CN101806885A - 一种多通道阵列信号发生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道阵列信号发生装置及其发生方法，该装置包括：信号参数设置模块，用于实现信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向的选择；移位寄存器和反相器网络模块，用于生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；开关矩阵，用于根据所需的信号参数，从方波信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的方波信号；低通滤波器，用于对所述的多路方波信号整形，得到多路正弦波信号；电平转换电路，用于对所述的多路正弦波信号做电平转换。本发明适用于单频脉冲信号波束形成发射/接收信号的模拟，其设计巧妙，具有实现方便、体积小、成本低、功耗低、通道数多的优点。

Description

一种多通道阵列信号发生方法和装置

技术领域

本发明涉及声纳、雷达及无线通信技术领域，特别涉及多通道换能器/天线阵列系统中接收/发射波束形成相关技术。

背景技术

波束形成通常与声波发射/接收换能器阵列或者电磁波发射/接收天线阵列协同工作，广泛应用于声纳、雷达、通信等领域。波束形成包括对接收信号做波束形成和对发射信号做波束形成两部分：

(1)对接收信号做波束形成：为了使换能器/天线阵列加强从某个或多个特定方向到达的信号，基本的波束形成方法对每一路阵元接收的信号按该波束方向进行延时，再把经时延对齐的各路信号相加，得到指向特定方向的波束输出。如图1所示。

(2)对发射信号做波束形成：为了使换能器/天线阵列发射指向一个或多个特定的方向，设计每一路阵元发射的信号按指定波束方向具备一定的延时关系。

用于成像、测绘、定位、目标检测的声纳或者雷达系统，其在被动工作时，通常包含接收-处理部分；在主动工作时，通常包含接收-处理部分和处理-发射部分。对于接收-处理部分，由于先期一般需在室内实验室环境下，对信号接收/处理系统进行调试，而此时接收的换能器/天线阵列信号往往不具备实际使用现场的测试特性，有些调试工作还需消除接收电路与前端换能器/天线阵列的耦合。因而，它需要一种多通道阵列接收信号模拟器来模拟换能器/天线阵列接收特定位置信源的过程，产生多通道的阵列信号，以供所述信号接收-处理系统进行测试、校准、算法验证。对于所述处理-发射部分，则需要一种多通道阵列发射信号生成器以产生一组激励信号，通过功率放大后，加到发射阵列的各个换能器/天线，使得信号能量朝特定方向发射。

为实现指向性波束发射/接收，多通道信号之间必须满足一定的幅度和延时关系。事实上，“多通道阵列接收信号模拟器”生成信号的过程与“多通道阵列发射信号生成器”生成信号的过程源于相同的物理机制，在执行结构上，二者具有技术上的共通性，因此，通常可以把多通道阵列接收信号模拟器和多通道阵列发射信号生成器合成为多通道阵列信号发生器。当接收阵列接收某一个方向信源信号时，它能够仿真产生该接收阵列各阵元的输出接收信号；当发射阵列发射某一个定向波束时，它能够产生该发射阵列各阵元的输入激励信号。

多通道阵列信号发生器在声纳、雷达、通信系统的应用中占有很重要的地位。海底锚系声纳和自主水下航行器/水下滑翔机观测声纳是近年来水声工程技术发展的热点，其中采用多通道阵列发射/接收的主动声纳系统在水底地形成像、目标主动探测、水体性质(典型如流速)测量等方面有着重要的应用。这些场合中由于多采用电池供电，对设备功耗有很高的要求，自主水下航行器/水下滑翔机平台的承载空间也非常有限。

多通道阵列信号发生器是信号发生器的一种。现有的商用信号发生器，如安捷伦、泰克等信号发生器，虽然精度较高、通用性较好，但是通道数少，其通道数普遍为4通道，且各通道独立，通道间信号的关系不便调节，不宜用作多通道阵列信号的发生。

目前，一般实验室自制的多通道信号发生器和为数不多的商用专业多通道信号发生器多采用各通道独立数字波形控制加数模转换技术，如采用单片机、FPGA、CPLD控制多个D-A(数模转换芯片)的方法，来产生多通道的阵列信号。采用该技术，一个通道需要一片D-A。这样，这种技术就存在如下的缺点：单片机、FPGA、CPLD的管脚数资源有限，D-A价格较贵，体积较大，功耗较大；并行D-A所需的数据/控制管脚较多，串行D-A的数据/控制管脚较少而转换速度较慢，且各D-A之间数据更新的同步不好控制，实现过程复杂。这些缺点在需要的阵列信号路数较多时，尤为明显。

