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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)之間的距離依次到達(dá)每根天線(xiàn)，這樣天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性陣列布置了8 根天線(xiàn)，如圖2 中的整體方框圖所示。這里的天線(xiàn)頻率為2.5GHz，所以每個(gè)天線(xiàn)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(kāi)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(mén)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(xiàn)電板是一種3U OpenVPX Cobalt 開(kāi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)板安裝在OpenVPX 背板的插槽1 和插槽2，CPU 開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)發(fā)板通過(guò)兩個(gè)x4 PCIe 鏈路，又稱(chēng)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(kāi)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(kāi)發(fā)板的4X Aurora 求和輸入端口。然后將第二個(gè)53661 開(kāi)發(fā)板的四通道本地總和與第一塊開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)纜長(zhǎng)度變化和天線(xiàn)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(xiàn)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 。