二次下变频实现宽带数字波束形成

[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公布说明书[11]公开号CN 101304404A [43]公开日2008年11月12日[21]申请号200810062633.X [22]申请日2008.06.27[21]申请号200810062633.X[71]申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市浙大路38号[72]发明人徐文 陈其璋 夏梦璐 [74]专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司代理人张法高[51]Int.CI.H04L 27/38 (2006.01)H04L 25/03 (2006.01)H04B 7/06 (2006.01)H04B 7/08 (2006.01)H01Q 21/00 (2006.01)权利要求书 4 页 说明书 11 页 附图 6 页[54]发明名称一种宽带时域数字波束形成方法[57]摘要本发明公开了一种宽带时域数字波束形成方法。

该方法包括时分复用带通采样、正交解调、低通滤波、内插延时与相位旋转以及波束求和等步骤。

本发明的波束形成方法着重于用单个采样电路对多路带通信号进行时分复用采样，用FIR滤波器一次性完成与信号匹配的低通滤波、内插延时和相位旋转，实现真正的延时波束形成。

在滤波的执行方式上，公开了一种级联结构的多通道FIR滤波器，同一通道信号的滤波在不同的子滤波模块中级联完成，不同通道信号共享同一滤波模块，滤波输出的同时完成样本抽取，适合于在ASIC或FPGA中实现，较传统滤波器执行节省大量逻辑资源。

200810062633.X权 利 要 求 书第1/4页1.一种宽带时域数字波束形成方法，其特征在于包括如下步骤：1)对P×N路接收阵元的带通信号x i(t)＝I i(t)cos(ωc t)-Q i(t)sin(ωc t)进行前置放大和抗混叠滤波等信号调理，其中I i(t)和Q i(t)分别为带通信号x i(t)的基带同相和正交信号，P，N＝1，2，3…；2)将每N路信号基于时分复用的法则混叠成一路信号，采用P个采样电路，每个采样电路对经过调理后的N路信号进行时分复用带通采样，使得每路信号的采样输出为{I i，-Q i，-I i，Q i，I i…}或{I i，Q i，-I i，-Q i，I i…}序列，各采样电路的输出形成P组数据流；3)对步骤2)输出的序列进行周期性符号反转，使之补偿成为{I i，Q i，I i，Q i，I i…}序列；4)对于选取的波束方向，确定各路信号波前对齐所需要的延时；5)把从步骤3)输出的包含N路信号的每一组数据流分别输入到单个级联结构多通道F I R滤波器，一次性完成与信号匹配的低通滤波、内插延时和相位旋转，输出各路信号经延时补偿至波前对齐的基带复包络同相和正交分量，同时完成样本抽取，滤波器系数由信号匹配低通滤波系数、对应信号同相和正交分量的两组内插系数和以及相位旋转系数合成，内插系数由补零内插波束形成方法中获取各路信号对应延时内插点的低通滤波系数确定，产生各路信号延时至波前对齐的基带同相和正交输出的滤波系数v i T、w i T以及相应的输出I Di(nT O)、Q Di(nT O)分别为：其中x i是第i路信号序列，τi是该路信号的延时，T O是复包络信号的输出采样周期；6)对从步骤5)中P个滤波器输出的经过延时补偿至波前对齐的P×N路基带复包络信号进行波束求和，序列输出基带上选定方向波束形成的结果；7)对所有选定的波束方向执行步骤4)到步骤6)，序列输出基带上各方向波束形成的结果。

宽带恒定束宽数字波束形成及实现的开题报告一、研究背景数字波束形成（DBF）是一种基于数字信号处理（DSP）的直接数字化信号，参照天线阵列（AA）表面的相位和幅度信息，计算出相位和幅度所需的数字信号，将其传送到各个订货单臂膀，最终形成所需的波束。

该技术可以应用于雷达、通信、遥感等领域，能够实现高精度的目标探测和信号传输。

宽带恒定束形成技术是在数字波束形成的基础上发展而来，通过优化波束形成算法和实现硬件性能，实现带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。

二、研究目的本课题旨在研究宽带恒定束形成技术，探究数字波束形成算法优化和硬件实现方案，实现带宽范围内的恒定束形成，提高信号传输和目标探测的精度。

三、研究内容1. 数字波束形成算法研究针对数字波束形成中存在的问题，结合实际应用需求，研究优化数字波束形成算法，提高波束形成的精度和稳定性。

2. 宽带恒定束形成算法研究在数字波束形成基础上，考虑传输带宽的影响，研究宽带恒定束形成算法，实现在带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。

3. 硬件实现方案设计基于研究结果，设计数字波束形成和宽带恒定束形成的硬件实现方案，包括天线阵列、数字信号处理器（DSP）等。

四、研究意义宽带恒定束形成技术可以应用于多个领域，如通信、雷达、遥感等，能够提高信号传输和目标探测的精度。

该研究对于推动各个领域的高精度数据应用和技术发展具有重要意义。

五、研究方法本课题采用文献研究法、数学建模法、实验研究法等多种研究方法，通过对数字波束形成算法的优化和宽带恒定束形成算法的研究，结合硬件实现方案的设计和实验验证，验证该技术的有效性和应用价值。

