CN109361064A - 一种规模可重构的智能化移相器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种规模可重构的智能化移相器系统，移相器系统包括移相器板卡、数据集成卡、PCI接口卡、计算机及上位机控制软件等。本发明通过设计多接口的数据集成卡，借助FPGA芯片的数字逻辑并行执行的特点，实现了移相器系统的通道数可任意扩展，对于克服目前大规模相控阵天线移相系统结构复杂、集成度低的问题具有重要的实践意义。同时本发明在移相器板卡通道上加入鉴频模块，可自动识别输入信号频率，并选择对应的移相控制电压数据，提高了移相器系统的智能化水平。另外，本发明也可用于阵列天线的特定波束合成测试实验。

Description

一种规模可重构的智能化移相器系统
技术领域
本发明涉及相控阵天线和微波技术领域，具体涉及一种规模可重构的智能化移相器系统。
背景技术
在相控阵雷达和微波通信系统中，精确的相位幅度调制技术对于电子系统的综合性能起着至关重要的作用。作为相控阵天线的核心组件，天线阵的阵元规模、移相器的相移精度等指标会直接影响到相控阵电子扫描系统的性能。特别是对于传统的阵列天线，其规模可扩展性差，而且准确控制各阵元信号同步进行相位幅度调制技术成本投入是比较大的。因此，设计一种通用性强、通道规模可重构、智能化的宽带移相器系统是非常必要的。然而，移相器系统涉及了微波移相器芯片设计技术、高速电子扫描控制技术、数字系统集成技术等多方面因素，系统结构复杂，对相移精度、稳定性、集成化都有较高的要求。
与此同时，随着电子技术的发展，相控阵天线的工作频段越来越高，带宽越来越宽。若依然按照传统的移相控制方法，即首先使用矢量网络分析仪在移相器的工作电压范围内遍历以采集其移相特性数据，然后将移相控制电压数据置于计算机存储器中，待相控阵天线工作时按需求存取相应数据，则必然导致数据的存储量越来越大，移相效率下降。
为了解决上述问题，提出了一种解决方案，即设计了一种规模可重构的智能化移相器系统，通过高度集成化的FPGA控制移相器模块、智能化的鉴频模块，实现了移相器系统的通道数可扩展、输入信号频率自动识别，并且缩减了移相控制电压数据的存储量，降低了成本。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：设计一种新的移相器系统，能够利用多个8通道移相器板卡组合形成通道数可扩展的移相器系统，同时通过函数拟合的方法缩减计算机硬盘数据存储量，实现高速同步移相。
为了达到上述发明目的，本发明是采用以下技术方案实现的：一种规模可重构的智能化移相器系统，用于改变输入输出信号的相位差，该系统由计算机及上位机控制软件、PCI接口卡、数据集成卡、移相器板卡等模块组成。
所述的移相器板卡包括FPGA芯片、4个DAC转换芯片AD5668、8个移相芯片AD8341及其外围电路、一分二功分器、鉴频模块、串口、同步触发信号接口、信号输入输出接口等。该板卡主要完成移相控制电压数据的接收、解析、存储以及移相控制电压数据与AD8341芯片所需的模拟电压之间的数模转换，最后实现对输入信号的移相。所述FPGA芯片通过串口协议接收数据集成卡发送的的移相控制电压数据和同步触发信号，在同步触发信号的作用下通过时序操作以串行SPI形式将移相控制电压数据输出至DAC转换芯片AD5668的数据输入端，DAC转换芯片接收移相控制电压数据以后，将其转换为模拟电压后发送至移相芯片AD8341的控制端。此外，移相器板卡还包括一分二功分器和鉴频模块。一分二功分器将输入信号分成两路，一路进入移相器通道，一路进入鉴频模块。移相器板卡上鉴频模块发送的频率信息也需经由该板卡FPGA的串口传输至计算机。
所述的数据集成卡由FPGA芯片、数据接口、同步触发信号接口组成。为了实现移相器系统的通道数可扩展性，同时简化系统的数据接口复杂度、提高系统可靠性，本发明设计了基于FPGA的数据集成卡模块，将若干块移相器板卡对外数据接口统一，并且将PCI接口卡传输过来的移相控制电压数据同时复制若干份，以多路串行传输的方式统一发送至移相器板卡，进一步减少了系统的结构复杂度。同时，移相器板卡的移相控制电压数据接收完毕返回状态信息、鉴频模块获取的各通道频率信息均需经过数据集成卡编号、打包发送给上位机。
