置、各个DDS的初始相位字的配置和多片DAC的同步配置；自主认知模块通过查询路由信息确定当前工作节点的数量和位置信息，并自主判断发射模式，当需要更改发射模式时，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可重构的相位一致性阵列发射系统，其特征在于，包括一块主控制板卡和多块发射板卡，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制；其中，每块发射板卡搭载多片DAC芯片，DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块DAC设为主芯片，其余DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，连线保证等长布线。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过写寄存器配置各个DAC芯片，将主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，每一片DAC的编程逻辑中都加入一个寄存器作为数据同步调制以及编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制以及编解码模块中；最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述主控板卡包括参数配置模块、自主认知模块和多制式波束形成权值计算模块；具体地，参数配置模块的功能包括将各通道幅度和相位校正值下发到校准模块、载波通道数的选择、各个载波通道调制模式的选择、调制信号带宽的控制、各通道频率的配置、各个DDS的初始相位字的配置和多片DAC的同步配置；自主认知模块通过查询路由信息确定当前工作节点的数量和位置信息，并自主判断发射模式，当需要更改发射模式时，给多制式波束形成权值计算模块发送模式切换指令，从而切换发射模式，并计算相应的波束形成幅度加权值和相位加权值，将幅度加权值送到波束形成模块中的幅度调节模块中，将相位加权值送到波束形成模块中的相位累加字形成模块中；多制式波束形成权值计算模块可实现三种发射模式，分别是单波束发射模式、多波束发射模式和抗截获发射模式。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，发射板卡包括发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块、多路数模转换模块以及同步控制模块；其中，发射数据处理模块是将数字信号进行缓存，并对信号进行组帧操作，本系统设计的帧结构分为三个部分，第一部分用来存储传输的数据，第二部分用来表明帧的功能，第三部分用来表明帧作用的通道，数据组帧后会进行编码；编码模块将发射数据处理模块的数据进行双二进制Turbo码编码，双二进制Turbo码与...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钦，金硕，李海，侯舒娟，武毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：