六、研究进度安排1. 前期调研和文献研究（已完成）2. 数字波束形成算法研究和优化（计划完成时间：1-3个月）3. 宽带恒定束形成算法研究（计划完成时间：4-6个月）4. 硬件实现方案设计和实验验证（计划完成时间：7-10个月）7. 预期成果1. 数字波束形成和宽带恒定束形成算法优化结果和相关研究论文发表。

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２２．０１．０２２引用格式：顾明超，李春晓，边疆，等．基于ＦＰＧＡ的超宽带数字波束形成技术［Ｊ］．无线电通信技术，２０２２，４８（１）：１７３－１７９．［ＧＵＭｉｎｇｃｈａｏ，ＬＩＣｈｕｎｘｉａｏ，ＢＩＡＮＪｉａｎｇ，ｅｔａｌ．ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＵＷＢＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍ⁃ＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＦＰＧＡ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０２２，４８（１）：１７３－１７９．］基于ＦＰＧＡ的超宽带数字波束形成技术顾明超１，２，李春晓１，２，边㊀疆１，２，张汉卿１，２（１．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄０５００８１；２．河北省电磁频谱认知与管控重点实验室，河北石家庄０５００８１）摘㊀要：随着高速ＡＤＣ和高性能ＦＰＧＡ芯片工艺技术的飞速发展，芯片的小型化和集成化促进了电子战系统瞬时覆盖带宽由几十兆赫兹上升到几百兆赫兹甚至到吉赫兹量级，属于超宽带范畴㊂为了获得更远的探测距离性能，具备同时对多个辐射源侦测的能力，需要瞬时形成多个数字波束对目标区域密集覆盖㊂针对宽带时域校准与合成处理资源占用多㊁形成波束少的缺点，在ＦＰＧＡ中采用整数点移位与相位校准滤波方法实现了通道校准，通过整数点移位与分数时延滤波处理降低了合成滤波器的阶数㊂对瞬时带宽内多个等间隔单音信号的波束指向进行仿真，通过波束图验证了宽带合成各频率指向的一致性㊂提出了一种处理实时㊁资源占用少的频域处理方法，结合ＦＰＧＡ芯片特性进行了硬件化实现，对合成前后频谱进行了对比，验证了合成增益㊂关键词：阵列信号处理；ＦＰＧＡ；超宽带数字多波束形成；电子侦察中图分类号：ＴＮ９１１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１１４（２０２２）０１－０１７３－０７ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＵＷＢＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍ⁃ＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＦＰＧＡＧＵＭｉｎｇｃｈａｏ１，２，ＬＩＣｈｕｎｘｉａｏ１，２，ＢＩＡＮＪｉａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＨａｎｑｉｎｇ１，２（１．Ｔｈｅ５４ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００８１，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＳｐｅｃｔｒｕｍＣｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＡＤＣａｎｄｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＰＧＡ，ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｆｏｒｃｈｉｐｓｍａｋｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｗａｒｆａｒｅｓｙｓｔｅｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍｔｅｎｓｏｆＭＨｚｔｏｈｕｎｄｒｅｄｓｏｒｅｖｅｎｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｆＭＨｚ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｔｏｕｌｔｒａ⁃ｗｉｄｅｂａｎｄｃａｔｅｇｏｒｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ／ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｒａｄｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｄｉｇｉｔａｌｂｅａｍｓｎｅｅｄｔｏｂｅｆｏｒｍｅｄｔｏｃｏｖｅｒｔａｒｇｅｔａｒｅａ．Ｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＰＧＡｈａｓａｂｕｎｄａｎｔｌｏｇｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｓａｎｄｓｔｏｒａｇｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｎ⁃ｃｈｉｐ，ｗｈｉｃｈｉｓｈｉｇｈｌｙｓｕｉｔｂｌｅｆｏｒｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ⁃ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｉｎａｒｒａｙｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｏｃｃｕｐａｎｃｙｒａｔｅｏｆｗｉｄｅｂａｎｄｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｆｏｒｍｍｏｒｅｂｅａｍｓ，ｉｎｔｅｇｅｒｐｏｉｎｔｓｈｉｆｔａｎｄｐｈａｓｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｈａｎｎｅｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｎｔｅｇｅｒｐｏｉｎｔｓｈｉｆｔａｎｄｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｅｌａｙｆｉｌｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｆｉｌｔｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎＦＰＧＡ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｅｑｕａｌｌｙ⁃ｓｐａｃｅｄｔｏｎｅｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｅａｃｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｄｅｂａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｅａｍｐａｔｔｅｒｎ．Ａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｒｏ⁃ｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｅｓｓｒｅｓｏｕｒｃｅｏｃｃｕｐａｎｃｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＦＰＧＡｃｈｉｐ．ＴｈｅｎｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅＤＢＦｉｓｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎｉｎｇｇａｉｎｃａｎｂｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｒａｙｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ＵＷＢｍｕｌｔｉｄｉｇｉｔａｌｂｅａｍ⁃ｆｏｒｍｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ收稿日期：２０２１－１０－２０基金项目：国家科技计划专项经费（２０１６ＱＹ１０Ｗ１８０２）ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｄｓｏｆＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｌａｎ（２０１６ＱＹ１０Ｗ１８０２）０㊀引言相控阵技术是近年发展迅速的前沿热点技术之一，早先应用于雷达探测技术，多为窄带阵列处理体制［１］，典型带宽值为几兆赫兹至几十兆赫兹㊂随着技术推广，目前已经逐步应用到电子对抗系统中，瞬时带宽也要求到几百兆赫兹甚至更高㊂２０２０年１２月中国工程院发布的信息与电子工程领域技术前沿，相控阵技术在该领域１０项前沿工程技术中占据两席，足以说明相控阵体制的技术先进性，对其关键技术工程化研究应用具有一定紧迫性，本文主要介绍其关键技术之一的超宽带数字波束形成技术的原理与其在ＦＰＧＡ中实现过程㊂相控阵技术从有源放大和波控单元的位置区分，可分为无源和有源相控阵；从波束形成方式区分，可分为模拟波束合成㊁数字波束合成以及模数混合波束合成；从技术发展角度看，相控阵从无源发展到有源，从模拟发展到数字架构㊂数字波束形成是相控阵领域中的一个关键技术，其本质是一种数字化空域滤波，增强特定方位入射到阵列的信号，提高信噪比，抑制其他方向的干扰与噪声，为之后信号处理提供必要条件㊂在电子对抗领域，若能形成多个指向可变的宽带数字波束密集覆盖敏感区域，通过多波束并行侦察方式，势必能提高电子侦察系统的信号截获概率㊂电子对抗中对宽带没有明确定义，一般认为信号带宽与中心频率之比小于１％时，为窄带信号；大于１％小于２５％时，为宽带信号；若带宽与中心频率的比值大于２５％，为超宽带（ＵＷＢ）信号［２］㊂在电子对抗领域，由于为非合作接收方式，不明确信号调制类型和带宽以及持续时间，需通过高速ＡＤＣ采集瞬时覆盖目标频段，再通过宽带侦察和信道化检测等措施对信号参数进行测量㊂目前瞬时带宽典型应用范围为３００ＭＨｚ及以下，瞬时覆盖５００ＭＨｚ到ＧＨｚ带宽的需求也将日益增多［３］㊂Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ⁃７系列的大容量ＦＰＧＡ是一类性价比高且应用较广的芯片㊂这个系列ＦＰＧＡ有数量众多的逻辑／存储资源以及较为丰富的乘法器和数量众多的高速串行总线接口，非常适合于超宽带数字多波束的技术验证㊂１㊀数字波束形成实现原理１．