一種基于FPGA的雷達(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2011-05-04 11:16:42來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
O 引言
波束控制系統(tǒng)的基本功能是給天線陣列中各個(gè)移相器提供所需要的控制信號(hào)。除此基本功能外，現(xiàn)代雷達(dá)還要求波束控制系統(tǒng)高速高效、低成本、小型化，并具有波束控制分系統(tǒng)的自檢；根據(jù)工作頻率，進(jìn)行初相位在線補(bǔ)償；天線相位碼隨機(jī)饋相等功能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，為了配合其他系統(tǒng)的檢測(cè)，還需要在雷達(dá)的不同工作模式下完善調(diào)試功能。另外，在雷達(dá)的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，要求單個(gè)組件維修時(shí)，波束控制組件驅(qū)動(dòng)板能在脫機(jī)狀態(tài)下正常工作。
這里展開(kāi)介紹一種有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)及軟件設(shè)計(jì)。
l 系統(tǒng)原理
為降低電路成本和增加系統(tǒng)可靠性，該系統(tǒng)采用設(shè)備量少、維修方便、可靠性高的集中式運(yùn)算、分布式驅(qū)動(dòng)體系。也就是，波束控制算法用一塊電路板(稱之為運(yùn)算板)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)工作方式，運(yùn)算板接收來(lái)自雷達(dá)控制臺(tái)的控制指令(包括主天線的方位和俯仰增量代碼、工作頻率、工作模式代碼等)，進(jìn)行波束控相位碼的計(jì)算、傳輸、分配與格式重排。運(yùn)算板把處理后的串行波束控制碼通過(guò)驅(qū)動(dòng)器發(fā)往陣面的波束控制組件驅(qū)動(dòng)板。在波束控制組件驅(qū)動(dòng)板內(nèi)再進(jìn)行譯碼、驅(qū)動(dòng)，然后送給組件單元作為控制碼，從而實(shí)現(xiàn)波束控制系統(tǒng)的功能。波束控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)
該相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)要求波束控制系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠地控制512個(gè)天線單元，波束轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于1 ms。在此分析運(yùn)算板需要哪些關(guān)鍵器件。運(yùn)算板要在500μs內(nèi)完成從雷達(dá)控制臺(tái)接收指令、波束控制算法及運(yùn)算結(jié)果傳輸?shù)墓δ?，必須選用FPGA器件。參與運(yùn)算的補(bǔ)償數(shù)據(jù)是運(yùn)算的主要對(duì)象之一，要能夠?qū)崟r(shí)參與波束控制算法的運(yùn)算過(guò)程，也可以被雷達(dá)控制臺(tái)在線更新，這就需要運(yùn)算板具有存儲(chǔ)器。系統(tǒng)采用自定義總線接收雷達(dá)控制指令和上報(bào)陣面返回的信息。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)，不僅要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、譯碼、系統(tǒng)自檢等功能，還要考慮組件在單獨(dú)調(diào)試時(shí)驅(qū)動(dòng)板的控制功能是否可以方便實(shí)現(xiàn)。由于設(shè)備數(shù)量較大，在滿足功能的基礎(chǔ)上，要盡可能降低設(shè)備成本?；谶@些需求，選用一片單片機(jī)和一片EPLD。圖1中虛線左側(cè)部分所示運(yùn)算板硬件組成。其中，雷達(dá)控制臺(tái)發(fā)送的是波束控制指令、接收的是陣面自檢和檢測(cè)信息；傳輸模塊產(chǎn)生和發(fā)送串行波束控制碼、傳送所需要的時(shí)鐘、定時(shí)信號(hào)。
圖l中虛線右側(cè)部分所示組件驅(qū)動(dòng)板的硬件組成。其中接口電路接收波束控制運(yùn)算板發(fā)來(lái)的串行波束控制碼；組件單元接收的是TTL電平的控制碼(包括發(fā)射移相碼、接收移相碼、衰減碼、T／R開(kāi)關(guān)控制碼)。EPLD完成譯碼和控制分發(fā)代碼，SCU完成聯(lián)機(jī)自檢和脫機(jī)控制調(diào)試的功能?？刂坪驼{(diào)試方式比其他提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，更加多樣化和靈活。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 運(yùn)算板FPGA程序設(shè)計(jì)
波控運(yùn)算板基本用途就是為滿足陣面天線單元控制的需要。在此，整個(gè)天線陣面等分成四個(gè)子陣面。每個(gè)子陣面包括a×b個(gè)天線單元，如圖2所示。


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天線分時(shí)實(shí)現(xiàn)全孔徑SAR模式和子孔徑GMTI模式兩種工作模式。雷達(dá)對(duì)空探測(cè)或者在SAR工作方式時(shí)，利用天線全陣面，形成一個(gè)波束進(jìn)行發(fā)射和接收，陣面的物理中心就是陣面天線單元的坐標(biāo)原點(diǎn)；GMTI工作方式時(shí)，全陣面形成一個(gè)發(fā)射波束，而接收時(shí)則在方位上等分四個(gè)子陣面，形成四個(gè)接收波束，此時(shí)形成四個(gè)坐標(biāo)系：每個(gè)子陣面的物理中心就是每個(gè)陣面天線單元的坐標(biāo)原點(diǎn)。
根據(jù)天線單元此分布特點(diǎn)的控制需求，這里選用兩片F(xiàn)PGA，傳輸采用四路差分串行碼(兩路數(shù)據(jù)碼、一路地址碼、一路8 MHz時(shí)鐘碼)，就可完成陣面天線單元對(duì)波束控制的要求。FPGA內(nèi)部程序的邏輯功能框圖如圖3所示。其中的串口核、SRAM、FIFO全是調(diào)用FPGA內(nèi)部的資源。串口核的功能是在波束控制運(yùn)算板單機(jī)調(diào)試和雷達(dá)近場(chǎng)測(cè)試時(shí)，接收來(lái)自調(diào)試計(jì)算機(jī)的控制指令。SRAM用于當(dāng)雷達(dá)工作在陣面監(jiān)測(cè)方式時(shí)，存儲(chǔ)來(lái)自雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)的控制碼；FIFO用于存儲(chǔ)運(yùn)算器計(jì)算的結(jié)果(運(yùn)算板單板調(diào)試時(shí)用)或組件驅(qū)動(dòng)板自檢結(jié)果，此結(jié)果可以通過(guò)串口返回調(diào)試計(jì)算機(jī)，以此來(lái)判斷FPGA計(jì)算的中間結(jié)果或者送出的最終結(jié)果是否正確和判斷組件單元及相應(yīng)的信號(hào)通路是否良好。運(yùn)算、傳輸時(shí)鐘產(chǎn)生和運(yùn)算結(jié)果傳送、讀／寫(xiě)FLASH都在運(yùn)算器中，做在同一個(gè)狀態(tài)機(jī)里。波控運(yùn)算狀態(tài)機(jī)如圖4所示。