所述的PCI接口卡主要由FPGA和PCI协议解析模块组成，用于实现标准计算机与数据集成卡的串口数据格式转化。PCI接口卡与数据集成卡之间有两类信号进行交互，有两个通路，其中一类是数据通路，用于PCI接口卡发送或接收与移相控制电压数据、频率、移相控制电压数据接收完毕状态相关的数据信息，另一类是同步触发信号通路，用于发送同步触发脉冲给不同的移相器板卡，以实现移相器系统不同通道间的同步移相。
所述的计算机及上位机控制软件主要用于实现移相器系统对输入信号频率的自动获取、移相控制电压数据拟合计算，并且能控制移相器系统中各板卡的功能，发送移相控制电压数据到移相器不同的通道。对于移相控制电压拟合方法，主要是根据移相角度θ与控制电压U为近似一次函数关系、局部有轻微弯曲的特点，在0o-360o范围内，每30o为一段，把测试获得的离散移相角度与控制电压对应数据按等比例分成12段，每段分别用θ＝kmn*U+bmn拟合，并使用matlab中的Polynomial拟合方法确定待定参数kmn、bmn，最后将kmn、bmn确定的函数关系式存储于计算机中。从而缩小了存储所需空间，提高了移相效率。
与现有移相器系统相比，本发明申请所述的技术方案的优点是：
(1)通过设计统一外部接口的数据集成卡，实现了移相器系统通道的可扩展性；
(2)在传统移相器系统的基础上加入了鉴频模块，智能识别输入信号频率。
(3)针对以往移相器系统在移相时，需使用矢量网络分析仪测试获得的移相控制电压数据，当移相器带宽较大时，面临移相控制电压数据存储量很大的问题，本发明在计算机硬盘中不再直接存储矢量网络分析仪在各通道移相器的工作电压范围内遍历采集到的移相控制电压数据，而是通过函数拟合得到移相角度与移相控制电压对应的函数关系式，从而缩小了计算机硬盘存储所需空间，提高了移相效率。
附图说明
图1为本发明移相器阵列系统的结构示意图；
图2为本发明中移相器板卡的结构示意图；
图3为本发明中数据集成卡的功能示意图；
图4为本发明中移相芯片AD8341及其外围电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本移相器系统由上位机控制软件1、计算机2、PCI接口卡3、数据集成卡4、若干块移相器板卡5组成。可用于相控阵天线的聚焦测试和阵列天线的特定波束合成测试实验。
为了更好的阐明上述技术方案，将结合说明书附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种规模可重构的智能化移相器系统，是一种通道数可扩展的移相器系统，用于实现对输入信号进行移相的目的，其系统结构如图1所示。移相器系统使用前，首先需用矢量网络分析仪在1.5G-2.4G带宽内改变矢量控制电压U(由VBBI+、VBBI-、VBBQ+、VBBQ-决定)，遍历测试获取移相器各通道移相角度与移相控制电压的离散对应关系。然后用函数θ＝kmn*U+bmn拟合这种数量对应关系，并将不同频率、不同移相角度对应的kmn、bmn确定的函数关系式存储于计算机中。
在移相器系统正常上电启动后，上位机控制软件1处于等待状态，此时可将各通道移相目标角度输入到软件界面文本框中。当各通道移相器有信号输入时，该信号被一分二功分器23分成两路信号，一路进入鉴频模块24，另一路进入移相器通道。随后，鉴频电路将信号频率转化为模拟电压，模拟电压经模数转换器后变成标准串口25数据，并发送至移相器板卡的FPGA中。在FPGA中，各不同通道的频率数据添加通道编号及板卡编号并发送给数据集成卡4。数据集成卡根据时序接收、打包、发送相应频率数据至PCI接口卡3。频率数据经过数据集成卡、PCI接口卡数据链路传输至计算机2，上位机控制软件1根据输入信号的频率和预先设置的通道移相目标选取对应拟合函数，计算移相控制电压数据。随后，上位机控制软件内嵌程序对移相控制电压数据进行打包处理，即针对不同移相器板卡的数据添加编号不同的帧头、帧尾。待上位机控制软件1下达数据发送指令后，移相控制电压数据6即发送至PCI接口卡3。在PCI接口卡的FPGA中，移相控制电压数据被转化为标准串口数据格式，并发送到数据集成卡4。数据集成卡4收到移相控制电压数据后，将数据复制成若干份，以多路串行通信的方式31广播发送给移相器板卡5，如图3所示，各移相器板卡根据数据的帧头、帧尾特征接收本板卡对应的数据，存储于板卡的SRAM21中，并丢弃其他数据。之后，向上位机返回状态信息，表明数据已接收完毕。