１㊀数字波束合成原理本文主要讨论信号接收波束形成，不涉及发射波束㊂早期的波束合成往往采用模拟移相的方式对多路模拟信号进行移相后合路，由于模拟移相器在宽频带中具有 非色散 特性，对覆盖频带中各频点移相值一样，应用于窄带信号的合成效果较为理想㊂但是对于电子侦察而言，瞬时覆盖带宽高达几百ＭＨｚ甚至ＧＨｚ，由于天线孔径效应的存在，导致宽带波束方向与理想方向产生偏差，瞬时带宽越大，天线的孔径效应越明显［４］㊂模拟信号移相合成方式已经不能满足宽带合成需求，必须采用宽带数字校准合成技术实现对多阵元宽带数据流的处理㊂在阵列信号接收过程中，辐射源发出的目标信号在空间传输后到达接收阵列天线的各阵元，由于天线阵元的位置差异导致其接收信号的波程差异，因此各阵元的输出信号存在一定的相对时间延迟㊂对各阵元接收信号的时延做出补偿，让经过补偿后的各个输出信号在所期望的空间方向上幅度为同向相加，则此时可以最大化指定方向的波束输出信号幅度，并且使其他方向上的波束幅值相应变小，由此对非期望方向上的无用信号起到了抑制作用，用时域滤波处理方式达到了空域滤波的效果，这也是数字波束合成的一般性原理㊂下面以均匀线阵㊁单音信号输入为例进行说明，相邻两个阵元间隔为ｄ，如图１所示㊂图１㊀信号入射均匀线阵示意图Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｇｎａｌｉｎｃｉｄｅｎｔｕｎｉｆｏｒｍｌｉｎｅａｒａｒｒａｙ假设阵元１为相位参考，来波方向与法线方向夹角为θ，ｃ为光速，各阵元的时延表达式为［５］：τｉ＝ｄ（ｉ－１）ｓｉｎθｃ，ｉ＝１，２，．．．Ｎ㊂（１）则各阵元相位差如式（２）所示：Δφｉ＝２πｆｃτｉ＝２πｆｃｄ（ｉ－１）ｓｉｎθｃ＝２πｄ（ｉ－１）ｓｉｎθλ，ｉ＝１，２，．．．Ｎ㊂（２）若采样率为ｆｓ，则整数时延就近取整后，整数延迟值计算如式（３）所示：Ｌｉｎｔ＝ｒｏｕｎｄ（τｉ㊃ｆｓ）㊂（３）分数时延计算如式（４）所示：Ｌｆｒａｃｔｉｏｎ＝τｉ㊃ｆｓ－ｒｏｕｎｄ（τｉ㊃ｆｓ）㊂（４）式（１） （４）的推导隐含了一个重要前提，即各阵元接收到数字化过程的通道一致性是理想的，但实际情况并非如此，需要校准源产生扫频或梳状谱信号作为阵列接收模块的输入激励，对通道一致性进行校准，再按上述分析过程进行合成处理㊂通道间不一致包括在法线方向时，各阵元接收信号时延不一致和通道间非线性相位差异，时延不一致可分解为整数采样点和分数点延迟，整数采样点可通过采样点校准在ＦＰＧＡ中对数据缓存或移位寄存器实现，分数点延迟和非线性相位差异可以与波束合成功能的分数点延迟功能进行合并，通过频域实现，这种组合实现方式有利于降低硬件实现的复杂度和资源消耗㊂１．２㊀宽带数字波束合成实现过程一般阵列处理系统包含阵列天线㊁模拟信道㊁数字处理和软件控制席位四部分㊂波束控制由软件席位控制模拟信道和数字部分电路完成㊂简化框图如图２所示㊂图２㊀宽带数字波束形成原理图Ｆｉｇ．２㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｄｅ⁃ｂａｎｄＤＢＦ在图２中，若ＡＤＣ采样率足够高，采用射频直接采样体制接收覆盖目标频段，各阵元接收的多通道射频信号经过滤波放大后进入高速ＡＤＣ完成模数转换，通过实采样校准和数字延迟滤波完成波束合成功能，或者实采样信号通过宽带变频滤波后形成多相结构的零中频数据流，再经过宽带复校准和数字复合成滤波计算后，完成宽带数字波束合成功能㊂宽带侦察系统中，除了要求形成宽带波束，往往还采用宽带侦察引导窄带测向的方式，需要形成多个窄带波束进行控守，只需按照阵列模型和频点计算合成系数，再与按中心频点计算的通道间相位校准系数相乘，通过窄带滤波后的乘加运算完成信号合成功能㊂２㊀宽带数字波束合成实现过程波束合成的实现可分为时域法和频域法，无论哪种方法，预处理包含的采样同步㊁采样点校准都是必须的，都是ＤＳＰ通过回读ＦＰＧＡ内同步存储的多路数据，经过校准和合成算法，将计算后系数写入ＦＰＧＡ中［６］进行后续运算㊂时域法和频域法均可实现宽带数字波束，处理方法的选择主要取决于波束数量㊁硬件资源消耗与系统成本㊂２．１㊀时域合成法宽带波束形成时域实现常见的有ＦＩＲ滤波器实现㊁基于Ｆａｒｒｏｗ的分数点延时法和微波光子技术的时延方法㊂Ｆａｒｒｏｗ结构［７］可实现任意分数点延迟，延迟改变只需更改输入参数即可，延迟精度取决于相数和阶数，对宽带多相数据而言，乘加器使用数量较大，工程化优势不明显㊂微波光子技术［８］通过光延迟实现真延时功能，延迟精度受环境因素影响较大，目前技术成熟度暂不满足工程化要求㊂宽带时域波束合成最常见做法是通过ＦＩＲ滤波器组实现的，利用ＦＩＲ滤波器实现各阵元不同延时后的加权㊂其设计思路是：若需在期望方向形成指向波束，选择带宽内一定数量频点来进行波束设计，得出在这些特定频点上的加权值，也就是得到每个阵元的幅度权与相位权㊂设计一组滤波器，使每个滤波器的幅相响应分别在这些频点上，与各阵元的幅度加权和相位加权近似相同㊂换言之，就是设计一组ＦＩＲ滤波器，用其幅频响应和相频响应分别拟合各阵元的幅度权与相位权㊂时域合成框图如图３所示㊂图３㊀时域合成框图Ｆｉｇ．３㊀ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｉｍｅｄｏｍａｉｎＤＢＦ模拟信号数字化后，通过ＦＩＲ滤波器加权后相加，形成波束输出㊂在不考虑通道一致的情况下，为降低ＦＩＲ滤波器阶数，只需要滤波器实现分数点延迟，整数点延迟由ＦＰＧＡ内部缓存或移位寄存器完成㊂理想的分数时延滤波器的冲激响应可表示为：ｈｉｄ（ｎ）＝ｓｉｎｃ（ｎ－Ｄ）㊂（５）当延迟不是正整数时，式（５）表示的滤波器是非因果的，若直接使用截断后的ｓｉｎｃ函数来设计分数时延滤波器，其性能往往是不可接受的㊂为降低吉布斯效应的影响，时域加窗是常用的方法㊂加窗后的冲激响应如式（６）所示：ｈ（ｎ）＝Ｗ（ｎ－Ｄ）ｓｉｎｃ（ｎ－Ｄ），０ɤｎɤＮ０，其他{，（６）其中，理想冲激响应ｈｉｄ（ｎ）被窗函数截断，窗长Ｌ＝Ｎ＋１㊂窗函数可选择海明窗㊁汉宁窗以及切比雪夫窗等㊂窗函数法计算量小㊁实时性高，但硬件资源受限导致滤波器长度较短时，该方法难以控制幅度响应误差㊂若波束指向变化时，需不断加载更新滤波器系数，造成波束数据间断，影响对目标信号接收效果㊂设计举例：２４阵元线阵，阵元间距０．