波波束形成是一種利用一系列傳感器實(shí)現(xiàn)方向性、提高發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度以及提升接收信號(hào)質(zhì)量的信號(hào)處理技術(shù)。通信,、雷達(dá)、對(duì)抗措施,、武器系統(tǒng)、石油與礦產(chǎn)勘探,、醫(yī)療成像及測(cè)向等領(lǐng)域均廣泛使用了波束形成技術(shù),。

在測(cè)向應(yīng)用中，我們通過(guò)控制波束形成天線來(lái)定位信號(hào)源的到達(dá)角,。我們可以使用兩組或兩組以上的天線陣列來(lái)三角定位信號(hào)源的確切位置,，這對(duì)于大量信號(hào)情報(bào)及反恐怖行動(dòng)而言是必不可少的。這項(xiàng)技術(shù)的準(zhǔn)確度取決于各波束形成通道之間增益和相位的精確設(shè)置,。我們通過(guò)采用帶有本地定制IP 的賽靈思Virtex-6 FPGA 構(gòu)建的Pentek 產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié),，從而達(dá)到提升系統(tǒng)性能和準(zhǔn)確度的目的。

波束形成原理
我們通常使用一系列傳感器或天線實(shí)現(xiàn)的波束形成技術(shù)來(lái)提升特定方向上的接收性能（如圖1 所示的手機(jī)某方向的接收性能）,。來(lái)自信號(hào)源的信號(hào)根據(jù)信號(hào)源與天線之間的距離依次到達(dá)每根天線,，這樣天線信號(hào)之間就會(huì)有相對(duì)的相位及振幅偏移。

在波束形成過(guò)程中調(diào)節(jié)每個(gè)天線信號(hào)的增益和相位,，可補(bǔ)償信號(hào)路徑上的不同延遲,。調(diào)節(jié)方式就是將來(lái)自每根天線的信號(hào)與來(lái)自某個(gè)特定方向的信號(hào)同步。當(dāng)信號(hào)相加時(shí),，來(lái)自其它方向的非定向信號(hào)就會(huì)相互抵消,，而來(lái)自波束形成方向的信號(hào)則會(huì)進(jìn)行有益的累加，從而顯著提升信噪比。在這種調(diào)節(jié)方法中,，通過(guò)采用電子方式調(diào)節(jié)每條路徑上的增益和相位，我們有效地將天線轉(zhuǎn)向信號(hào)源的方向,。

八通道系統(tǒng)
在這個(gè)系統(tǒng)中,，我們按線性陣列布置了8 根天線，如圖2 中的整體方框圖所示,。這里的天線頻率為2.5GHz,，所以每個(gè)天線信號(hào)都需要先進(jìn)行放大、濾波,，然后通過(guò)降頻轉(zhuǎn)換為中頻（IF）,，這樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能以合適的采樣頻率完成信號(hào)的數(shù)字化。為保持波束形成的固定相位關(guān)系,，所有8 個(gè)通道均必須采用同步采樣,。

隨后我們?cè)跀?shù)字下變頻器（DDC）中將從每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)采樣降頻轉(zhuǎn)換為基帶的復(fù)雜I+Q 信號(hào)，其中也涉及了針對(duì)波束形成“權(quán)重”的特定通道相位及增益調(diào)節(jié),。最后我們?cè)诳偤湍K中將所有八個(gè)基帶信號(hào)相加,，可生成波束形成總和信號(hào)。CPU 分析該總和信號(hào),，并對(duì)相位及增益系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),，從而跟蹤或適應(yīng)新的目標(biāo)。

FPGA 能夠訪問(wèn)開發(fā)板上所有數(shù)據(jù)及控制路徑,，支持諸如數(shù)據(jù)多路復(fù)用,、通道選擇、數(shù)據(jù)打包,、門控,、觸發(fā)及存儲(chǔ)器控制等工廠預(yù)裝功能。其中的每種功能均以IP 模塊形式存在,。

PENTEK 模型53661 波束形成板
Pentek 模型53661 軟件無(wú)線電板是一種3U OpenVPX Cobalt 開發(fā)板,，如圖3 的簡(jiǎn)化方框圖所示。它采用了4 個(gè)200MHz 的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，一個(gè)時(shí)序,、時(shí)鐘同步單元以及賽靈思Virtex-6FPGA。

