多路射频信号相位同步模块的设计与实现*

王 宁

（91336部队，河北 秦皇岛 066000）

0 引 言

相控阵技术是控制阵列天线各阵元的相位以形成空间波束并控制其扫描的技术，最早在20世纪50年代应用于雷达领域[1-3]。相控阵短波发信系统采用相控阵技术的原理，目标是通过波束控制的手段实现空间功率的合成，提高短波发信系统的效能和通信业务控制的实时性，实现通信方向能够根据通信对象要求随时可控的效果，使天线的布置灵活机动、按需可控，从而满足短波通信系统全方位、远距离的要求[3]。

近年来，随着技术的发展，相控阵技术由于突出的优势在短波通信中的运用越来越广泛。本文针对相控阵技术的关键点相位校正设计了具体方案，并且通过实际测量验证了本系统的可靠性。

1 系统简介

相控阵短波发信系统的基础是波束合成技术，即通过改变一组天线阵中的每个单元天线激励信号的相位，实现波束合成功率的最大化[4-5]。

实现波束合成的基础是在馈入相位前保证射频信号相位的同步性。天线阵的相位同步是通过闭环系统中对射频信号进行相位检测，从而补偿相位，采用数字信号处理技术有效解决各通道射频单元产生的“随机”相位，即数字上变频时各数字载波初始相位和D/A转换时钟相位的不一致引起的射频相位差，实现多路信号的精确相位同步。

2 系统设计

短波发信系统相位同步校正主要分为三步：

（1）测量射频输出信号的相位；

（2）快速计算各路激励器所需补偿的相位值；

（3）将所需补偿相位值的信息从相位检测单元快速传输到各路激励器。

本系统设计使用四路天线进行发信，如图1所示。相位同步模块的工作原理为：通过相位检测单元对功放单元耦合获取的射频信号进行相位检测，将内部差异引起的各路射频信号之间的射频相位差通过光纤送到激励器射频信号处理及控制单元[6-8]，通过已知的通信对象计算相位检测器得到的射频相位差，计算各路射频信号实际需要移相的相位补偿值。激励器射频信号处理单元根据传输过来的移相数据进行数字移相处理，从而实现四路射频信号的相位同步。

图1 相位同步模块系统

2.1 相位检测单元

激励器的时钟信号和数字本振信号相差会导致激励器射频输出的相位存在偏差，即多通道射频信号的“随机”相位。而相位控制单元就是通过采集并检测多通道射频信号相位差，实现对该“随机”相位的相位补偿。这一单元的设计是相控阵短波发信系统实现的基础[3]。

同时，对n路上变频板的射频反馈信号进行采样，对采样后的数字信号进行串并转换，送至数字下变频，把上变频板得到的射频信号与NCO模块产生的本振信号经过乘法器进行混频，即数字下变频。下变频后得到基带信号，即将载波的频率调制到基带，得到正交的I、Q路数据流。

在FPGA中将检测得到的I、Q路的数据送至DSP中。在DSP求出上变频板输出的射频信号与检测板本振的相位差。射频单元的DSP依次接收到相位检测的计算结果，并且传输至射频单元的FPGA，在NCO模块内进行相位补偿，从而消除“随机”相位给多通道射频信号带来的困扰。本系统设计中使用4路射频信号的相位检测，相位检测软件结构图如图2所示。

图2 相位检测软件结构

接收平台数字信号处理任务主要由DSP与FPGA共同完成。DSP用于完成处理步骤相对复杂的信号算法和控制灵活的命令通路，FPGA用于完成大计算量且算法相对简单的底层信号处理，从而解决了多通道射频信号同步采集的难题，可以有效检测各通道射频单元产生的“随机”相位。

相位采集单元的信号处理过程是数字化的，但是从发射末端接收回来的是4路模拟射频信号。因此，需要一个射频ADC用于将4路模拟射频信号同步转换为数字信号。针对设计需要，本系统中采用的射频ADC是AD9637。

AD9637是八通道的模数转换器（ADC），拥有小尺寸、低功耗和低成本的特性。系统中，AD9637将4路模拟信号采样后得到的是串行的差分信号，然后对差分信号进行串并转换为4路并行信号。采样完成后，再把信号输出。下变频的目的是把AD采样后的射频数字信号的中心频率搬移到零频。为了进行频率搬移，必须要产生与射频信号频率一样的信号，然后使两者混频，从而达到频率搬移的目的。下变频的核心部分是数控振荡器（NCO）。它的作用是产生正交的正弦和余弦样本。传统方法是采用查表法（LUT），即事先根据各个正余弦波相位计算好相位的正余弦值，并按相位角度作为地址存储该相位的正余弦值，构成一个幅度/相位转换电路。在系统时钟的控制下，由相位累加器对输入频率字不断累加，得到以该频率字为步进的数字相位，再通过相位相加模块进行初始相位偏移，得到要输出的当前相位。AD的采样速率较高，而混频后得到的数据率和采样速率是一致，后级的DSP很难达到这个处理速率。因此，先通过级联积分梳状滤波器（CIC）进行大的抽取，使数据率快速降下来。CIC抽取滤波器的零极点相消，只需要用加法器、积分器和寄存器就能实现，不需要乘法，在高速抽取中非常有效。CIC滤波器由积分部分和梳状滤波部分组成。输入的每路射频信号都有一个自己的相位值下变频时，NCO模块中产生的本振信号的相位值为经过下变频后，得到的基带信号的相位值为下变频完成后，将得到的I路和Q路两个信号数据送入DSP中。通过对基带信号的实部与虚部求反正切，计算得到最后，将补偿角度值通过交换单元发送到对应各路的激励器。