１ｍ，采样率１６００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，瞬时覆盖５００ＭＨｚ带宽，要求形成３个波束，波束覆盖范围ʃ３０ʎ㊂校准滤波器系数６４阶，时延滤波器系数３２阶，满足设计要求㊂单片ＦＰＧＡ接收２路采样数据，８相２００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ结构，若采用实信号校准合成方法，校准滤波消耗乘法器为６４ˑ８ˑ２＝１０２４，合成滤波消耗乘法器为３２ˑ８ˑ２ˑ３＝１５３６，合计２５６０个乘法器，采用ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ可实现预期功能，但只能形成１个波束㊂由此可见，宽带时域处理方法资源消耗多，尤其是数据为多相结构时，资源按相数线性增长㊂２．２㊀频域合成法时域合成处理占用ＦＰＧＡ内部资源较多，因此必须转换思路，选择一种处理实时资源消耗少的校准合成方法支撑宽带阵列处理数字多波束应用需求㊂时域校准合成实质为数据流与时域系数卷积运算，需通过并行乘加实现㊂若将运算变换至频域处理，校准合成系数先进行卷积运算，补零后通过ＦＦＴ运算变换至频域，频域系数与频域数据串行相乘，各路相加后再ＩＦＦＴ变换至时域，形成ＤＢＦ数据流㊂ＦＦＴ和ＩＦＦＴ消耗乘法器和存储资源较少，乘法器的使用数量较时域大为减少㊂频域合成ＦＰＧＡ实现如图４所示㊂图４㊀频域合成ＦＰＧＡ实现框图Ｆｉｇ．４㊀ＦＰＧＡｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎＤＢＦ图４中，通过ＪＥＳＤ２０４Ｂ总线接收的采样数据经过多相滤波形成四相零中频数据流，对多相数据流按Ｎ点等间隔进行划分，数据块顺序与ＦＰＧＡ中４路处理资源对应，经过数据缓存并串转换后进行ＦＦＴ运算，并与ＤＳＰ下发的频域系数相乘后与其他数据通道的对应支路求和，ＩＦＦＴ变换至时域，串并转换后，按照时间对应关系重新排列数据，形成连续的波束合成时域数据流㊂３㊀ＦＰＧＡ实现验证在超宽带波束合成ＦＰＧＡ实现过程中，遇到了多个技术实现问题㊂例如频率分辨率与自校源步进不匹配，ＦＰＧＡ处理时钟高造成时序收敛困难，数据传输量过大导致形成波束数量减少，频域合成后的时域数据断数，校准合成一体设计降低资源量，提升波束扫描连续性等ＦＰＧＡ实现问题㊂３．１㊀采样率变换提升处理与传输在工程应用中，校准时理想状态是让校准频点精确落在整数谱线上㊂自校源产生的频率步进最小为５００ｋＨｚ，若按采样率进行计算，采样率８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，ＦＦＴ点数２５６，此时频率步进为３．１２５ＭＨｚ，不能与自校源进行适配㊂在ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ中，当ＦＰＧＡ资源占用较多时，时钟速率运行至２００ＭＨｚ会造成时序收敛的困难㊂采样率为８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，一个波束的数据量为２５．６Ｇｂｉｔ／ｓ，再加之６４／６６ｂｉｔ编码效率以及９５％的传输效率，数据量为２７．７９Ｇｂｉｔ／ｓ，需通过一组４ＸＡｕｒｏｒａ总线才能将一个波束传出，造成ＦＰＧＡ高速串行接口使用过多，减少了波束数据的传输，从而限制了波束形成数量㊂为了解决以上三点问题，设计了基于多相结构的采样率变换模块，采样率由８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ变换至６４０Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，校准的频率步进由３．１２５ＭＨｚ变为６４０／２５６＝２．５ＭＨｚ，适配了自校源频率步进特性㊂通过采样率变换后，ＦＰＧＡ内部逻辑处理时钟为６４０／４＝１６０ＭＨｚ，有效降低了ＦＰＧＡ电路时序收敛的难度，降低了ＦＰＧＡ技术开发难度㊂通过变采样率运算后，ＦＰＧＡ内部形成一个波束数据量为２２．２３２Ｇｂｉｔ／ｓ，采用２ＸＡｕｒｏｒａ（线速率为１２．５Ｇｂｉｔ／Ｌａｎｅ）便可完成波束数据传输，提高了产生极传输的数量㊂３．２㊀ＩＦＦＴ变换后波束数据不连续在频域处理时，通过仿真发现ＩＦＦＴ后的波束数据存在不连续现象，即当进行ＩＦＦＴ变换时，存在瞬态信息丢失问题㊂因此频域处理必须消除两次ＩＦＦＴ交界处相位不连续对合成造成的影响［９］㊂结合ＦＰＧＡ实现特点，采用１／２交叠运算的办法对相邻两次ＩＦＦＴ后时域数据交叠处进行去重处理㊂以单音信号为输入，通过仿真对比，频域ＦＦＴ处理不作１／２交叠与作１／２交叠，输出时域数据的对比㊂光滑曲线是经过１／２交叠后的曲线，三角符号曲线代表未经过１／２交叠的曲线，如图５所示㊂图５㊀ＦＦＴ计算１／２交叠对比图Ｆｉｇ．５㊀１／２ｏｖｅｒｌａｐｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｃｈａｒｔｏｆＦＦＴｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ由图５不难看出，未经过１／２交叠处理的数据波形存在明显数据点周期性跳变现象，跳变周期与ＦＦＴ点数一致㊂与不交叠处理相比，交叠处理会使ＦＰＧＡ波束形成模块的资源消耗翻倍，但与时域校准合成相比，频域处理资源消耗小，仍具明显优势㊂３．３㊀频域校准合成一体设计传统的宽带时域数字波束形成多采用多相分解滤波器的结构，对通道校准滤波器和时延滤波器独立设计，通过滤波器级联的方式硬件实现，导致乘加滤波资源消耗过大，宽带波束形成个数较少，工程化使用受限㊂如果将时域信号变换至频域处理，可在ＤＳＰ处理器中，对校准系数与合成系数首先进行时域卷积运算，达到校准系数与合成系数一体设计的效果，再转化成频域系数进行乘加运算后转换为时域数据，通过这样的转化运算能有效降低ＦＰＧＡ内乘法器资源消耗，提升波束形成个数，工程化优势明显㊂３．