综上所述，发展小体积、低功耗、低成本、实现方便、通道数较多的多通道阵列信号发生器有很迫切的需要和广泛的应用前景。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明针对单频脉冲信号波束形成接收/发射信号的产生，提出一种多通道阵列信号的发生方法和装置，它能在需要信号通道数较多的情况下，以较小的功耗、体积、成本代价方便地模拟声波换能器/电磁波天线接收阵列输出接收信号，也可以生成声波换能器/电磁波天线发射阵列所需的激励信号。

为实现上述目的，本发明提供了一种多通道阵列信号发生装置，它包括：

(1)信号参数设置模块，包含时钟管理器、定时器、信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向设置子模块、通道选择系数存储子模块，用于实现信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向的选择；

(2)移位寄存器和反相器网络模块，用于生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，所述方波信号集合作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

(3)开关矩阵，用于根据所需的信号参数，从所述的备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

(4)低通滤波器，用于对所述的多路方波信号整形，得到多路正弦波信号；

(5)电平转换电路，用于对所述的多路正弦波信号做电平转换。

所述信号频率/脉宽/阵列形状阵元位置/接收波束形成方向的选择过程如下：

(1)首先，设置信号频率、阵元位置、波束形成方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、波束形成方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/波束形成方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

所述各路信号的延时/初始相位计算过程：一个特定的阵列布置，其在三维空间XYZ坐标系下的第i个阵元的位置的表达式如下：

$r_i=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{xi}}\\ r_{\mathrm{yi}}\\ r_{\mathrm{zi}}\end{array}\right]$

接收/发射波束方向的表达式：

$u=\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right],$ φ是水平角，θ是俯仰角

假设接收到的信号是一个远场的信号exp(jωt)，把它近似为平面波信号，在介质中传播速度为c，角频率ω，频率f。因此第i个阵元接收到的信号的表达式为：

$x_i\left(t\right)=\exp (\mathrm{j\ωt}-2\mathrm{\πf}{r}_i^T\·u/c)i=\mathrm{1,2},\·\·\·M$

延时表达式为：

${\mathrm{\τ}}_i=r_i^T\·u/c=(\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{r}_{\mathrm{xi}}+\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}{r}_{\mathrm{yi}}+\sin \mathrm{\θ}{r}_{\mathrm{zi}})/c$

相位表达式为：

由于信号的周期为2π，可以对相位以2π取模，得到：

所述通道选择系数的计算过程如下：第i个阵元输出信号对应的通道选择系数表示对四舍五入取整，其中，[ ]为向下取整符号，

为所述各路信号的初始相位，N为移位寄存器的个数，

为所述移位寄存器和反相器网络生成多路延时/初始相位等差的方波信号的最小相位差。

所述移位寄存器和反相器网络模块是由多个移位寄存器和反相器首尾级联形成的环路，移位寄存器的初始状态均为0。该移位寄存器和反相器网络模块对输入频率为f_clk的时钟信号分频得到所需频率的方波信号，所述方波信号频率f＝f_clk/2N，其中，N为移位寄存器的个数。在移位寄存器和反相器网络中，每个移位寄存器输出方波之间的相位有着等间隔的差异，这个相位的间隔为

N为移位寄存器的个数，推导过程如下：

各个移位寄存器输出(即移位寄存器状态值)之间的关系可以表示如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1(t+T)=\stackrel{\‾}{y_N\left(t\right)}\\ y_{i+1}(t+T)=y_i\left(t\right),1\≤i\≤N-1\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1^{\′}(t+T)=\stackrel{\‾}{y_N^{\′}\left(t\right)}\\ y_{i+1}^{\′}(t+T)=y_i^{\′}\left(t\right),\end{array}\right.1\≤i\≤N-1$

yi′(t)＝yi(t)

其中y_i′(t)表示把第i个移位寄存器的输出接到反相器，反相器在t时刻的输出值。由以上式子可以得出，y_i+1(t)和y_i(t)之间的时延是T，换算成相位就是

