一种高速实时数字波束形成器的设计

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3．2 实时波束形成计算

如前所述，整个实时波束形成分为两次，首先在采集板ICS554中完成子阵波束形成，然后再到FPGA波束形成板中实现全阵的波束形成，如何保证整个计算的实时性是关键。

波束的形成，其实就是对A／D变换后数字信号进行幅度和相位加权，波束的特性如波束指向、副瓣电平、主瓣宽度等完全由权值决定。权值计算主要考虑两方面的因素，首先要对各通道进行幅相校准，克服各通道不一致和互耦的影响，然后实现空域滤波，完成希望的波束指向。首先幅相校准，对于第i单元：

式中：δφi，△ai分别为第i通道与标准通道的相位差和幅度比值。若要实现空域滤波则需要在此基础上增加阵因子对幅度和相位加权。

式中：φi为第i通道相位加权值；αi为幅度加权值，可以根据不同的波束性能要求(主瓣宽度、旁瓣电平、零陷位置)灵活选择不同的幅度加权形式，得到不同的αi，权值矩阵W也会有所不同。权值更新计算由DSP处理板完成。

最初的子阵波束形成需实现四通道单元的波束形成，即对4路中频数字I，Q两路信号复加权求和：

式中：Iout，Qout为4通道波束形成后I，Q两路输出结果；ωir,ωii分别为第i单元权值的实部、虚部。由于ICS554采样频率比较高，而FPGA片内剩余可利用的资源比较多，在这里采用并行复乘运算，运用ISE软件IP核设计映射出4个独立的复乘运算单元，片内VHDL程序设计如图4所示。

用4块采集板ICS554独立进行子阵波束形成，然后将结果Iout，Qout输出给FPGA波束形成板进行复求和，最终得到16个天线单元的全阵合成波束。考虑FPGA运算的复杂性，选用内含DSP内核的Xilinx公司的XC3SD3400A芯片，该芯片性价比非常高，内含的DSP内核XtremeDSP DSP48A运算速度可以达到250 MHz，差分I／O传输速率可达到622 Mb／s。要保证整个波束形成运算的实时性，主要从采集板子阵波束形成运算、数据传输、FPGA板全阵波束形成运算三个方面测试分析。全阵波束形成运算主要是在XC3SD3400A内做复数加法运算，加法运算最高可以到250 MHz，远远高于数字下变频后数据流速度。子阵波束形成运算则是在XC2V1000内做四通道并行复乘运算和复加运算，片内复乘流水线、复加运算时钟频率可达420 MHz。实际上，子阵和全阵波束形成的运算能力都是足够的，整个系统的主要瓶颈还是数据传输，数据传输流量大，数据传输I／O口位宽达8位，在数据传输环节，将低速多位并行数据用倍频时钟转换成250 MHz高速串行数据；在接收端，使用移位寄存器实现串／并转换就可以得到低速并行数据。仿真和实际测试也表明，能够保证整个系统波束形成运算的实时性。

4 结语

这里设计的高速实时波束形成器，改善了原DBF系统，不仅可完成测向工作，同时实现了高速数据传输和全阵的实时数字波束形成。系统是基于采集板ICS554搭建的，ICS554虽然是一款高性能的4通道采集板，但是它成本高，而且只提供PCI接口，没有提供其他高性能的数据传输接口，当阵元数更多时其可扩展性并不强。为了达到数据传输能力的要求，采用了多组LVDS差分对数据进行传输，虽然实现了要求的速度，但是连接电缆太多，互耦影响大、传输距离短。因而，后续的系统设计中，利用FPGA集成速度更快的高速串行差分RocketIO通道、光纤传输等技术来改善性能，提高系统可扩展性。

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