FPGA 能夠訪問(wèn)開發(fā)板上所有數(shù)及控制路徑,，支持諸如數(shù)據(jù)多路復(fù)用,、通道選擇、數(shù)據(jù)打包,、門控,、觸發(fā)及存儲(chǔ)器控制等工廠預(yù)裝功能。Cobalt 架構(gòu)將FPGA 構(gòu)建成某種適用于數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的容器,，其中的每種功能均以IP 模塊形式存在,。

我們可以使用LX240T,、LX365T、SX315T 及SX475T 等各種不同的FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)處理任務(wù)的特定要求,。SXT 器件擁有多達(dá)2,016 個(gè)DSP48Eslice,，理想適用于發(fā)送與接收之間信號(hào)的調(diào)制/ 解調(diào)制、編碼/ 解碼,、加密/ 解密及通道化,。

FPGA 在工廠預(yù)裝有4 個(gè)DDC IP核，每個(gè)核均能夠從4 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任何一個(gè)中接收模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣,。每個(gè)DDC 的抽取范圍是2K-64K,，能夠提供2.5KHz-80MHz 的下變頻基帶帶寬。每個(gè)DDC 均具有可編程增益和相移控制功能,，能夠跨整個(gè)VPX 背板訪問(wèn)處理器,。在本系統(tǒng)中我們將為每個(gè)DDC 分配一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

每個(gè)DDC 輸出處均有一個(gè)用于計(jì)算下變頻信號(hào)功率的功率計(jì),。每款功率計(jì)都配備一個(gè)閾值檢測(cè)器,，以便在輸出功率超過(guò)上限閾值或低于下限閾值的時(shí)候生成系統(tǒng)中斷。這些功能可顯著簡(jiǎn)化增益校準(zhǔn)及信號(hào)監(jiān)測(cè)工作,，從而解決了系統(tǒng)處理器只能在軟件中才能完成的難題,。

此外，53661 FPGA 還包含一個(gè)本地Aurora 總和模塊,，可將四個(gè)DDC 輸出加在一起,，實(shí)現(xiàn)波束形成所需的通道組合。Aurora 是一種面向賽靈思FPGA 的輕量級(jí)鏈路層的千兆位串行協(xié)議,。在這個(gè)開發(fā)板上,，Aurora 接口通過(guò)4 個(gè)串行鏈路（4X）在一個(gè)輸入端口上接收傳輸來(lái)的總和，并在4X 輸出端口上交付包含4 個(gè)板載通道內(nèi)容的新的傳輸總和,。每個(gè)4X 鏈路運(yùn)行在3.125Gbps 的時(shí)鐘比特率上,，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)1.25GBps。

一個(gè)串行時(shí)鐘速率為2.5Gbps 運(yùn)行的本地PCIe x4 接口IP 為面向DDC 及波束形成參數(shù)編程的控制處理器提供了一個(gè)1GBps 速率的鏈路,。此外,， 該P(yáng)CIe 鏈路還為交付4 個(gè)DDC 輸出和波束形成總和輸出提供支持。

可編程千兆位串行交叉開關(guān)將兩個(gè)4X Aurora 總和鏈路與x4 PCIe 鏈路連接到VPX P1 背板連接器上,。這種交叉開關(guān)具有高度的靈活性,，能夠讓53661運(yùn)行在各種OpenVPX 背板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及插槽配置下。在本系統(tǒng)中,， 我們將Aurora 鏈路映射到OpenVPX 擴(kuò)展平面上,。同樣我們還可將PCIe 接口映射到發(fā)揮控制平面作用的OpenVPX 數(shù)據(jù)平面上。

八通道 3U OPENVPX 波束形成系統(tǒng)
如圖4 所示為完整的八通道OpenVPX波束形成系統(tǒng)。兩塊模型53661 開發(fā)板安裝在OpenVPX 背板的插槽1 和插槽2,，CPU 開發(fā)板則安裝在插槽3,。8 個(gè)適用于接收2.5GHz 信號(hào)的偶極天線為包含低噪聲放大器、本地振蕩器和混頻器等在內(nèi)的射頻調(diào)諧器反饋信號(hào),。射頻調(diào)諧器將2.5GHz 天線頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變降為50MHz 的IF,。