接着上位机根据返回状态信息自动发送同步触发信号7，经PCI接口卡3传输至数据集成卡4。此时，数据集成卡同时发送同步触发信号32给移相器板卡。移相器板卡收到同步触发信号后，同步读取SRAM 21中数据对应地址的移相电压控制数据，依次完成对各通道移相器的SPI电压配置，然后将相应的移相电压控制数据发送到16位数模转换器(AD5668)22。移相电压控制数据经DA转化后，统一分配至移相器芯片AD8341模拟电压VBBI+、VBBI-和VBBQ+、VBBQ-接收端，如图4所示，各通道移相器依据模拟电压数值设置相应的移相角度，移相操作完成。

Claims (5)

1.一种规模可重构的智能化移相器系统，其特征在于：包括：PCI接口卡、数据集成卡、移相器板卡、计算机及运行在计算机上的上位机控制软件；上位机控制软件根据移相器板卡各通道的鉴频模块发送的输入信号频率信息，结合预先设置的通道移相目标，查找对应频率的移相拟合函数，并计算生成相应的移相控制电压数据；然后上位机控制软件内嵌程序对移相控制电压数据进行打包处理，即针对不同移相器板卡的数据添加编号不同的帧头、帧尾，下达数据发送指令，并将移相控制电压数据以文本格式发送至PCI接口卡；PCI接口卡用于实现标准计算机与数据集成卡的串口数据格式转化；移相控制电压数据被转化为标准串口数据格式，并发送到数据集成卡；数据集成卡收到数据后，将数据复制成若干份，以多路串行通信的方式广播发送给移相器板卡；移相器板卡完成移相控制电压数据的接收、解析、存储以及移相控制电压数据与移相器芯片所需的模拟电压之间的数模转换，最后实现对输入信号的移相操作。
2.根据权利要求1所述的一种规模可重构的智能化移相器系统，其特征在于：所述的移相器板卡包括第一FPGA芯片、4个DAC转换芯片AD5668、8个移相芯片AD8341及其外围电路、8个一分二功分器、8个鉴频模块、串口、同步触发信号接口、信号输入输出接口；所述第一FPGA芯片通过串口协议接收数据集成卡发送的移相控制电压数据和同步触发信号，根据数据帧头特征接收自已对应的移相控制电压数据，并依据同步触发信号发送移相数据到指定移相通道，在同步触发信号的作用下通过时序操作以串行SPI形式将移相控制电压数据输出至DAC转换芯片AD5668的数据输入端，DAC转换芯片接收移相控制电压数据，将其转换为模拟电压后发送至移相芯片AD8341的控制电压输入端；移相器板卡的鉴频模块包括：频率-电压转换电路、模数转换器和串行接口；当各通道输入端有信号输入时，信号被一分二的功分器分成两路信号，一路进入移相器通道，一路传输至鉴频模块；随后，鉴频电路将信号频率转化为模拟电压，模拟电压经模数转换器后变成标准串口数据并发送至移相器板卡串口，经过数据集成卡、PCI接口卡数据链路传输至计算机，从而实现自动鉴频，计算机根据信号频率提取对应频率移相控制电压数据，无需人工干预。
3.根据权利要求1所述的一种规模可重构的智能化移相器系统，其特征在于：所述数据集成卡包括：第二FPGA芯片、数据接口、同步触发信号接口；数据集成卡用于接收计算机发给PCI接口卡的同步触发信号和移相控制电压数据，然后复制移相控制电压数据若干份，以多路串行方式将移相控制电压数据广播发送给每块移相器板卡；数据集成卡通过均等复制移相控制电压数据并设置多路串口将若干块移相器板卡对外接口统一，实现了移相器系统的通道数的可扩展性，降低了系统结构复杂度；同时，移相器板卡的移相控制电压数据接收完毕返回状态信息、鉴频模块获取的各通道频率信息均需经过数据集成卡编号、打包发送给计算机。
4.根据权利要求1所述的一种规模可重构的智能化移相器系统，其特征在于：所述PCI接口卡位于计算机的PCI插槽中，由FPGA模块和PCI协议解析模块组成；PCI接口卡与数据集成卡之间有两类信号进行交互，有两个通路，其中一类是数据通路，用于PCI接口卡发送或接收与移相控制电压数据、频率、数据接收完毕状态相关的信息，另一类是同步通路，用于发送同步触发信号给不同的移相器板卡，以实现不同通道间的同步移相。
5.根据权利要求1所述的一种规模可重构的智能化移相器系统，其特征在于：在计算机中，不再直接存储矢量网络分析仪在各通道移相器的工作电压范围内遍历采集到的移相特性数据，而是通过数据拟合得到移相角度与控制电压对应的函数关系式，也即根据移相角度θ与控制电压U为近似一次函数关系、局部有轻微弯曲的特点，在0°-360°范围内，每30°为一段，把测试获得的离散移相角度与控制电压对应数据按等比例分成12段，每段分别用θ＝kmn*U+bmn拟合，并使用拟合方法确定待定参数kmn、bmn，最后将kmn、bmn确定的函数关系式存储于计算机中。
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