４㊀提升波束扫描连续性传统的数字波束合成采用延时滤波器实现，在ＦＰＧＡ中通过对ＦＩＲ滤波器在线配置实现㊂当波束指向发生变化时，需要实时对时延滤波器系数进行加载更新和复位，在更新系数时，输出的ＤＢＦ存在时间上间断现象，影响对目标信号侦察控守㊂频域处理时，合成系数是按块运算的，只要提前将指向系数写入ＦＰＧＡ缓存内，在ＦＰＧＡ的时序控制下，将系数写入波束合成模块，在不复位电路的情况下，对波束指向进行 捷变 ，切换速率为ＦＰＧＡ内部一个时钟周期㊂３．５㊀频率指向一致性验证为了验证瞬时带宽内ＤＢＦ后各频率指向一致性，５００ＭＨｚ内产生２６个等间隔２０ＭＨｚ的单音信号进行仿真，在３０ʎ指向时，得到各频率的波束图㊂由图６可以看出，所有频率分量的单音信号都指向了３０ʎ，没有其他方向的波束峰值出现，从而验证了宽带下各频率指向一致性㊂图６㊀多音信号波束指向仿真Ｆｉｇ．６㊀Ｂｅａｍｐｏｉｎｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｔｏｎｅｓｉｇｎａｌ３．６㊀合成增益验证为了验证波束合成效果，采用专用信号发生器输出多个单音信号，通过功分配器输出至波束合成接收机各中频输入㊂通过ＦＰＧＡ校准合成处理，将单路采样数据与频域合成后数据存储后导入至Ｍａｔｌａｂ中计算幅度谱，覆盖频率范围从１５０６５０ＭＨｚ，分别如图７与图８所示㊂图７㊀宽带波束合成前频谱Ｆｉｇ．７㊀ＳｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｂｅｆｏｒｅｗｉｄｅｂａｎｄＤＢＦ图８㊀宽带波束合成后频谱Ｆｉｇ．８㊀ＳｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓａｆｔｅｒｗｉｄｅｂａｎｄＤＢＦ由图７与图８不难看出，经过宽带数字波束形成处理后，信号幅度不变，但宽带内噪底显著降低，信噪比得到明显提升㊂通过数据统计，合成增益约１３ｄＢ，与理论值１３．８ｄＢ接近，从而验证了该处理方法的可行性与有效性，为数字化宽带阵列校准合成处理的工程实现进行了技术储备㊂３．７㊀ＦＰＧＡ处理资源统计在Ｖｉｖａｄｏ１７．４环境下，对ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ芯片综合布线后资源使用情况进行了统计，单片ＦＰＧＡ实现两通道１６００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ实采样数据接收，形成３个独立５００ＭＨｚ宽带波束输出，资源占用如表１所示㊂表１㊀ＦＰＧＡ中资源消耗Ｔａｂ．１㊀ＲｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎＦＰＧＡｃｈｉｐＦＰＧＡ型号ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ８０ＦＰＧＡ总资源数量资源消耗数量资源消耗占比／％逻辑资源８６６４００４１４８４３４７．９存储资源１４７０４３２２９．４乘法器资源３６００１８７２５２ＦＰＧＡ中主要资源有３种：逻辑资源㊁存储资源和乘法器资源㊂由表１可知，３个宽带５００ＭＨｚ的波束形成功能在ＦＰＧＡ中片内资源消耗占比分别为４７．９％㊁２９．４％和５２％㊂ＦＰＧＡ程序运行在１６０ＭＨｚ处理时钟下，波束合成功能运行稳定可靠㊂４㊀结束语本文介绍了数字波束形成原理与超宽带数字波束形成技术的实现过程，重点描述了采用频域合成技术实现超宽带多通道校准与波束形成的处理过程，并结合ＦＰＧＡ特性进行了硬件实现，验证了频域合成技术对超宽带数字波束形成的有效性㊂当前对相控阵系统探测距离要求的提升，促使相控阵天线阵面尺寸日益增大，阵元数量也对应增长，越发凸显功耗与成本给阵列技术工程化造成的瓶颈㊂随着半导体工艺的飞速发展，采用ＳＩＰ微封装，低功耗集成化ＡＳＩＣ芯片设计的数字Ｔ／Ｒ组件［１０］技术受到阵列信号处理领域广泛重视，其中资源消耗较大，功能可固化的处理模块采用ＡＳＩＣ流片，以达到低功耗与低成本预期㊂ＦＰＧＡ设计作为ＡＳＩＣ流片设计前期的原型验证手段，起到了缩短芯片设计周期以及优化芯片实现结构的作用，是专用集成芯片开发过程中不可或缺的技术验证环节㊂参考文献［１］㊀李陶．宽带数字阵列雷达关键技术研究［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１７．［２］㊀解静．基于数字滤波器组的宽带数字阵列干扰技术［Ｊ］．无线电通信技术，２０１４，４０（５）：６－７．［３］㊀何细建．宽带数字波束形成算法研究［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１５．［４］㊀杜仲林．超宽带阵列波束形成新方法研究［Ｄ］．南京：南京大学，２０１６．［５］㊀贾艳红．宽带数字阵实时延迟技术［Ｄ］．成都：电子科技大学，２０１０．［６］㊀刘丽格．宽带高速阵列接收处理技术的研究与实现［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１１．［７］㊀林振江．宽带数字接收机中小数倍数实时采样率变换算法及ＦＰＧＡ实现技术研究［Ｄ］．南京：东南大学，２０１５．［８］㊀高晖，邓晔，张金平，等．微波光子相控阵的技术分析与展望［Ｊ］．雷达学报，２０１９，８（２）：２５１－２５３．［９］㊀赵拥军，陈辉，刘成城，等．宽带波束形成结构及算法研究［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２０１４，２８（７）：６８８－６８９．［１０］李玮．宽带数字Ｔ／Ｒ组件接收通道关键技术研究［Ｄ］．成都：电子科技大学，２００９．作者简介：㊀㊀顾明超㊀硕士，高级工程师㊂主要研究方向：阵列信号处理㊁数字信号处理的ＦＰＧＡ实现㊂㊀㊀李春晓㊀硕士，高级工程师㊂主要研究方向：阵列信号处理㊁数字信号处理的ＦＰＧＡ实现㊂㊀㊀边㊀疆㊀硕士，工程师㊂主要研究方向：阵列信号处理㊁无线电测向技术仿真㊂㊀㊀张汉卿㊀硕士，工程师㊂主要研究方向：数字信号处理的ＤＳＰ实现㊂。