若假设y₁(t)的初始相位为0，则y₂(t)为π/N，y₃(t)为2π/N，以此类推，y_i(t)为(i-1)π/N，y_N(t)为(N-1)π/N。y_i+1′(t)和y_i′(t)之间的相位差也是

由于yi′(t)＝yi(t)，相位相差π，假设y₁(t)的初始相位为0，则y₁′(t)的初始相位为π，y₂′(t)为(N+1)π/N，以此类推，y_i′(t)为(N+i-1)π/N，y_N′(t)为(2N-1)π/N。由上可知，y₁(t)，y₁′(t)，y₂(t)，y₂′(t)…y_N(t)，y_N′(t)的初始相位均匀的分布在0～2π之间。于是，y₁(t)，y₁′(t)，y₂(t)，y₂′(t)…y_N(t)，yN′(t)可以作为具有不同初始相位的方波信号集合，当我们需要某个初始相位的信号时，我们就可以在这个方波信号集合中，选择初始相位最接近所需信号初始相位的方波信号作为输出。当N越大时，相位差

越小，则信号集合中信号的初始相位就可以越接近我们所需信号的初始相位，误差就会越小。

我们以某个移位寄存器的输出信号为参考，假定其初始相位为0，这样就可得到各个移位寄存器输出信号相对的初始相位，也就得到了2N个延时/初始相位等差的方波信号，作为所述的备选信号集合。

所述低通滤波模块，是用于对所述的多路方波信号整形，得到多路正弦波信号，其过程如下：

周期方波信号的表达式为：

$x\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|t\right|<T_1\\ 0,& T_1<\left|t\right|\&le;\frac{T}{2}\end{array}\right.,$ 且x(t)＝x(t+T)

傅立叶变换为：

$X\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\underset{k=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2\sin k{\mathrm{\&omega;}}_0{T}_1}{k}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-k{\mathrm{\&omega;}}_0)$

因为该分频得到的方波的占空比为50％，即 $T_1=\frac{T}{4},$ 代入 ${\mathrm{\&omega;}}_0=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T},$ 所以傅立叶表达式化简为：

$X\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\underset{k=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2\sin \mathrm{k\&pi;}/2}{k}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-k{\mathrm{\&omega;}}_0)$

可以看出，当k为偶数时傅立叶变换系数值为零，只有为奇数时才有非零值。也即是说，该方波只包含了奇数次的谐波，用截止频率为f_c(f_c满足f＜f_c＜3f，f为多路方波信号的频率)的滤波器，把方波的三次及其以上的谐波滤掉，得到所述的多路正弦波信号。

所述电平转换电路根据下一级电路输入电平标准的要求，将多路正弦波信号电平转换为相应的电平形式。

本发明还提供一种多通道接收阵列输出信号的模拟生成方法，它包括以下步骤：

1)通过信号参数设置模块，对信号频率/脉宽/阵元位置/接收波束方向进行选择；

2)通过移位寄存器/反相器网络模块，生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

3)根据所需的信号参数，选择相应的通道选择系数去控制开关矩阵，再由开关矩阵从备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的多路方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

4)低通滤波器对所述的多路方波信号低通滤波，得到多路的正弦波信号；

5)电平转换电路对所述的多路正弦波信号做与输出接口匹配的电平转换。

所述信号频率/脉宽/阵元位置/接收波束方向的选择过程如下：

(1)首先，设置信号频率、阵元位置、接收波束方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、接收波束方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/接收波束方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

本发明还提供一种多通道发射阵列激励信号的生成方法，它包括以下步骤：

1)通过信号参数设置模块，对信号频率/脉宽/阵元位置/发射波束方向进行选择；

2)通过移位寄存器和反相器网络模块，生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

3)根据所需的信号参数，选择相应的通道选择系数去控制开关矩阵，再由开关矩阵从备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的多路方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

4)低通滤波器对所述的多路方波信号低通滤波，得到多路的正弦波信号，作为发射阵列的激励信号。

所述信号频率/脉宽/阵元位置/发射波束方向的选择过程如下：

(1)首先，设置信号频率、阵元位置、发射波束方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、发射波束方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/发射波束方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

