本发明专利技术公开了一种软件定义的相控阵天线波束赋形系统及方法，属于电子装备中的有源相控阵领域，包括：协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块；协议处理模块，用于完成与主机双向数据通信，对接收数据解析和发送数据组帧，解析后的数据送入计算模块，以及用于接收监测模块采集到的相控阵天线工作状态参数并完成组帧和发送；计算模块，用于完成波束赋形所需的幅度和相位加权值的计算；控制模块，用于对射频前端组件的幅度、相位和开关硬件地控制；检测模块，用于采集相控阵天线的工作状态数据，并将采集到的数据送入协议处理模块完成组帧和上报。本发明专利技术具有FPGA高效快速实现、算法复杂度低、参数可配置的模块化设计和易于工程实现的优点。
1、相控阵天线由多个天线单元组成，通过对每个天线单元激励幅度和激励相位调整来改变相控阵天线的辐射函数，实现天线波束赋形。相控阵天线于传统的抛物面天线相比，具有波束的快速扫描、波束形状的捷变、空间功率合成、与平台的共形设计、空间滤波和空间定向等优点，广泛应用在雷达、通信、侦察、对抗、识别等电子装备中。
2、目前，大多数相控阵天线的波束赋形设计是依据项目指标要求，采用单片机、dsp、cpu或fpga等芯片进行定制化开发，这种开发模式存在研制周期长、资源耗费多、项目定制化等缺点。因此，必须寻找一种针对相控阵天线通用、高效的波束赋形方案，以保证整个相控阵天线系统的快速交付和准确工作。
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种软件定义的相控阵天线波束赋形系统及方法，该方案有效的由软件定义实现相控阵波束赋形，具有fpga高效快速实现、算法复杂度低、参数可配置的模块化设计和易于工程实现的优点。
4、所述协议处理模块，用于完成与主机双向数据通信，对接收数据解析和发送数据组帧，解析后的数据送入计算模块，以及用于接收监测模块采集到的相控阵天线工作状态参数并完成组帧和发送；
>5、所述计算模块，用于根据协议解析模块送入的方位和俯仰值、幅度加权模式和相控阵天线配置参数，完成波束赋形所需的幅度和相位加权值的计算；6、所述控制模块，用于根据计算模块送出的幅度和相位加权值，并根据可配参数完成对射频前端组件的幅度、相位和开关硬件地控制；
7、所述检测模块，用于采集相控阵天线的工作状态数据，并将采集到的数据送入协议处理模块完成组帧和上报。
8、进一步地，所述协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块采用fpga实现。
9、进一步地，所述协议处理模块能适应不同波特率rs422接口的主机。
10、进一步地，所述工作状态数据包括锁定指示、组件温度和发射功率大小。
11、进一步地，所述协议处理模块包括uart协议解析模块、帧格式解析模块、数据存储ram模块、数据校验模块、串并转换模块和帧结构分发模块；
12、uart协议解析模块根据配置的波特率大小和奇偶校验参数，将串行的比特流转换成字节，帧格式解析模块根据配置的帧头、帧尾和转义字符定义将uart协议解析的字节进行合法性检查，检查通过后送入数据存储ram模块，数据存储ram模块根据可配置的深度进行ram构造；当接收完完整的一包数据帧后，利用数据校验模块对整包数据进行校验，在整包数据校验正确后，以脉冲触发、使能数据长度的方式送入数据帧结构分发模块，所述帧结构分发模块采用状态机设计，根据命令字的定义进入不同的工作状态，然后分发到相应的工作流程。
13、进一步地，所述计算模块包括正余弦查表模块、第一参数化设置模块、第二参数化设置模块和幅相权值存储模块；在得到协议处理模块送入的方位和俯仰指向参数或根据参数化配置得到的默认指向参数后，利用正余弦查表模块根据参数大小进行正余弦查表；通过第一参数化设置模块设置相控阵天线的布阵结构、阵元间距、工作频率、初相和移相器误差参数，结合正余弦的查表值，计算出每个阵元的相位值；通过第二参数化设置模块设置幅度加权采用的模式来控制波束的形状和低副瓣指标要求；计算完成后的幅度和相位相加权值送入幅相权值存储模块进行存储，并以脉冲的方式通知控制模块进行数据提取和更新输出。
14、进一步地，所述控制模块包括硬件接口类型参数化模块、接口选择模块和输出接口选择模块，在接收计算模块的计算结果值后，根据具体项目设计的硬件指标，利用硬件接口类型参数化模块来参数化硬件接口类型，利用接口选择模块选择离散接口、i2c接口或spi接口；当选择i2c接口时，进一步参数化主从器件地址、读写使能、传输数据长度和工作频率；当选择spi接口时，进一步参数化操作命令字、读写使能、传输数据长度和工作频率；输出接口选择模块根据设置的工作参数将射频前端的控制数据发送出去。
15、进一步地，所述数据存储ram模块实际使用深度不超过4096字节，位宽设置是8位或16位。
16、进一步地，所述数据校验模块，校验的模式支持crc校验和奇偶校验，crc校验的多项式参数通过外部设置。
17、一种软件定义的相控阵天线波束赋形方法，其特征在于，基于如上任一项所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，包括如下步骤：
18、s1，采用fpga实现协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块，实现对射频前端控制、系统工作状态监测和主机通信；
19、s2，利用协议处理模块接收主机通过接口发送的串行数据，串并转换后通过帧格式检查，变化为合法的字节信号，由数据分发状态机根据帧结构定义跳转到各个功能单元执行后续工作流程；
20、s3，利用计算模块根据相控阵天线参数和波束指向和形状要求，计算幅度和相位加权值，计算完成后的结果送入控制模块；
21、s4，利用控制模块根据具体硬件设计指标，将计算模块的计算结果进行量化，匹配于设计的硬件接口和调幅调向精度要求；