一种改进的宽带数字多波束形成技术黄森洪;宫新保【摘要】宽带数字多波束形成技术能够获得较高的空间增益和空域分辨率,是现代电子侦察领域的重要研究方向.但是宽带波束形成技术的实现存在信号处理复杂度高、系统功耗大的问题,给电子侦察系统的设计和应用提出了较大的考验.提出了一种通过频域方式实现时域宽带数字波束形成器的方案,能够在宽带、多波束的应用场景中有效降低系统的实现复杂度和功耗.【期刊名称】《航天电子对抗》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】5页(P58-61,64)【关键词】多波束;波束形成;复杂度;功耗【作者】黄森洪;宫新保【作者单位】上海交通大学电子工程系 ,上海200240;上海交通大学电子工程系 ,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN971为了应对复杂多变的电磁信号环境，现代电子侦察系统需要在频域和空域具有分辨率高、“宽开”、实时性高的特点。

就空域而言，分辨率高是指系统在空域分辨能力上，可以区分空间相对距离较近的信号；“宽开”则是指系统能够接收不同方向上同时到达的多个信号[1]；实时性高则要求系统的瞬时覆盖范围大，视场全覆盖扫描次数少。

针对上述问题，在保持频域“宽开”的前提下，宽带数字多波束形成技术一方面通过增加天线阵元数，波束主瓣宽度变窄，从而提高空间增益和空域分辨能力；另一方面通过增加合成波束数，扩大空域覆盖范围和提高实时检测能力，成为现代电子侦察领域的重要研究方向。

