一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统技术方案

本发明专利技术公开了一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，该网络系统由多个相同的节点单元进行任意拼接，组成蜂窝网型波束合成网络可以任意增加和删除单元。经过单元的任意组合，使得该数字波束合成网络具有通道数量、波束数量可灵活扩展的特性。并且由于采用多个单元进行组合，所以在不同应用场景下都可以采用通用的硬件平台进行组建。同时，采用该方案的数字波束合成网络还具有可靠性高、冗余效率高等特点，适用于数字相控阵快速部署应用。适用于数字相控阵快速部署应用。适用于数字相控阵快速部署应用。

【技术实现步骤摘要】
一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统


[0001]本专利技术涉及一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，该方法主要用于数字波束合成设备设计和研制，可用于通信、雷达或者测控等电子信息类专业领域。

技术介绍

[0002]数字波束合成(Digital Beam Forming，DBF)具有形成波束数量多、波束指向和增益灵活、波束跟踪颗粒度细等优势，是未来大容量通信系统的必然趋势。随着DBF技术在轨应用的逐渐成熟，一系列相关的衍伸技术或者问题亟待解决。随着通信容量需求的提升，数字波束合成系统的处理带宽和波束数量在不断提升。除了面对宽带数字波束合成架构变化带来的处理资源提升问题，更重要的是处理带宽和波束数量的增加导致硬件成几何规模增长，导致硬件处理平台重量、功耗、成本都出现大幅增加。虽然使用更加先进的元器件可以一定程度缓解部分问题，但是传统的DBF实现架构存在本质性的缺陷。因此需要研究一种更加优化的DBF实现架构。
[0003]传统数字波束合成网络的结构采用单级多节点交叉网络，其结构拓扑如图1所示。
[0004]如果要实现M
×
N规模的数字波束合成网络，则网络连接线的规模是M
×
N个。这种连接关系会随着波束数量或者通道数量的增加而成几何倍增加。且网络的组成随着硬件设计的固化而难以实现硬件的灵活扩展，一旦应用场景确定，数字波束合成网络的结构就会确定，无法采用通用的硬件平台对不同应用场景下进行设备快速组建。
[0005]目前，关于数字波束合成相关领域的研究主要集中在使用波束合成网络实现某种算法，关于波束合成网络架构的研究基本没有。查询相关国内外文献针对“波束合成网络”、“架构”、“灵活扩展”等关键词在相关数据库中检索，具体如下。文献1(Sikri Divaydeep，“Scalable Multi Beamforming Topology Supporting An Electronically Steered Array Antenna”，2021；)，提出了一种链式拓扑的DBF结构，该结构支持将多个分支DBF进行串联，通过链式结构将波束进行连接至对外端口。其DBF分支与射频端直接相连，链式串联采用Satixfy公司自研的prime芯片完成。该芯片支持32个波束处理能力，波束带宽1GHz，支持宽带波束合成需求。文献2(昝智明，杜雨洺，余志强等，“28通道收发处理模块设计”，成都信息工程大学学报，2022年第3期)介绍了一种基于FPGA、多通道AD、DA的阵列信号收发处理硬件结构。该设计采用集成式芯片AD9371，通过内置混频器及DDS技术进行射频直采。其优点是降低射频通道体积、提高系统集成度。
[0006]上述文献中文献1优势在于数字波束合成网络的部署仅需要进行DBF分支、链式串联芯片和外部结构的集成。具备通道灵活扩展的能力，适合快速产品部署与交付。缺点是链式结构不适用于卫星应用，可靠性较低，如果链式结构中任意节点损坏会导致整个波束合成网络出现不可控的性能损失或者损坏。
[0007]文献2中使用的设计可以满足低速多通道处理的需求，可以作为灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成节点单元的一种数模转换模块和波束处理模块。无法作用于高速业务的处理需求，需要采用其他更高采样率的AD、DA器件。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于：克服现有技术的不足，提出了一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，可以有效消除传统波束合成网络的本质缺陷。
[0009]本专利技术采用的技术方案为：
[0010]一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，该网络系统采用蜂窝网型结构，包括：波束连线、波束端口、中心节点单元、边缘节点单元；
[0011]每个中心节点单元与3条波束连线连接，每个边缘节点单元与至少1条波束连线和1条波束端口连接；其中波束端口通过在外部与边缘节点单元连接可转换为波束连接，边缘节点单元通过外部连接波束连线可转换为中心节点单元；
[0012]每个中心节点单元和边缘节点单元均对应固定数量的相控阵通道，通过增加节点单元的数量实现通道数量扩展；通过连接不同的波束端口实现波束数量的扩展。
[0013]进一步的，边缘节点单元与中心节点单元结构相同，均为节点单元，通过位于波束合成网络的位置进行区分，如果一个节点单元外部连接3条波束连接则该节点单元即为中心节点单元，否则就是边缘节点单元。
[0014]进一步的，每个节点单元包括时钟同步模块、数模转换模块、波束处理模块、数字接口模块；
[0015]时钟同步模块将输入时钟和同步信号进行同步处理，并给其他模块提供工作时钟和同步信号；
[0016]1路射频参考时钟信号从外部输入时钟同步模块，时钟同步模块与数模转换模块、波束处理模块、数字接口模块之间各有1对lvpecl电平时钟信号和1对lvds电平同步信号，并且与其他节点单元的时钟同步模块之间有3对lvpecl电平时钟信号和3对lvds电平同步信号输入、以及3对lvpecl电平时钟信号和3对lvds电平同步信号输出；时钟同步模块与数字接口模块之间有1组配置信号；
