ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２２．０１．０２２
引用格式：顾明超，李春晓，边疆，等．基于ＦＰＧＡ的超宽带数字波束形成技术［Ｊ］．无线电通信技术，２０２２，４８（１）：１７３－１７９．［ＧＵＭｉｎｇｃｈａｏ，ＬＩＣｈｕｎｘｉａｏ，ＢＩＡＮＪｉａｎｇ，ｅｔａｌ．ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＵＷＢＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍ⁃ＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＦＰＧＡ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０２２，４８（１）：１７３－１７９．］ 基于ＦＰＧＡ的超宽带数字波束形成技术
顾明超１，２，李春晓１，２，边㊀疆１，２，张汉卿１，２
（１．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄０５００８１；
２．河北省电磁频谱认知与管控重点实验室，河北石家庄０５００８１）摘㊀要：随着高速ＡＤＣ和高性能ＦＰＧＡ芯片工艺技术的飞速发展，芯片的小型化和集成化促进了电子战系统瞬时覆盖带宽由几十兆赫兹上升到几百兆赫兹甚至到吉赫兹量级，属于超宽带范畴㊂为了获得更远的探测距离性能，具备同时对多个辐射源侦测的能力，需要瞬时形成多个数字波束对目标区域密集覆盖㊂针对宽带时域校准与合成处理资源占用多㊁形成波束少的缺点，在ＦＰＧＡ中采用整数点移位与相位校准滤波方法实现了通道 校准，通过整数点移位与分数时延滤波处理降低了合成滤波器的阶数㊂对瞬时带宽内多个等间隔单音信号的波束指向进行仿真，通过波束图验证了宽带合成各频率指向的一致性㊂提出了一种处理实时㊁资源占用少的频域处理方法，结合ＦＰＧＡ芯片特性进行了硬件化实现，对合成前后频谱进行了对比，验证了合成增益㊂ 停车场闸机
关键词：阵列信号处理；ＦＰＧＡ；超宽带数字多波束形成；电子侦察
中图分类号：ＴＮ９１１㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：
文章编号：１００３－３１１４（２０２２）０１－０１７３－０７
ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＵＷＢＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍ⁃ＦｏｒｍｉｎｇｆｏｒＦＰＧＡ
ＧＵＭｉｎｇｃｈａｏ１，２，ＬＩＣｈｕｎｘｉａｏ１，２，ＢＩＡＮＪｉａｎｇ１，２，ＺＨＡＮＧＨａｎｑｉｎｇ１，２
（１．Ｔｈｅ５４ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００８１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＨｅｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＳｐｅｃｔｒｕｍＣｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＡＤＣａｎｄｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＰＧＡ，ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｆｏｒｃｈｉｐｓｍａｋｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｗａｒｆａｒｅｓｙｓｔｅｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍｔｅｎｓｏｆＭＨｚｔｏｈｕｎｄｒｅｄｓｏｒｅｖｅｎｔｈｏｕｓａｎｄｓｏｆＭＨｚ，ｗｈｉ
ｃｈｃａｎｂｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｔｏｕｌｔｒａ⁃ｗｉｄｅｂａｎｄｃａｔｅｇｏｒｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ／ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｒａｄｉａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｄｉｇｉｔａｌｂｅａｍｓｎｅｅｄｔｏｂｅｆｏｒｍｅｄｔｏｃｏｖｅｒｔａｒｇｅｔａｒｅａ．Ｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦＰＧＡｈａｓａｂｕｎｄａｎｔｌｏｇｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｓａｎｄｓｔｏｒａｇｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｎ⁃ｃｈｉｐ，ｗｈｉｃｈｉｓｈｉｇｈｌｙｓｕｉｔｂｌｅｆｏｒｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ⁃ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｉｎａｒｒａｙｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅｏｃｃｕｐａｎｃｙｒａｔｅｏｆｗｉｄｅｂａｎｄｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｆｏｒｍｍｏｒｅｂｅａｍｓ，ｉｎｔｅｇｅｒｐｏｉｎｔｓｈｉｆｔａｎｄｐｈａｓｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｈａｎｎｅｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｉｎｔｅｇｅｒｐｏｉｎｔｓｈｉｆｔａｎｄｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｅｌａｙｆｉｌｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｆｉｌｔｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎＦＰＧＡ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｅｑｕａｌｌｙ⁃ｓｐａｃｅｄｔｏｎｅｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕ
ｓｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｅａｃｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｄｅｂａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｅａｍｐａｔｔｅｒｎ．Ａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｒｏ⁃ｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｅｓｓｒｅｓｏｕｒｃｅｏｃｃｕｐａｎｃｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＦＰＧＡｃｈｉｐ．ＴｈｅｎｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅＤＢＦｉｓｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎｉｎｇｇａｉｎｃａｎｂｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｒａｙｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ＵＷＢｍｕｌｔｉｄｉｇｉｔａｌｂｅａｍ⁃ｆｏｒｍｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ
收稿日期：２０２１－１０－２０
基金项目：国家科技计划专项经费（２０１６ＱＹ１０Ｗ１８０２）
ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｄｓｏｆＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｌａｎ（２０１６ＱＹ１０Ｗ１８０２）
０㊀引言
相控阵技术是近年发展迅速的前沿热点技术之
一，早先应用于雷达探测技术，多为窄带阵列处理体
制［１］，典型带宽值为几兆赫兹至几十兆赫兹㊂随着技术推广，目前已经逐步应用到电子对抗系统中，瞬
时带宽也要求到几百兆赫兹甚至更高㊂２０２０年１２月中国工程院发布的信息与电子工程领域技术前沿，相控阵技术在该领域１０项前沿工程技术中占据两席，足以说明相控阵体制的技术先进性，对其关键技术工程化研究应用具有一定紧迫性，本文主要介绍其关键技术之一的超宽带数字波束形成技术的原理与其在ＦＰＧＡ中实现过程㊂
相控阵技术从有源放大和波控单元的位置区
分，可分为无源和有源相控阵；从波束形成方式区
分，可分为模拟波束合成㊁数字波束合成以及模数混
合波束合成；从技术发展角度看，相控阵从无源发展
到有源，从模拟发展到数字架构㊂数字波束形成是
相控阵领域中的一个关键技术，其本质是一种数字
化空域滤波，增强特定方位入射到阵列的信号，提高
信噪比，抑制其他方向的干扰与噪声，为之后信号处
理提供必要条件㊂在电子对抗领域，若能形成多个
指向可变的宽带数字波束密集覆盖敏感区域，通过
多波束并行侦察方式，势必能提高电子侦察系统的
信号截获概率㊂
电子对抗中对宽带没有明确定义，一般认为信
号带宽与中心频率之比小于１％时，为窄带信号；大
于１％小于２５％时，为宽带信号；若带宽与中心频率
的比值大于２５％，为超宽带（ＵＷＢ）信号［２］㊂在电子对抗领域，由于为非合作接收方式，不明确信号调制类型和带宽以及持续时间，需通过高速ＡＤＣ采集瞬时覆盖目标频段，再通过宽带侦察和信道化检测等措施对信号参数进行测量㊂目前瞬时带宽典型应用范围为３００ＭＨｚ及以下，瞬时覆盖５００ＭＨｚ到ＧＨｚ带宽的需求也将日益增多［３］㊂
Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ⁃７系列的大容量ＦＰＧＡ是一类性价比高且应用较广的芯片㊂这个系列ＦＰＧＡ有数量众多的逻辑／存储资源以及较为丰富的乘法器和数量众多的高速串行总线接口，非常适合于超宽带数字多波束的技术验证㊂
１㊀数字波束形成实现原理
１．１㊀数字波束合成原理
本文主要讨论信号接收波束形成，不涉及发射波束㊂早期的波束合成往往采用模拟移相的方式对
多路模拟信号进行移相后合路，由于模拟移相器在
宽频带中具有 非散 特性，对覆盖频带中各频
点移相值一样，应用于窄带信号的合成效果较为
理想㊂但是对于电子侦察而言，瞬时覆盖带宽高
达几百ＭＨｚ甚至ＧＨｚ，由于天线孔径效应的存在，
导致宽带波束方向与理想方向产生偏差，瞬时带
宽越大，天线的孔径效应越明显［４］㊂模拟信号移相合成方式已经不能满足宽带合成需求，必须采
用宽带数字校准合成技术实现对多阵元宽带数据
流的处理㊂
在阵列信号接收过程中，辐射源发出的目标信
号在空间传输后到达接收阵列天线的各阵元，由于
天线阵元的位置差异导致其接收信号的波程差异，
因此各阵元的输出信号存在一定的相对时间延迟㊂
对各阵元接收信号的时延做出补偿，让经过补偿后
的各个输出信号在所期望的空间方向上幅度为同向
相加，则此时可以最大化指定方向的波束输出信号
幅度，并且使其他方向上的波束幅值相应变小，由此
对非期望方向上的无用信号起到了抑制作用，用时
域滤波处理方式达到了空域滤波的效果，这也是数三方通话>实心锥形喷嘴
字波束合成的一般性原理㊂
