基于FPGA的一维多波束处理机设计

尹利忠 孔繁 耿东华 孙卫杰 罗欣

摘要：针对多波束系统传输数据量大、实时性要求高及多通道并行处理的特点，设计了一款基于FPGA的多波束处理机，利用FPGA芯片配置灵活、运行速度快、并发执行的优点，实现了多波束数据的实时处理与传输。采用该多波束处理机进行试验，结果表明该处理机满足系统需求，实现了多波束数据的实时处理与传输。

关键词：一维多波束处理机;FPGA;多波束;实时性

中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0155-03

数字波束形成技术是一种将数字信号处理技术与传统阵列天线技术相结合的技术，具有同时多波束、灵活可变、低副瓣的特点，是现代化雷达的核心技术。

方位向采用机械扫描，俯仰向形成同时多波束的一维线阵由于在探测精度、威力、空域覆盖范围、抗干扰及数据更新率和自身价格方面做到了很好的折中，在轻价值军事目标和民用方面得到了广泛的应用[1]。

本多波束处理机为某民用一维线阵研制，具有通用性强、波束数量和属性可配置的特点。

1 多波束处理机板卡设计

多波束处理机安装在6U标准机箱中，通过六路数据光纤接口接收数字接收机产生的40路I/Q数据，然后进行波束形成、波束组帧，最后通过三路SRIO波束传输接口将波速数据传递到后端的信号处理机。

1.1 板卡结构设计

VPX总线标准由VME总线标准发展而来，是一系列标准的集合，主要包括VITA46、VITA65、VITA48等。采用VPX标准的PCB结构有3U和6U两种尺寸，支持PMC和XMC子卡安装，散热方式有风冷、液冷和金属导冷三种方式[2]。

本多波束处理机模块外形符合VITA48.2标准，采用6U结构，导冷散热，预留标准XMC接口，用于背负光纤子卡。

1.2 板卡电路设计

多波束处理机原理框图如图1所示。

主要指标分解与实现：

（1）数据接收能力：本一维线阵共40个阵元，DDC后数据率10M，数据宽度16bit，I/Q两路，则单个阵元需要传输的数据率为320M bps，单路光纤通道最大分配7个阵元的数据，则有效数据传输速率需求为2.24G bps，考虑8b/10b编码及数据传输效率，则光纤通道的传输速率要求在3G bps以上，本多波束板卡光纤通道支持6.25G bps数据传输，满足系统数据传输及后续升级扩展需求;

（2）运算能力：本多波束板卡最大需求为同时48个波束形成，乘法器采用8倍复用复数乘法器，则乘法器数量需求为240（×3DSP）个，加法器需求量为492（×1DSP）个，共需求DSP运算单元1212个，Virtex-7 690t DSP数量为3600个，满足系统及后续升级扩展需求;

（3）数据发送能力：一维多波束线阵抽取后数据率10M，经波束形成后，I/Q为32位，则单个波束数据率为0.64Gbps，单路SRIO需传16个波束，则SRIO传输速率要求为大于10Gbps，本多波束板卡传输速率5Gbps，×4，则总速率为20G bps，满足波束数据传输及后续升级需求。

2 模型建立与仿真

2.1 仿真参数设置

本一维线阵工作信号频率ku波段;阵元垂直方向线阵排列，阵元数目40个，阵元间隔1/2波长;同时形成多波束数量14个（和差），波束中心间隔15°，波束宽度5°。

2.2 多波束方向图仿真

采用多波束技术的接收信号模型可以表示为[3]：

本多波束系统对7个不同指向的和波束权重系数分别加-30db泰勒权，与和波束对应的7个差波束分别加-30db贝叶斯权，其仿真结果如图2所示。

为了便于后续工程验证，利用matlab模拟产生一个某方位向远场回波。回波方位假设为30°，回波形式為连续波，单频点，频率f0为1M，采样率Fs为5M，采样点N为1500个，则回波信s可表示为：

将生成的信号数据注入多波束系统，波束形成后，取各个通道的输出波形的实部或虚部，求出各个波束通道的信号幅度值，求模、归一化。本多波束系统不同波束通道的幅度响应如图3所示。

3 多波束处理机主要功能软件设计

3.1 DSP主要功能软件设计

DSP通过网口中断接收上位机传递过来的数据帧，校验无误后提取帧中的波束指向、波束数量等信息，根据提取的信息生成相应的权重系数，对权重系数进行归一化、定点化，通过EMIF接口将定点化后的权重系数存储到FPGA的Block RAM中，存储完成后，产生GPIO中断，通知FPGA权重系数已更新。其程序流程框图如图4所示。

3.2 FPGA主要功能逻辑设计

FPGA接收40个阵元的基带数据并缓存到40个DataRAM中，将每个阵元对应的48个系数分为6组缓存6个CoffRAM中。所有数据准备完成后，触发波束形成模块，进行波束形成。波束形成框图如图5所示。

4 系统验证

本文采用模拟远场回波的方式来验证多波束系统[4]。具体做法是将2.2节中生成的30°方向40阵元的远场回波数据进行归一化、定点化，保存为coe格式的文件，将该文件导入到FPGA的Data_RAM中，根据PRI和CPI信号来触发多波束系统工作，进行波束形成。

利用matlab处理波束数据，计算出来波方向各波束通道的幅度响应，具体如图6所示。

从图6可以看到，该多波束系统响应与matlab仿真系统响应基本吻合，误差在0.49db左右。

5 结语

本文以一维多波束线阵为背景，针对多波束系统数据量大、多通道并发的难点，利用Virtex-7 FPGA芯片逻辑容量大，运行速度快、并行执行的特点实现了多波束处理机。目前该处理机已在相关型号中得到应用，表现良好。

参考文献

[1] 李靖舒.多核CPU上一维DBF雷达信息处理平台研究[D].南京：南京信息工程大学，2017.

[2] 王平安.基于FPGA的舰载三坐标雷达多波束及信号处理技术研究[D].南京：南京信息工程大学，2014.

[3] 夏萍萍.小型相控阵雷达数字波束形成和信号处理仿真研究[J].南京：南京理工大学，2013.

[4] 李勇.多波束天线的近场测量与模拟分析[J].电子测量技术，2009（5）：141-144.