[0017]数模转换模块采用射频直采数字器件进行数模转换；
[0018]数模转换模块与波束处理模块之间有数对GTH接口用于传输数模转换之后的信号，具体数量取决于数模转换器lane的数量以及波束处理模块中FPGA的GTH管脚数量；数模转换模块与相控阵通道之间有多个射频通道接口；
[0019]波束处理模块用于数字波束合成；波束处理模块与数字接口模块之间有数对GTH接口用于传输波束信号；
[0020]数字接口模块用于将波束信号在节点单元之间进行数据交互、并将波束信号与单机外部处理进行数据交互；
[0021]数字接口模块与时钟同步模块之间的配置信号数量取决于时钟同步模块中时钟芯片的选型和数量。进一步的，所述时钟同步模块包括分别对应时钟输入选择和同步信号输入选择的两组输入选择以及三级时钟芯片；
[0022]在主节点单元中，第一级时钟芯片配置为外部feedback的零延迟模式，第二级时钟芯片配置为内部feedback的零延迟模式，第三级为时钟芯片Buff；
[0023]在从节点单元中，第一级时钟芯片配置为外部feedback的零延迟模式，第二级时钟芯片配置为PLL倍频模式，第三级为时钟芯片Buff；
[0024]时钟输入选择将其他节点单元或者射频参考输入的时钟进行选择，选择依据数字
接口模块发送的配置信号，选择完成后将时钟送给第一级时钟芯片；同步输入选择将其他节点单元输入的同步信号进行选择，选择依据数字接口模块发送的配置信号，选择完成后将同步信号送给第二级时钟芯片；
[0025]每一个时钟同步模块与最多3个时钟同步模块相连接，通过配置ID映射的连接方式选择时钟的输入路径。
[0026]5、根据权利要求3所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于：所述数模转换模块包括ADC、DAC；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于，该网络系统采用蜂窝网型结构，包括：波束连线、波束端口、中心节点单元、边缘节点单元；每个中心节点单元与3条波束连线连接，每个边缘节点单元与至少1条波束连线和1条波束端口连接；其中波束端口通过在外部与边缘节点单元连接可转换为波束连接，边缘节点单元通过外部连接波束连线可转换为中心节点单元；每个中心节点单元和边缘节点单元均对应固定数量的相控阵通道，通过增加节点单元的数量实现通道数量扩展；通过连接不同的波束端口实现波束数量的扩展。2.根据权利要求1所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于：边缘节点单元与中心节点单元结构相同，均为节点单元，通过位于波束合成网络的位置进行区分，如果一个节点单元外部连接3条波束连接则该节点单元即为中心节点单元，否则就是边缘节点单元。3.根据权利要求2所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于：每个节点单元包括时钟同步模块、数模转换模块、波束处理模块、数字接口模块；时钟同步模块将输入时钟和同步信号进行同步处理，并给其他模块提供工作时钟和同步信号；1路射频参考时钟信号从外部输入时钟同步模块，时钟同步模块与数模转换模块、波束处理模块、数字接口模块之间各有1对lvpecl电平时钟信号和1对lvds电平同步信号，并且与其他节点单元的时钟同步模块之间有3对lvpecl电平时钟信号和3对lvds电平同步信号输入、以及3对lvpecl电平时钟信号和3对lvds电平同步信号输出；时钟同步模块与数字接口模块之间有1组配置信号；数模转换模块采用射频直采数字器件进行数模转换；数模转换模块与波束处理模块之间有数对GTH接口用于传输数模转换之后的信号，具体数量取决于数模转换器lane的数量以及波束处理模块中FPGA的GTH管脚数量；数模转换模块与相控阵通道之间有多个射频通道接口；波束处理模块用于数字波束合成；波束处理模块与数字接口模块之间有数对GTH接口用于传输波束信号；数字接口模块用于将波束信号在节点单元之间进行数据交互、并将波束信号与单机外部处理进行数据交互；数字接口模块与时钟同步模块之间的配置信号数量取决于时钟同步模块中时钟芯片的选型和数量。4.根据权利要求3所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于：所述时钟同步模块包括分别对应时钟输入选择和同步信号输入选择的两组输入选择以及三级时钟芯片；在主节点单元中，第一级时钟芯片配置为外部feedback的零延迟模式，第二级时钟芯片配置为内部feedback的零延迟模式，第三级为时钟芯片Buff；在从节点单元中，第一级时钟芯片配置为外部feedback的零延迟模式，第二级时钟芯片配置为PLL倍频模式，第三级为时钟芯片Buff；时钟输入选择将其他节点单元或者射频参考输入的时钟进行选择，选择依据数字接口模块发送的配置信号，选择完成后将时钟送给第一级时钟芯片；同步输入选择将其他节点
单元输入的同步信号进行选择，选择依据数字接口模块发送的配置信号，选择完成后将同步信号送给第二级时钟芯片；每一个时钟同步模块与最多3个时钟同步模块相连接，通过配置ID映射的连接方式选择时钟的输入路径。5.根据权利要求3所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网络系统，其特征在于：所述数模转换模块包括ADC、DAC；ADC、DAC的sysref频率与同步信号之间是2的幂次倍关系；ADC、DAC的采样率与同步信号之间是2的幂次倍关系；数模转换模块与波束处理模块之间采用高速GTH/GTY/GTZ接口进行数据通信，采用JESD204B/C接口和JESD204B/C子类1同步接口协议。6.根据权利要求5所述的一种灵活扩展的蜂窝网型数字波束合成网...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋研东，孟正科，王泽锟，翟盛华，贺宏洲，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：