1 引 言
相控阵是经过波控体系操控阵列天线各单元通道的相位、起伏以构成空间波束并操控其方位角和俯仰角。前期的波控体系一般选用硬件电路来完结，这种完结办法的缺陷是设备量大，不灵敏，很难完结波束的杂乱核算，不易满意特殊要求。后来选用单片机、DSP芯片来规划波控体系，单片机一般不核算波控码，仅仅是依据接收到的波控码布相，而DSP能够自己核算波控码，可是单片机、DSP都是象流水线相同串行的运转指令，也便是说，不能并行地对各天线单元通道进行波控码核算和布相。
针对波控体系要求高速核算、多通道并行逻辑操控的特色，选取FPGA作为波控体系的中心处理器。现在选用大规模FPGA器材来完结波控体系的规划还很少，选用FPGA能够大大简化波控体系硬件规划，把曾经的硬件逻辑操控电路悉数集成在FPGA芯片内部，然后完结对波控羁的高速并行核算和对各单元通道的并行同步操控，本文针对这种依据FPGA波控体系规划计划的可行性进行了讨论。
2 波控体系规划要求
2.1 接口规划
某电子体系组成如图1所示。体系主控核算机和波控体系之间信息交换量很大，要求收发速度都要很快；一起天线阵元许多，接口有必要有可扩展性，实践中选用了以太网（Ethernet）技能。
以太网协议是指依据IEEE 802.3标准拟定的局域网协议（Local Area Network，LAN）中的CSMA／CD协议。一方面，以太网与传统的RS 485、CAN总线等比较，以太网愈加高速、通用，经过恰当取舍和优化的TCP／IP协议栈，也彻底能够习惯工业用处的需求。另一方面，相对于新式的USB 2.0，IEEE1394等总线，以太网技能在传输间隔、布线本钱以及操控软件的通用性上都有显着的优势。
波控体系需求实时操控T／R组件以及进行状况检测，选用同步串行传输办法，时钟20 MHz，完结一次T／R组件从头布相以及状况检测需求1μs。
2.2 模块化规划
体系天线阵列有几百个阵元，而且要求可扩展性，用一个FPGA波控板不可能完结这样杂乱的操控和运算，每一个阵元在天线阵的方位是不相同的，可是对T／R组件、移相器的操控以及接口都是相同的。每个FPGA波控板操控一个天线子阵，而一个天线子阵由25个天线单元组成，所以考虑选用模块化规划办法。体系上电作业，主控核算机立行将每个FPGA波控板的方位信息下发。波控板也依据自己所接受到的方位信息核算每个天线阵元的移相值。这样的规划就完结了波控板的互换性，每一个波控板的软件和硬件都是彻底相同的，任何一块出了问题都能够当即替换，而不需求考虑他的方位，便利修理作业。
3 波控体系规划
3.1 波控码核算公式
相控阵天线上第（i，j）单元通道相对于参阅单元第（0，0）单元通道的相位差φ（i，j）：
式中：d1为相邻天线单元在阵面水平方向的距离，d2为相邻天线单元在阵面笔直方向的距离；（φ，θ）为天线波束指向，其间φ为方位角，天线波束与天线阵面水平方向的夹角，θ为俯仰角，天线波束与相控阵阵面的夹角；δij为第（i，j）单元通道与参阅单元之间的初始相位差错。
3.2 FPGA完结
FPGA作为波控体系的中心处理器，依照功用区分为：波控码核算模块、以太网操控器模块、相控阵单元操控模块、温度操控模块、开关量操控模块、体系状况操控模块。FPGA内部各功用模块区分如图2所示。这些模块都是并行作业，比方相控阵天线单元操控模块能够对各单元同步实时操控，彻底确保各单元通道相位同步切换。
波控码核算模块将得到的波束指向信息（方位角、俯仰角）和频率快速的核算出相控阵各单元通道的相位值。为了取得相控阵天线的低副瓣功能，有必要严格操控天线各单元通道内的起伏和相位差错。一起，T／R组件、天线单元在加工装置过程中各单元通道并不能够确保相位彻底共同，存在相位差错。因此，在丈量各天线单元与参阅天线单元之间的起伏和相位差错的基础上，波控码核算模块经过改动波控码，对各单元通道之间的相位差错加以批改。
以太网操控器模块首要完结以太网接口规划，使波控体系能够和主控核算机高速牢靠的进行信息沟通，主控核算机下发频率、方位、俯仰信息，波控体系上传实践波束方位俯仰角、T／R组件状况、作业频率、温度等信息。
相控阵单元操控模块的使命便是并行同步操控各单元通道，先将移相值和收发开关操控值组组成波控码，然后经过自定义的I／O口将波控码发送到相应的T／R组件，完结对T／R组件的操控，完结布相，得到需求的波束指向。
FPGA各功用模块软件规划均选用VHDL言语，VHDL言语用硬件数字逻辑电路来完结软件算法，他的特色是完结整数的加减法、乘法十分快捷，可是完结除法（被除数不是2的整数次幂）和对小数的算法比较困难。依照上面公式核算波控码，VHDL言语直接完结这样的核算是很困难的，他不能够直接完结三角函数运算和浮点运算。解决办法便是，在FPGA的装备芯片中存储一个4 096×16 b的正弦表，经过查表法直接完结三角运算，浮点运算则选用定点运算来代替。用仿真软件ModelSim XE对方位俯仰电扫描核算成果进行仿真，波控码核算成果如图3所示。
3.3 波控体系规划验证
在波控码实时核算软件规划中，一切的加减乘除都选用定点运算，而且三角函数核算也是选用查表法完结，所以和浮点核算比较波控码核算成果差错加大，精度下降。选取离参阅单元较远的第（4，4）单元通道，将浮点运算和定点运算得到的波控码值进行比较，波控码差错δcode：
用Matlab模仿FPGA定点运算和三角查表运算进行仿真，在仿真图中能够清楚地看到波控码差错绝对值小于0.02，定点核算成果和真值差错很小。
一起经过体系实践运转来验证计划的可行性，将波控体系与体系联试，FPGA在每次从头布相后将各个移相器的波控码上发给主控核算机，将这些波控码与主控核算机浮点运算成果相比照，发现实践情况与仿真成果相吻合，实践运算与仿真运算共同，契合精度要求和实时性要求。
4 结语
本文论述了一种依据FPGA完结相控阵波控体系的规划计划，而且经过软件仿真和实践运转验证这种计划规划的可行性。这种计划规划充分发挥了FPGA芯片的高速、并行特色，能够同步并行操控天线各单元通道，确保了相控阵天线波束切换的高速性和各单元的共同性。
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