本发明适用于单频脉冲信号波束形成发射/接收信号的模拟/生成，相比现有技术，本发明更加巧妙，具有实现方便、体积小、成本低、功耗低、通道数较多等显著特点，可在ASIC/FPGA中用硬件描述语言编程后，再加适当的外围电路得以实现。

附图说明

图1是现有技术阵列接收信号的“延时求和”波束形成原理示意图；

图2是本发明实施例的多通道阵列信号发生装置结构示意图；

图3是本发明实施例的多通道接收阵列输出信号的模拟生成方法流程图；

图4是本发明实施例的阵元位置和波束入射方向的三维空间坐标系表示图；

图5是本发明实施例的U型阵阵元位置示意图；

图6是本发明实施例的移位寄存器/反相器网络模块连接方法示意图；

图7是本发明实施例的128路所需延时/相位的方波信号产生过程示意图；

图8是本发明实施例的低通滤波器电路原理图；

图9是本发明实施例的电平转换电路原理图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例详细说明本发明。

参见附图。本实施例的多通道接收阵列输出信号的模拟发生方法，是针对声纳系统的应用环境描述的，但其原理在雷达、通信系统中亦是相通的。本发明的具体实施实例只是起示范的作用，并不用以限制本发明的保护范围。

本实施例可产生128通道差分输出、各通道间相位一致性较好、频率165/195khz、阵元位置由U形/均匀直线(ULA)阵决定、接收波束方向为正负0/30/45/60/90度、脉宽10ms的声纳接收阵列输出信号。多通道阵列信号发生装置的模块图如图2所示，主要由外围电路模块、信号参数设置模块、移位寄存器和反相器网络模块、开关矩阵、低通滤波器、电平转换电路组成。其中外围电路模块用于为整个电路提供系统时钟、电源、通信接口、复位控制信号、拨码开关等，该外围电路具体包括：20Mhz的晶振作为整个电路的系统时钟，正负5伏电源供电，RS232/JTAG作为通信接口，触发开关提供复位控制信号，多个拨码开关用于选择不同的信号频率和接收波束方向。在此装置的基础上提出了多通道接收阵列信号的模拟发生方法。如图3所示，实施该方法的具体流程主要包括：信号参数设置、备选信号集合的获取、满足所需延时/初始相位的方波信号的选取、低通滤波、单端-差分电平转换、外围电路设计。

所需要模拟的声纳接收阵列信号为单频正弦波脉冲信号，其具体参数为：频率165/195khz、阵形为U形/均匀直线阵、接收波束方向为正负0/30/45/60/90度、脉宽10ms。

多通道接收阵列信号的模拟发生方法，包括如下步骤：

1、通过信号参数设置模块，对信号频率/脉宽/阵元位置/接收波束方向进行选择，具体包括如下步骤：

(1)首先，设置信号频率、阵元位置、接收波束方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、接收波束方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，所述各路信号的延时/初始相位计算过程如下：

图4中，r_i表示阵元位置和u表示波束入射方向，表1是在声源频率165khz、U形阵(该阵有128个阵元，各个阵元的坐标位置如图5所示)、入射角为0度时，按照下列表达式：

延时表达式

${\mathrm{\&tau;}}_i=r_i^T\&CenterDot;u/c=(\cos \mathrm{\&phi;}\cos \mathrm{\&theta;}{r}_{\mathrm{xi}}+\sin \mathrm{\&phi;}\cos \mathrm{\&theta;}{r}_{\mathrm{yi}}+\sin \mathrm{\&theta;}{r}_{\mathrm{zi}})/c$

相位表达式

以2π取模后相位表达式

算出的各个阵元输出信号对应的初始相位。计算中声速假设为1500m/s。

表1各阵元输出信号对应的初始相位

阵元号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																相位	327	47	126	206	286	6	86	166	246	327	47	127	208	289	10
阵元号	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
																相位	91	172	253	334	56	138	219	302	24	106	189	272	355	78	161
阵元号	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40	41	42	43	44	45
																相位	245	329	54	138	223	309	35	121	208	295	23	111	200	290	21
阵元号	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59	60
																相位	112	205	299	34	130	229	329	71	177	286	39	157	282	57	204
阵元号	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75
																相位	9	200	71	0	0	71	200	9	204	57	282	157	39	286	177
阵元号	76	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89	90
																相位	71	329	229	130	34	299	205	112	21	290	200	111	23	295	208
阵元号	91	92	93	94	95	96	97	98	99	100	101	102	103	104	105
																相位	121	35	309	223	138	54	329	245	161	78	355	272	189	106	24
阵元号	106	107	108	109	110	111	112	113	114	115	116	117	118	119	120
																相位	302	219	138	56	334	253	172	91	10	289	208	127	47	327	246