然而，宽带数字多波束形成系统为了提升空间增益和空域实时覆盖能力，以获得更高的系统灵敏度和截获概率，需要不断增加射频通道数和合成波束数；这就大大提高了系统的实现复杂度和功耗，也成为当前宽带数字多波束形成技术在应用上的重要瓶颈。

针对宽带、多波束的应用场景，本文提出了一种采用频域方式实现时域宽带数字波束形成的方案。

该方案采用离散傅里叶变换/逆变换(DFT/IDFT)实现时域的波束形成FIR滤波器，能够在保持时域相位连续性的前提下，有效减少算法的复杂度，降低系统功耗。

基于二次变频的宽带数字接收技术【摘要】本文依据软件无线电思想，对接收机设计中的数字下变频原理进行了阐述，给出了一种新型的设计方案，即基于二次变频的宽带数字接收技术。

本文以宽带信号的数字下变频设计为实例，以FPGA和System Generator为设计平台对该技术进行了设计验证。

【关键词】数字下变频；二次变频；FPGA；System Generator1.引言软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的无线通信体系结构。

在软件无线电接收机中，首先对射频模拟信号或者是宽带中频模拟信号通过模/数转换器进行数字化，然后采用数字下变频技术和多速率数字信号处理技术，对信号进行频率变换、滤波、抽取等处理，将感兴趣信号分离和提取出来，并将采样速率降低到较低速率，送到基带信号处理单元对感兴趣信号进行后续处理。

数字下变频技术是软件无线电接收的核心技术。

2.技术原理在软件无线电中，一般都采用正交数字混频下变频法。

其原理就是先对模拟信号通过A/D采样数字化后形成数字序列，然后与两个正交本振序列相乘，再通过数字低通抽取滤波器来实现，如图2-1所示。

图2-1 数字下变频原理框图图2-2 总体结构假设信号中心频率为fSIG，A/D采样时钟为fclk，则本振为，对于该本振，我们让第一次变频本振的频率为fLO，且该频率满足fLO/fclk=（2n+1）/4（N=0、1、2……），第二次变频本振的频率为fIF，这样就得到了二次变频结构，总体结构如图2-2所示。

一次变频的本振频率与采样时钟比满足（2N+1）/4的关系的好处是该状态下数字本振序列输出为0，-1和+1三种值。

此时混频运算只需对数据做简单的数学处理即可。

与此同时，该条件下可将滤波器运算放置于混频器运算之前，节约了乘法器资源。

完成一次混频抽取后，在进行第二次混频运算时消耗的DDS资源也较小，使用二次变频结构优化了FPGA的设计。

3.算法实现本文以中频fSIG=500MHz、带宽BW=300MHz，采样时钟fclk=1800MHz 的宽带信号来说明基于二次变频的数字接收技术。

二次下变频实现宽带数字波束形成任泽宇;罗丁利【摘要】In wide scanning angle beam forming of wideband phased array radar, analog delay line technology is commonly used to solve complex envelope shift problem, however, the high cost of hardware blocks its practical application. A twice down-converting method is presented to implement wideband digital beam forming under assumption based on tracking state and transmitting linear FM signal. This method is firstly to perform analog mixing for receiving data at array-element level to implement deramping, and twice frequency down-conversion further in digital domain, then implement beam forming after compensation in phase, and finally information at scattering point is ob- tained by Fourier transformation.%宽带相控阵宽角扫描波束形成中，常用模拟延时线技术解决复包络偏移问题，但硬件的高代价阻碍其实际应用。

本文在基于跟踪状态及发射线性调频信号的假设下，提出一种二次下变频方法实现宽带数字波束形成，本方法首先对阵元级接收数据进行模拟混频实现去斜，数字域再进行二次下变频，相位补偿后实现波束形成，最终通过傅氏变换获得散射点信息。