2.2 交换单元

交换单元采用Tundra公司的Tsi578交换芯片完成交换功能。其中，DSP芯片主要完成对交换芯片的初始化、配置和复位工作，同时要对其他模块发送过来的信号进行解析并做出具体操作。FPGA芯片的主要功能是实现RapidIO协议，并结合DMA和RAM等资源实现RapidIO接口，使DSP芯片能够完成对交换芯片的配置和维护。本系统中，将Tsi578设置为16组1x模式，设定其串行速率为1.25 Gb/s，交换模块硬件框如图3所示。

图3 交换单元硬件

3 相位检测的效果分析

单机模式下，原始射频信号和经过相位采集单元修正过的射频信号，在4通道示波器上的波形分别如图4、图5所示。

单机模式下，将经过相位控制单元修正过的4路射频信号分别接入示波器，以通道1为基准进行相位差检测，统计1 000组数据，求得平均相位差，该相位差即平均误差，如表1所示。

图4 激励器输出的原始射频信号实测图

图5 相位同步后的射频信号实测图

表1 误差统计表

在相位检测过程中，误差来源主要是AD的量化、变压器频响的不一致性、电磁干扰、DSP计算舍入等。经以上的测试结果可以看出，相位控制单元确实可以实现射频信号处理单元输出射频信号的相位精确计算，可以有效补偿射频单元产生的“随机”相位差，为后续要进行的波束合成提供技术基础。相位检测的精度≤1°，也符合一般情况下相控阵短波发信系统的技术指标。可见，本文设计的相位控制单元满足实际应用的需求，达到了预期的设计目的。

4 结 语

近年来，相控阵短波发信系统以其突出的优点，受到了越来越多的关注。在广泛吸收前人的研究成果后，本文设计了具体相位同步补偿方案，并通过实际的测量结果验证了该方案相位补偿的可行性。该相位同步的结果精确有效，可实际应用于相控阵短波发信系统，对多通道的相位检测技术具有指导意义。

[1] 龙剑飞,曹燕,宁更新.基于零中频的短波发射机DSP单元的设计与研究[J].科学技术与工程,2009,9(07):1706-1711.LONG Jian-fei,CAO Yan,NING Geng-xin.Design and Research of a DSP Unit Based on Zero-IF in Short Wave Transmitter[J].Science Technology and Engineeri ng,2009,9(07):1706-1711.

[2] 汪安民.DSP实用技术与开发案例[M].北京:人民邮电出版社,2008:1-404.WANG An-min.Practical Technology and Developmentcase for DSP[M].Beijing:Posts and Telecom Press,2008:1-404.

[3] 何宪文,高俊,屈晓旭等.多信道射频信号相位检测技术的研究与实现[J].通信技术,2014,47(05):478-482.HE Xian-wen,GAO Jun,QU Xiao-xu,et al.Research and Realization of Phasedetection Technology for Multichannel RF Signal[J].Communication Technology,2014,47(05):478-482.

[4] 陶登高,王勇,易克初.基于FPGA实现的NCO及其应用[J].空间电子技术,2005(03):32-36.TAO Deng-gao,WANG Yong,YI Ke-chu.NCO and Application Based on FPGA[J].Space Electronic Technology,2005(03):32-36.

[5] 董亮,汪敏,高亦菲等.基于NCO IP core的Chirp函数实现设计[J].现代电子技术,2009(20):20-22.DONG Liang,WANG Min,GAO Yi-fei,et al.Design and Implementation of Chirp Function Based on NCO IP Core[J].Modern Electronics Technique,2009(20):20-22.[6] Jovanovic D,Mitra S K.Simle Method for Compensation of CIC Decimation Fiter[J].Electronics Letters,2008,44(19):1162-1163.

[7] 崔浩贵,高俊,屈晓旭.数字化短波发射机功率反馈控制系统的设计与实现[J].电讯技术,2011,51(08):134-137.CUI Hao-gui,GAO Jun,QU Xiao-xu.Design and Implementation of a Power Feedback Control System for Digitalshortwave Transmitters[J].Telecommunication Eng ineering,2011,51(08):134-137.

[8] 邱昊,高俊,屈晓旭等.短波数字接收机中频响校正方案的研究与实现[J].电子技术应用,2012,38(06):58-64.QIU Hao,GAO Jun,QU Xiao-xu,et al.Research and Realization of a Frequency Response Calibration Scheme in HF Digitized Receiver[J].Application of Electronic Technique,2012,38(06):58-64.