阵元号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																阵元号	121	122	123	124	125	126	127	128
相位	166	86	6	286	206	126	47	327

对其他接收波束方向或者其他类型接收阵，各阵元输出信号初始相位的计算方法同上。

再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，所述通道选择系数的计算过程如下：

第i个阵元输出信号对应的通道选择系数

表示对

四舍五入取整，[ ]为向下取整符号，

为所述移位寄存器和反相器网络生成多路延时/初始相位等差的方波信号的最小相位差。与表1相对应的各阵元输出信号对应的通道选择系数如表2所示：

表2各阵元输出信号对应的通道选择系数

阵元号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																系数值	220	32	85	139	193	4	58	112	166	220	32	86	140	194	7
阵元号	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
																系数值	61	116	170	225	38	93	148	203	16	72	127	183	239	53	109
阵元号	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40	41	42	43	44	45
																系数值	165	222	36	93	151	208	24	82	140	199	16	75	135	195	14
阵元号	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59	60
																系数值	76	138	201	23	88	154	221	48	119	192	26	106	190	39	137
阵元号	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75
																系数值	6	135	48	0	0	48	135	6	137	39	190	106	26	192	119
阵元号	76	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89	90
																系数值	48	221	154	88	23	201	138	76	14	195	135	75	16	199	140
阵元号	91	92	93	94	95	96	97	98	99	100	101	102	103	104	105

阵元号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																系数值	82	24	208	151	93	36	222	165	109	53	239	183	127	72	16
阵元号	106	107	108	109	110	111	112	113	114	115	116	117	118	119	120
																系数值	203	148	93	38	225	170	116	61	7	194	140	86	32	220	166
阵元号	121	122	123	124	125	126	127	128
																系数值	112	58	4	193	139	85	32	220

对其他接收波束方向或者其他类型接收阵，各阵元输出信号的通道选择系数计算方法同上。

将计算得到各组通道选择系数存储于通道选择系数存储子模块中，不同组的通道选择系数对应不同的阵元位置/接收波束方向；

(2)设置信号脉宽10ms，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度为10ms，得到高低电平以10ms交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到脉宽为10ms的信号；

(3)系统输入时钟为20Mhz，根据所设置的信号165/195khz频率，由时钟管理器输出特定频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到165/195khz频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目N，来得到165/195khz频率的信号。

2、通过移位寄存器和反相器网络模块，生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数。对所述的f＝f_clk/2N表达式，可以验证如下(如表3所示)：

表3：各时钟周期时刻移位寄存器的状态真值表

	y1(t)	y2(t)	y3(t)	……	yN(t)
						0	0	0	0	……	0
T	1	0	0	……	0
						2T	1	1	0	……	0
……	……	……	……	……	……
						(N-1)T	1	1	1	……	0
NT	1	1	1	……	1

	y1(t)	y2(t)	y3(t)	……	yN(t)
						(N+1)T	0	1	1	……	1
(N+2)T	0	0	1	……	1
						……	……	……	……	……	……
(2N-2)T	0	0	0	……	1
						(2N-1)T	0	0	0	……	1
2NT	0	0	0	……	0
						(2N+1)T	1	0	0	……	0
(2N+2)T	1	1	0	……	0
						……	……	……	……	……	……

表3中，T为时钟周期，y_i(t)为t时刻时第i个移位寄存器的状态值。由表3可知，在周期为T的时钟边沿触发作用下，每个移位寄存器交替地输出NT时间长的高电平，NT时间长的低电平，该高低电平的交替就得到了方波。可以算出移位寄存器输出方波的频率为f＝1/(2NT)＝f_clk/(2N)。