22、s5，利用监测模块实时监测相控阵天线的工作状况，将采集到的工作状态数据送入协议处理模块，由协议处理模块完成发送数据组帧，并向主机上报相控阵天线的实时工作状态；数据上报过程是数据接收过程的逆过程，上报过程使用的功能模块和接收过程的功能模块复用。
23、本专利技术的有益效果包括：
24、(1)本专利技术通用性强，适应于任意阵列的敏捷波束赋形。
25、(2)本专利技术采用软件定义的功能模块化设计，易于工程快速实现和升级。
26、(3)本专利技术适应于任意布阵方式的相控阵天线敏捷波束赋形。
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【技术保护点】
1.一种软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，包括协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块；
2.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块采用FPGA实现。
3.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块能适应不同波特率RS422接口的主机。
4.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述工作状态数据包括锁定指示、组件温度和发射功率大小。
5.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块包括UART协议解析模块、帧格式解析模块、数据存储RAM模块、数据校验模块、串并转换模块和帧结构分发模块；
6.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述计算模块包括正余弦查表模块、第一参数化设置模块、第二参数化设置模块和幅相权值存储模块；在得到协议处理模块送入的方位和俯仰指向参数或根据参数化配置得到的默认指向参数后，利用正余弦查表模块根据参数大小进行正余弦查表；通过第一参数化设置模块设置相控阵天线的布阵结构、阵元间距、工作频率、初相和移相器误差参数，结合正余弦的查表值，计算出每个阵元的相位值；通过第二参数化设置模块设置幅度加权采用的模式来控制波束的形状和低副瓣指标要求；计算完成后的幅度和相位相加权值送入幅相权值存储模块进行存储，并以脉冲的方式通知控制模块进行数据提取和更新输出。
7.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述控制模块包括硬件接口类型参数化模块、接口选择模块和输出接口选择模块，在接收计算模块的计算结果值后，根据具体项目设计的硬件指标，利用硬件接口类型参数化模块来参数化硬件接口类型，利用接口选择模块选择离散接口、I2C接口或SPI接口；当选择I2C接口时，进一步参数化主从器件地址、读写使能、传输数据长度和工作频率；当选择SPI接口时，进一步参数化操作命令字、读写使能、传输数据长度和工作频率；输出接口选择模块根据设置的工作参数将射频前端的控制数据发送出去。
8.根据权利要求5所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述数据存储RAM模块实际使用深度不超过4096字节，位宽设置是8位或16位。
9.根据权利要求5所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述数据校验模块，校验的模式支持CRC校验和奇偶校验，CRC校验的多项式参数通过外部设置。
10.一种软件定义的相控阵天线波束赋形方法，其特征在于，基于如权利要求1～9中任一项所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，包括如下步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，包括协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块；
2.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块、计算模块、控制模块和监测模块采用fpga实现。
3.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块能适应不同波特率rs422接口的主机。
4.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述工作状态数据包括锁定指示、组件温度和发射功率大小。
5.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述协议处理模块包括uart协议解析模块、帧格式解析模块、数据存储ram模块、数据校验模块、串并转换模块和帧结构分发模块；
6.根据权利要求1所述的软件定义的相控阵天线波束赋形系统，其特征在于，所述计算模块包括正余弦查表模块、第一参数化设置模块、第二参数化设置模块和幅相权值存储模块；在得到协议处理模块送入的方位和俯仰指向参数或根据参数化配置得到的默认指向参数后，利用正余弦查表模块根据参数大小进行正余弦查表；通过第一参数化设置模块设置相控阵天线的布阵结构、阵元间距、工作频率、初相和移相器误差参数，结合正余弦的查表值，计算出每个阵元的相位值；通过第二参数化设置模块设...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘进军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：
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