一種高速波控系統的設計

　　1 引 言

　　相控陣是通過(guò)波控系統控制陣列天線(xiàn)各單元通道的相位、幅度以形成空間波束并控制其方位角和俯仰角。早期的波控系統一般采用硬件電路來(lái)實(shí)現，這種實(shí)現方法的缺點(diǎn)是設備量大，不靈活，很難實(shí)現波束的復雜計算，不易滿(mǎn)足特殊要求。后來(lái)采用單片機、DSP芯片來(lái)設計波控系統，單片機通常不計算波控碼，僅僅是根據接收到的波控碼布相，而DSP可以自己計算波控碼，但是單片機、DSP都是象流水線(xiàn)一樣串行的運行指令，也就是說(shuō)，不能并行地對各天線(xiàn)單元通道進(jìn)行波控碼計算和布相。

　　針對波控系統要求高速計算、多通道并行邏輯控制的特點(diǎn)，選取FPGA作為波控系統的核心處理器。目前采用大規模FPGA器件來(lái)實(shí)現波控系統的設計還很少，采用FPGA能夠大大簡(jiǎn)化波控系統硬件設計，把以前的硬件邏輯控制電路全部集成在FPGA芯片內部，從而實(shí)現對波控羈的高速并行計算和對各單元通道的并行同步控制，本文針對這種基于FPGA波控系統設計方案的可行性進(jìn)行了探討。

　　2 波控系統設計要求

　　2.1 接口設計

　　某電子系統組成如圖1所示。系統主控計算機和波控系統之間信息交換量很大，要求收發(fā)速度都要很快；同時(shí)天線(xiàn)陣元很多，接口必須有可擴展性，實(shí)際中采用了以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)。

　　以太網(wǎng)協(xié)議是指根據IEEE 802.3規范制定的局域網(wǎng)協(xié)議(Local Area Network，LAN)中的CSMA／CD協(xié)議。一方面，以太網(wǎng)與傳統的RS 485、CAN總線(xiàn)等相比，以太網(wǎng)更加高速、通用，經(jīng)過(guò)適當剪裁和優(yōu)化的TCP／IP協(xié)議棧，也完全可以適應工業(yè)用途的需要。另一方面，相對于新興的USB 2.0，IEEE1394等總線(xiàn)，以太網(wǎng)技術(shù)在傳輸距離、布線(xiàn)成本以及控制軟件的通用性上都有明顯的優(yōu)勢。

　　波控系統需要實(shí)時(shí)控制T／R組件以及進(jìn)行狀態(tài)檢測，采用同步串行傳輸方式，時(shí)鐘20 MHz，完成一次T／R組件重新布相以及狀態(tài)檢測需要1μs。

　　2.2 模塊化設計

　　系統天線(xiàn)陣列有幾百個(gè)陣元，并且要求可擴展性，用一個(gè)FPGA波控板不可能實(shí)現這樣復雜的控制和運算，每一個(gè)陣元在天線(xiàn)陣的位置是不一樣的，但是對T／R組件、移相器的控制以及接口都是相同的。每個(gè)FPGA波控板控制一個(gè)天線(xiàn)子陣，而一個(gè)天線(xiàn)子陣由25個(gè)天線(xiàn)單元組成，所以考慮采用模塊化設計方法。系統上電工作，主控計算機立即將每個(gè)FPGA波控板的位置信息下發(fā)。波控板也根據自己所接受到的位置信息計算每個(gè)天線(xiàn)陣元的移相值。這樣的設計就實(shí)現了波控板的互換性，每一個(gè)波控板的軟件和硬件都是完全相同的，任何一塊出了問(wèn)題都可以立即更換，而不需要考慮他的位置，方便維修工作。

　　3 波控系統設計

　　3.1 波控碼計算公式

　　相控陣天線(xiàn)上第(i，j)單元通道相對于參考單元第(0，0)單元通道的相位差φ(i，j)：

　　式中：d1為相鄰天線(xiàn)單元在陣面水平方向的間距，d2為相鄰天線(xiàn)單元在陣面垂直方向的間距；(φ，θ)為天線(xiàn)波束指向，其中φ為方位角，天線(xiàn)波束與天線(xiàn)陣面水平方向的夾角，θ為俯仰角，天線(xiàn)波束與相控陣陣面的夾角；δij為第(i，j)單元通道與參考單元之間的初始相位誤差。