下面以均匀线阵㊁单音信号输入为例进行说明，
相邻两个阵元间隔为ｄ，如图１所示
㊂
图１㊀信号入射均匀线阵示意图
Ｆｉｇ．１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｇｎａｌｉｎｃｉｄｅｎｔｕｎｉｆｏｒｍｌｉｎｅａｒａｒｒａｙ
假设阵元１为相位参考，来波方向与法线方向
夹角为θ，ｃ为光速，各阵元的时延表达式为［５］：
τｉ＝ｄ（ｉ－１）ｓｉｎθ
ｃ，ｉ＝１，２，．．．Ｎ㊂（１）则各阵元相位差如式（２）所示：
Δφｉ＝２πｆｃτｉ＝２πｆｃｄ（ｉ－１）ｓｉｎθ
ｃ＝
２πｄ（ｉ－１）ｓｉｎθ
λ
，ｉ＝１，２，．．．Ｎ㊂（２）若采样率为ｆｓ，则整数时延就近取整后，整数延迟值计算如式（３）所示：
Ｌｉｎｔ＝ｒｏｕｎｄ（τｉ㊃ｆｓ）㊂
（３）
分数时延计算如式（４）所示：
Ｌｆｒａｃｔｉｏｎ＝τｉ㊃ｆｓ－ｒｏｕｎｄ（τｉ㊃ｆｓ）㊂（４）式（１） （４）的推导隐含了一个重要前提，即各阵元接收到数字化过程的通道一致性是理想的，但实际情况并非如此，需要校准源产生扫频或梳状谱信号作为阵列接收模块的输入激励，对通道一致性进行校准，再按上述分析过程进行合成处理㊂
通道间不一致包括在法线方向时，各阵元接收信号时延不一致和通道间非线性相位差异，时延不一致可分解为整数采样点和分数点延迟，整数采样点可通过采样点校准在ＦＰＧＡ中对数据缓存或移位寄存器实现，分数点延迟和非线性相位差异可以与波束合成功能的分数点延迟功能进行合并，通过频域实现，这种组合实现方式有利于降低硬件实现的复杂度和资源消耗㊂
１．２㊀宽带数字波束合成实现过程
一般阵列处理系统包含阵列天线㊁模拟信道㊁数字处理和软件控制席位四部分㊂波束控制由软件席位控制模拟信道和数字部分电路完成㊂简化框图如图２所示
㊂
图２㊀宽带数字波束形成原理图
Ｆｉｇ．２㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｗｉｄｅ⁃ｂａｎｄＤＢＦ在图２中，若ＡＤＣ采样率足够高，采用射频直接采样体制接收覆盖目标频段，各阵元接收的多通道射频信号经过滤波放大后进入高速ＡＤＣ完成模数转换，通过实采样校准和数字延迟滤波完成波束合成功能，或者实采样信号通过宽带变频滤波后形成多相结构的零中频数据流，再经过宽带复校准和数字复合成滤波计算后，完成宽
带数字波束合成功能㊂
宽带侦察系统中，除了要求形成宽带波束，往往还采用宽带侦察引导窄带测向的方式，需要形成多个窄带波束进行控守，只需按照阵列模型和频点计算合成系数，再与按中心频点计算的通道间相位校准系数相乘，通过窄带滤波后的乘加运算完成信号合成功能㊂
２㊀宽带数字波束合成实现过程
波束合成的实现可分为时域法和频域法，无论哪种方法，预处理包含的采样同步㊁采样点校准都是必须的，都是ＤＳＰ通过回读ＦＰＧＡ内同步存储的多路数据，经过校准和合成算法，将计算后系数写入
ＦＰＧＡ中［６］进行后续运算㊂时域法和频域法均可实现宽带数字波束，处理方法的选择主要取决于波束数量㊁硬件资源消耗与系统成本㊂
２．１㊀时域合成法
宽带波束形成时域实现常见的有ＦＩＲ滤波器实现㊁基于Ｆａｒｒｏｗ的分数点延时法和微波光子技术的时延方法㊂Ｆａｒｒｏｗ结构［７］可实现任意分数点延迟，延迟改变只需更改输入参数即可，延迟精度取决于相数和阶数，对宽带多相数据而言，乘加器使用数量较大，工程化优势不明显㊂微波
光子技术［８］通过光延迟实现真延时功能，延迟精度受环境因素影响较大，目前技术成熟度暂不满足工程化要求㊂
宽带时域波束合成最常见做法是通过ＦＩＲ滤波器组实现的，利用ＦＩＲ滤波器实现各阵元不同延时后的加权㊂其设计思路是：若需在期望方向形成指向波束，选择带宽内一定数量频点来进行波束设计，得出在这些特定频点上的加权值，也就是得到每个阵元的幅度权与相位权㊂设计一组滤波器，使每个滤波器的幅相响应分别在这些频点上，与各阵元的幅度加权和相位加权近似相同㊂换言之，就是设计一组ＦＩＲ滤波器，用其幅频响应和相频响应分别拟合各阵元的幅度权与相位权㊂时域合成框图如图３所示
㊂
图３㊀时域合成框图
Ｆｉｇ．３㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ
ＤＢＦ
模拟信号数字化后，通过ＦＩＲ滤波器加权后相加，形成波束输出㊂在不考虑通道一致的情况下，为降低ＦＩＲ滤波器阶数，只需要滤波器实现分数点延迟，整数点延迟由ＦＰＧＡ内部缓存或移位寄存器完成㊂
理想的分数时延滤波器的冲激响应可表示为：ｈｉｄ（ｎ）＝ｓｉｎｃ（ｎ－Ｄ）㊂
（５）
当延迟不是正整数时，式（５）表示的滤波器是非因果的，若直接使用截断后的ｓｉｎｃ函数来设计分数时延滤波器，其性能往往是不可接受的㊂为降低吉布斯效应的影响，时域加窗是常用的方法㊂
加窗后的冲激响应如式（６）所示：
ｈ（ｎ）＝
Ｗ（ｎ－Ｄ）ｓｉｎｃ（ｎ－Ｄ），０ɤｎɤＮ
０，其他
{
，（６）
其中，理想冲激响应ｈｉｄ（ｎ）被窗函数截断，窗长Ｌ＝Ｎ＋１㊂窗函数可选择海明窗㊁汉宁窗以及切比雪夫窗等㊂窗函数法计算量小㊁实时性高，但硬件资源受限导致滤波器长度较短时，该方法难以控制幅度响应误差㊂若波束指向变化时，需不断加载更新滤波器系数，造成波束数据间断，影响对目标信号接收效果㊂
设计举例：２４阵元线阵，阵元间距０．１ｍ，采样率１６００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，瞬时覆盖５００ＭＨｚ带宽，要求形成３个波束，波束覆盖范围ʃ３０ʎ㊂
校准滤波器系数６４阶，时延滤波器系数３２阶，满足设计要求㊂单片ＦＰＧＡ接收２路采样数据，８相２００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ结构，若采用实信号校准合成方法，校准滤波消耗乘法器为６４ˑ８ˑ２＝１０２４，合成滤波消耗乘法器为３２ˑ８ˑ２ˑ３＝１５３６，合计２５６０个乘法器，采用ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ可实现预期功能，但只能形成１个波束㊂由此可见，宽带时域处理方法资源消耗多，尤其是数据为多相结构时，资源按相数线性增长㊂２．２㊀频域合成法
时域合成处理占用ＦＰＧＡ内部资源较多，因此必须转换思路，选择一种处理实时资源消耗少的校准合成方法支撑宽带阵列处理数字多波束应用需求㊂
时域校准合成实质为数据流与时域系数卷积运算，需通过并行乘加实现㊂若将运算变换至频域处理，校准合成系数先进行卷积运算，补零后通过ＦＦＴ运算变换至频域，频域系数与频域数据串行相乘，各路相加后再ＩＦＦＴ变换至时域，形成ＤＢＦ数据流㊂ＦＦＴ和ＩＦＦＴ消耗乘法器和存储资源较少，乘法器的使用数量较时域大为减少㊂频域合成ＦＰＧＡ实现如图４所示
终端准入系统㊂图４㊀频域合成ＦＰＧＡ实现框图
Ｆｉｇ．４㊀ＦＰＧＡｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎＤＢＦ
图４中，通过ＪＥＳＤ２０４Ｂ总线接收的采样数据经过多相滤波形成四相零中频数据流，对多相数据流按Ｎ点等间隔进行划分，数据块顺序与ＦＰＧＡ中４路处理资源对应，经过数据缓存并串转换后进行ＦＦＴ运算，并与ＤＳＰ下发的频域系数相乘后与其他数据通道的对应支路求和，ＩＦＦＴ变换至时域，串并转换后，按照时间对应关系重新排列数据，形成连续的波束合成时域数据流㊂
３㊀ＦＰＧＡ实现验证
在超宽带波束合成ＦＰＧＡ实现过程中，遇到了多个技术实现问题㊂例如频率分辨率与自校源步进不匹配，ＦＰＧＡ处理时钟高造成时序收敛困难，数据传输量过大导致形成波束数量减少，频域合成后的时域数据断数，校准合成一体设计降低资源量，提升波束扫描连续性等ＦＰＧＡ实现问题㊂３．１㊀采样率变换提升处理与传输
在工程应用中，校准时理想状态是让校准频点精确落在整数谱线上㊂自校源产生的频率步进最小为５００ｋＨｚ，若按采样率进行计算，采样
率
８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，ＦＦＴ点数２５６，此时频率步进为３．１２５ＭＨｚ，不能与自校源进行适配㊂