所述的多路延时/初始相位等差的方波信号具体的生成过程如下：

此处选用D触发器作为移位寄存器，按照图6所示的方式首尾级联起来成为环路，得到D触发器和反相器网络模块，并且触发器的初始状态都设为0，则可对时钟信号分频得到所需频率的方波信号，信号频率f＝f_clk/2N，N为触发器的个数。此处20Mhz的系统时钟经过时钟管理器2倍频后f_clk＝40Mhz，f＝165khz，可以计算出N＝(f_clk/f)/2≈121。实际产生的信号频率为f′＝f_clk/(2N)＝40Mhz/(2*121)≈165.3khz，有0.3khz的误差。对于165khz信号，可实现的最小相位差

换算成角度是180/121＝1.488度。也即是说相位的精度为1.488度。可以看出，提高时钟的频率，相应的增加D触发器的个数，可提高最小延时/相位的精度。

我们以某个D触发器的输出信号为参考，假定其初始相位为0，这样就可得到各个移位寄存器输出信号相对的初始相位，也就得到了242个相位/延时等差的方波信号，作为开关矩阵需要的备选信号集合。此处D触发器/反相器网络用VHDL硬件描述语言在FPGA中实现。

3、根据所需的信号参数，选择相应的通道选择系数去控制开关矩阵，再由开关矩阵从备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的128路方波信号，作为各通道输出的128路方波信号，所述的从备选信号集合中选择出满足延时需要的128路方波信号的具体过程如下：

如图7所示，121个移位寄存器对应165khz信号，102对应195khz。以得到128路165khz方波信号为例，当接收波束方向为0度时，与0度对应的一组通道选择系数用于控制开关矩阵，在备选信号集合242个信号中，选择最接近于所需延时/初始相位的方波输出作为输出信号，这样就得到了与0度对应的128路方波信号。可以通过外围的拨码开关去选择各组通道选择系数来控制开关矩阵，也可以通过通信接口(如JTAG/RS232口)直接用指令去选择各组通道选择系数进而去控制开关矩阵。此处开关矩阵用VHDL硬件描述语言在FPGA中实现。

以拨码开关为例，拨码开关的不同组合代表了各个接收波束方向(也对应于各组控制系数)，由拨码开关去控制开关矩阵进行输出信号的选择。

4、低通滤波器对所述的多路方波信号低通滤波，得到128路的正弦波信号，低通滤波器截止频率和芯片的选择过程如下：

占空比为50％的周期方波信号，其傅立叶表达式：

$X\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\underset{k=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2\sin \mathrm{k\&pi;}/2}{k}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&omega;}-k{\mathrm{\&omega;}}_0)$

可以看出，当k为偶数时傅立叶变换系数值为零，只有为奇数时才有非零值。方波信号频率若为f₀＝165khz，要将该方波信号变为正弦波，需加低通滤波器进行滤波，滤掉三次及其以上的谐波。于是，我们的低通滤波器的截止频率f_c应该满足f₀＜f_c＜3f₀，也即是165khz＜f_c＜495khz。同时考虑到信号为195khz时滤波的需要，195khz＜f_c＜585khz，我们选择截止频率为f_c＝200khz。

Max275是低通滤波芯片，其中心频率可达300khz，截止频率是通过外加电阻网络设定的，该滤波芯片的特点之一为可以通过改变信号输入处的电阻对增益进行一定的调节。各个电阻和芯片Max275的连接关系如图8所示，各个电阻值可通过运行Max275 Filter Design Software计算得到。需要注意的是，外接电阻最小不宜小于5kΩ，最大不宜超过4MΩ，因为电阻过小可能达不到运放的驱动能力，过大会产生寄生电容。最后在输出加1uF的电容去掉偏置，就可得到所需的双极性正弦波。

5、根据下一级电路差分输入的实际需要，通过电平转换电路，将多路正弦波信号电平转换为差分信号。此处采用AD8032为主芯片，加外围电路构成如图9所示的单端转差分电路。

Claims (10)

1.一种多通道阵列信号发生装置，其特征在于包括：

(1)信号参数设置模块，包含时钟管理器、定时器、信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向设置子模块、通道选择系数存储子模块，用于实现信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向的选择；

(2)移位寄存器和反相器网络模块，用于生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，所述方波信号集合作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