　　3.2 FPGA實(shí)現

　　FPGA作為波控系統的核心處理器，按照功能劃分為：波控碼計算模塊、以太網(wǎng)控制器模塊、相控陣單元控制模塊、溫度控制模塊、開(kāi)關(guān)量控制模塊、系統狀態(tài)控制模塊。FPGA內部各功能模塊劃分如圖2所示。這些模塊都是并行工作，比如相控陣天線(xiàn)單元控制模塊可以對各單元同步實(shí)時(shí)控制，完全保證各單元通道相位同步切換。

　　波控碼計算模塊將得到的波束指向信息(方位角、俯仰角)和頻率快速的計算出相控陣各單元通道的相位值。為了獲得相控陣天線(xiàn)的低副瓣性能，必須嚴格控制天線(xiàn)各單元通道內的幅度和相位誤差。同時(shí)，T／R組件、天線(xiàn)單元在加工安裝過(guò)程中各單元通道并不能夠保證相位完全一致，存在相位誤差。因而，在測量各天線(xiàn)單元與參考天線(xiàn)單元之間的幅度和相位誤差的基礎上，波控碼計算模塊通過(guò)改變波控碼，對各單元通道之間的相位誤差加以修正。

　　以太網(wǎng)控制器模塊主要實(shí)現以太網(wǎng)接口設計，使波控系統能夠和主控計算機高速可靠的進(jìn)行信息交流，主控計算機下發(fā)頻率、方位、俯仰信息，波控系統上傳實(shí)際波束方位俯仰角、T／R組件狀態(tài)、工作頻率、溫度等信息。

　　相控陣單元控制模塊的任務(wù)就是并行同步控制各單元通道，先將移相值和收發(fā)開(kāi)關(guān)控制值組合成波控碼，然后通過(guò)自定義的I／O口將波控碼發(fā)送到相應的T／R組件，實(shí)現對T／R組件的控制，完成布相，得到需要的波束指向。

　　FPGA各功能模塊軟件設計均采用VHDL語(yǔ)言，VHDL語(yǔ)言用硬件數字邏輯電路來(lái)實(shí)現軟件算法，他的特點(diǎn)是實(shí)現整數的加減法、乘法非常便捷，但是實(shí)現除法(被除數不是2的整數次冪)和對小數的算法比較困難。按照上面公式計算波控碼，VHDL語(yǔ)言直接實(shí)現這樣的計算是很困難的，他不能夠直接實(shí)現三角函數運算和浮點(diǎn)運算。解決方法就是，在FPGA的配置芯片中存儲一個(gè)4 096×16 b的正弦表，通過(guò)查表法間接實(shí)現三角運算，浮點(diǎn)運算則采用定點(diǎn)運算來(lái)替代。用仿真軟件ModelSim XE對方位俯仰電掃描計算結果進(jìn)行仿真，波控碼計算結果如圖3所示。

　　3.3 波控系統設計驗證

　　在波控碼實(shí)時(shí)計算軟件設計中，所有的加減乘除都采用定點(diǎn)運算，而且三角函數計算也是采用查表法實(shí)現，所以和浮點(diǎn)計算相比波控碼計算結果誤差加大，精度降低。選取離參考單元較遠的第(4，4)單元通道，將浮點(diǎn)運算和定點(diǎn)運算得到的波控碼值進(jìn)行比較，波控碼誤差δcode：

　　用Matlab模擬FPGA定點(diǎn)運算和三角查表運算進(jìn)行仿真，在仿真圖中可以清楚地看到波控碼誤差絕對值小于0.02，定點(diǎn)計算結果和真值誤差很小。

　　同時(shí)通過(guò)系統實(shí)際運行來(lái)驗證方案的可行性，將波控系統與系統聯(lián)試，FPGA在每次重新布相后將各個(gè)移相器的波控碼上發(fā)給主控計算機，將這些波控碼與主控計算機浮點(diǎn)運算結果相對比，發(fā)現實(shí)際情況與仿真結果相吻合，實(shí)際運算與仿真運算一致，符合精度要求和實(shí)時(shí)性要求。

　　4 結語(yǔ)

　　本文闡述了一種基于FPGA實(shí)現相控陣波控系統的設計方案，并且通過(guò)軟件仿真和實(shí)際運行驗證這種方案設計的可行性。這種方案設計充分發(fā)揮了FPGA芯片的高速、并行特點(diǎn)，可以同步并行控制天線(xiàn)各單元通道，保證了相控陣天線(xiàn)波束切換的高速性和各單元的一致性。