在ＸＣ７ＶＸ６９０Ｔ中，当ＦＰＧＡ资源占用较多时，时钟速率运行至２００ＭＨｚ会造成时序收敛的困难㊂采样率为８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，一个波束的数据量为２５．６Ｇｂｉｔ／ｓ，再加之６４／６６ｂｉｔ编码效率以及９５％的传输效率，数据量为２７．７９Ｇｂｉｔ／ｓ，需通过一组４ＸＡｕｒｏｒａ总线才能将一个波束传出，造成ＦＰＧＡ高速串行接口使用过多，减少了波束数据的传输，从而限制了波束形成数量㊂
为了解决以上三点问题，设计了基于多相结构的采样率变换模块，采样率由８００Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ变换至６４０Ｍｓａｍｐｌｅ／ｓ，校准的频率步进由３．１２５ＭＨｚ变为６４０／２５６＝２．５ＭＨｚ，适配了自校源频率步进特性㊂通过采样率变换后，ＦＰＧＡ内部逻辑处理时钟为６４０／４＝１６０ＭＨｚ，有效降低了ＦＰＧＡ电路时序收敛的难度，降低了ＦＰＧＡ技术开发难度㊂
通过变采样率运算后，ＦＰＧＡ内部形成一个波束数据量为２２．２３２Ｇｂｉｔ／ｓ，采用２ＸＡｕｒｏｒａ（线速率为１２．５Ｇｂｉｔ／Ｌａｎｅ）便可完成波束数据传输，提高了产生极传输的数量㊂
３．２㊀ＩＦＦＴ变换后波束数据不连续
在频域处理时，通过仿真发现ＩＦＦＴ后的波束数据存在不连续现象，即当进行ＩＦＦＴ变换时，存在瞬态信息丢失问题㊂因此频域处理必须消除两次ＩＦＦＴ交界处相位不连续对合成造成的影响［９］㊂结合ＦＰＧＡ实现特点，采用１／２交叠运算的办法对相邻两次ＩＦＦＴ后时域数据交叠处进行去重处理㊂以单音信号为输入，通过仿真对比，频域ＦＦＴ处理不作１／２交叠与作１／２交叠，输出时域数据的对比㊂光滑曲线是经过１／２交叠后的曲线，三角符
号曲线代表未经过１／２交叠的曲线，如图５所示
视频处理
㊂
图５㊀ＦＦＴ计算１／２交叠对比图
Ｆｉｇ．５㊀１／２ｏｖｅｒｌａｐｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｃｈａｒｔｏｆＦＦＴｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ由图５不难看出，未经过１／２交叠处理的数据波形存在明显数据点周期性跳变现象，跳变周期与ＦＦＴ点数一致㊂与不交叠处理相比，交叠处理会使ＦＰＧＡ波束形成模块的资源消耗翻倍，但与时域校准合成相比，频域处理资源消耗小，仍具明显优势㊂３．３㊀频域校准合成一体设计
传统的宽带时域数字波束形成多采用多相分解滤波器的结构，对通道校准滤波器和时延滤波器独立设计，通过滤波器级联的方式硬件实现，导致乘加滤波资源消耗过大，宽带波束形成个数较少，工程化使用受限㊂
如果将时域信号变换至频域处理，可在ＤＳＰ处理器中，对校准系数与合成系数首先进行时域卷积运算，达到校准系数与合成系数一体设计的效果，再转化成频域系数进行乘加运算后转换为时域数据，通过这样的转化运算能有效降低ＦＰＧＡ内乘法器资源消耗，提升波束形成个数，工程化优势明显㊂３．４㊀提升波束扫描连续性
传统的数字波束合成采用延时滤波器实现，在ＦＰＧＡ中通过对ＦＩＲ滤波器在线配置实现㊂当波束
指向发生变化时，需要实时对时延滤波器系数进行加载更新和复位，在更新系数时，输出的ＤＢＦ存在时间上间断现象，影响对目标信号侦察控守㊂
频域处理时，合成系数是按块运算的，只要提前将指向系数写入ＦＰＧＡ缓存内，在ＦＰＧＡ的时序控制下，将系数写入波束合成模块，在不复位电路的情况下，对波束指向进行 捷变 ，切换速率为ＦＰＧＡ内部一个时钟周期㊂自动线喷涂
３．５㊀频率指向一致性验证
为了验证瞬时带宽内ＤＢＦ后各频率指向一致性，５００ＭＨｚ内产生２６个等间隔２０ＭＨｚ的单音信号进行仿真，在３０ʎ指向时，得到各频率的波束图㊂由图６可以看出，所有频率分量的单音信号都指向了３０ʎ，没有其他方向的波束峰值出现，从而验证了宽带下各频率指向一致性
㊂
图６㊀多音信号波束指向仿真
Ｆｉｇ．６㊀Ｂｅａｍｐｏｉｎｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｔｏｎｅ
ｓｉｇｎａｌ
豫公网安备41160202000603
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