(3)开关矩阵，用于根据所需的信号参数，从所述的备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

(4)低通滤波器，用于对所述的多路方波信号整形，得到多路正弦波信号；

(5)电平转换电路，用于对所述的多路正弦波信号做电平转换。

2.根据权利要求1所述的多通道阵列信号发生装置，其特征在于所述信号频率/脉宽/阵元位置/波束形成方向的选择过程如下：

(1)设置信号频率、阵元位置、波束形成方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、波束形成方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/波束形成方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号，或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

3.根据权利要求1或2所述的多通道阵列信号发生装置，其特征在于所述的移位寄存器和反相器网络模块包含多个移位寄存器和反相器，该多个移位寄存器和反相器首尾级联成环路，每个移位寄存器的初始状态均设为0。

4.根据权利要求3所述的多通道阵列信号发生装置，其特征在于：所述多路正弦波信号是通过选择截止频率为f_c的低通滤波器，将占空比为50％的周期方波的三次及三次以上谐波滤掉而得到，其中，f_c满足f＜f_c＜3f，f为所述多路方波信号的频率。

5.一种多通道接收阵列输出信号的模拟生成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过信号参数设置模块，对信号频率/脉宽/阵元位置/接收波束方向进行选择；

(2)通过移位寄存器和反相器网络模块，生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

(3)根据所需的信号参数，选择相应的通道选择系数去控制开关矩阵，再由开关矩阵从备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的多路方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

(4)低通滤波器对所述的多路方波信号低通滤波，得到多路的正弦波信号；

(5)电平转换电路对所述的多路正弦波信号做与输出接口匹配的电平转换。

6.如权利要求5所述的多通道接收阵列输出信号的模拟生成方法，其特征在于所述信号频率/脉宽/阵元位置/接收波束方向的选择过程如下：

(1)设置信号频率、阵元位置、接收波束方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、接收波束方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/接收波束方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

7.如权利要求5或6所述的多通道接收阵列输出信号的模拟生成方法，其特征在于：所述多路正弦波信号是通过选择截止频率为f_c的低通滤波器，将占空比为50％的周期方波的三次及三次以上谐波滤掉而得到，其中，f_c满足f＜f_c＜3f，f为所述多路方波信号的频率。

8.一种多通道发射阵列激励信号的生成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过信号参数设置模块，对信号频率/脉宽/阵元位置/发射波束方向进行选择；

(2)通过移位寄存器和反相器网络模块，生成频率为f＝f_clk/2N的多路延时/初始相位等差的方波信号，作为备选信号集合，其中，f_clk为时钟信号频率，N为移位寄存器的个数；

(3)根据所需的信号参数，选择相应的通道选择系数去控制开关矩阵，再由开关矩阵从备选信号集合中选择出具有相应延时/初始相位的多路方波信号，作为各通道输出的多路方波信号；

(4)低通滤波器对所述的多路方波信号低通滤波，得到多路的正弦波信号，作为发射阵列的激励信号。

9.如权利要求8所述的多通道发射阵列激励信号的生成方法，其特征在于：所述信号频率/脉宽/阵元位置/发射波束方向的选择过程如下：

(1)设置信号频率、阵元位置、发射波束方向，根据所设置的信号频率、阵元位置、发射波束方向计算得到各路方波信号的延时/初始相位，再根据各路方波信号的延时/初始相位计算得到控制开关矩阵所需的系数，存储于通道选择系数存储子模块中；不同的通道选择系数对应不同的阵元位置/发射波束方向；

(2)设置信号脉冲宽度，根据所设置的信号脉宽设计定时器的时间长度，得到高低电平以该时间长度交替的使能信号，去控制移位寄存器和反相器网络的使能端，得到有限脉宽信号；

(3)根据所设置的信号频率，由时钟管理器输出不同频率的时钟信号送入移位寄存器和反相器网络模块，来得到相应频率的信号；或是在时钟管理器输出时钟信号频率不变的情况下，通过改变移位寄存器和反相器网络中的移位寄存器的数目，来得到相应频率的信号。

10.如权利要求8或9所述的多通道发射阵列激励信号的生成方法，其特征在于：所述多路正弦波信号是通过选择截止频率为f_c的低通滤波器，将占空比为50％的周期方波的三次及三次以上谐波滤掉而得到，其中，f_c满足f＜f_c＜3f，f为所述多路方波信号的频率。

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