200MHz 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)數(shù)字化IF 信號(hào)，執(zhí)行進(jìn)一步降頻轉(zhuǎn)換為基帶的工作,，使用的DDCS 抽取為128。這樣可提供I+Q 復(fù)雜輸出樣片,，帶寬大約是1.25MHz,。每個(gè)通道的相位和增益系數(shù)用于控制陣列的方向性。

VPX 插槽3 中的CPU 開發(fā)板通過(guò)兩個(gè)x4 PCIe 鏈路,，又稱OpenVPX“粗管”跨越背板發(fā)送命令和系數(shù),。

我們?cè)赩PX 插槽1 中的53661 開發(fā)板的左上部分處理前4 個(gè)信號(hào)通道，然后這4 個(gè)通道的波束形成求和值通過(guò)4X Aurora 求和輸出鏈路跨越背板傳輸?shù)讲宀? 中的第二個(gè)53661 開發(fā)板的4X Aurora 求和輸入端口,。然后將第二個(gè)53661 開發(fā)板的四通道本地總和與第一塊開發(fā)板傳輸來(lái)的總和再相加,，就可得到完整的八通道總和。這個(gè)總和經(jīng)由x4 PCIe 鏈路發(fā)送到插槽3 的CPU 卡,。

模型53661 開發(fā)板上的3 個(gè)OpenVPX 4x 鏈路（OpenVPX 粗管）的分配通過(guò)使用前一方框圖中的交叉開關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)化,。這樣53661 就可以搭配各種不同的背板運(yùn)行。由于OpenVPX 不約束跨背板鏈路的串行協(xié)議的使用,，系統(tǒng)支持的混合協(xié)議架構(gòu)如圖所示,。

波束形成演示系統(tǒng)
Pentek 的工程師已經(jīng)建立起一個(gè)八通道波束形成演示系統(tǒng)， 配備了一款在Windows 下CPU 開發(fā)板上運(yùn)行的控制面板,。自動(dòng)信號(hào)掃描儀可檢測(cè)來(lái)自測(cè)試發(fā)射器的最強(qiáng)信號(hào)頻率,。該頻率的中心是射頻下變頻器的50MHz IF 頻率。一旦發(fā)現(xiàn)該頻率,，8 個(gè)DDC 就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,，將該信號(hào)降為0Hz，以便于求和,。此外,，控制面板軟件還可實(shí)現(xiàn)8 個(gè)通道所有參數(shù)的特定硬件設(shè)置，包括增益,、相位和同步延遲等,。

另外一部顯示器顯示陣列的波束形成模式。通過(guò)調(diào)整8 個(gè)通道的相移,，最大限度地提高與陣列平面垂直的-90°～ +90°整個(gè)到達(dá)角范圍內(nèi)的靈敏度,，從而形成顯示內(nèi)容。

將理想八元件陣列在信號(hào)到達(dá)角為0°（直接來(lái)自陣列正前方）時(shí)的理論七波瓣圖與實(shí)際坐標(biāo)圖進(jìn)行比較。波瓣圖下方是極坐標(biāo)圖,，顯示的是指向計(jì)算到達(dá)角的單個(gè)矢量,。這個(gè)矢量是通過(guò)確定具有最大響應(yīng)的波瓣而得到的。

此外還顯示了布置在顯示器正前方,，作為信號(hào)源的現(xiàn)實(shí)發(fā)送器的實(shí)際坐標(biāo)圖,。在這種情況下，理想的波瓣圖受到物理對(duì)象,、反射,、線纜長(zhǎng)度變化和天線細(xì)微差別的影響。不管怎樣,，定向信息的計(jì)算比較理想,。隨著信號(hào)源在陣列前的左右移動(dòng)，峰值波瓣也隨之移動(dòng),，從而改變計(jì)算出的到達(dá)角,。

該演示系統(tǒng)現(xiàn)已通過(guò)Pentek 在線提供。如果讀者希望觀看現(xiàn)場(chǎng)演示,，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) http://pentek.com/go/xcellbf ,。