CN111030748A - 一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置 - Google Patents

一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，属于数字波束形成技术领域。其包括第一中频开关、第二中频开关、8路中频收发器、测试中频收发器、波束形成及跟踪校准模块、调制解调及接口模块、本振网络、时钟网络、电源处理等部件，它通过第一中频开关、第二中频开关、8路中频收发器、测试中频收发器把8通道信号或校准信号送到波束形成及跟踪校准模块、调制解调及接口模块进行处理，实现调零抗干扰波束形成和载波信号解调；发射端与接收流程相反，完成数据的调制、形成特定指向波束并发射。本发明可方便实现幅相校准、多波束调整，旁瓣加权优化，自适应波束调零的功能，具有集成化程度高、结构简单、可靠性高、方便规模扩展等特点。

Description

一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置
技术领域
本发明属于数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)技术领域，特别是指一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置。
背景技术
有源相控阵天线因为其体积小、损耗低、低轮廓、易于实现波束调零、波束赋形、多波束，同时可敏捷调整波束指向等优点，近十多年来，在卫星通信系统的空间段和用户终端都得到了广泛的应用。
传统的模拟相控阵天线在射频实现移相波束形成，特别是有多波束需求的应用场合，通常采用分合路器结合巴特勒矩阵实现，设备笨重复杂，调试繁琐，受外界环境影响较大，而且，当波束确定后就不能再改变，阵列规模和波束的数量受到限制，旁瓣指标也难以优化，无法实现自适应波束调零等。
传统的卫星通信用户终端站型通常是天线设备与终端调制解调设备各自独立成套，两者之间通过光纤或者射频同轴电缆连接，占用空间较大，整站的轮廓较高。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，可以解决波束数量的限制，实现灵活的波束调整、旁瓣加权优化、自适应波束调零、测试校准，以及调制解调一体化等能力。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，包括第一8路中频开关1、第二8路中频开关2、8路中频收发器3、测试中频收发器4、波束形成及跟踪校准模块5、调制解调及接口模块6、本振网络7、时钟网络8，以及电源处理模块9；其中，电源处理模块9用于提供电源，时钟网络8用于为装置内的高速传输接口提供时钟参考信号，本振网络7用于生成本振参考信号，并经缓冲扇出给8路中频收发器3和测试中频收发器4，从而作为同步相关的外本振信号，以实现8路中频信号的同步接收和发射；
在接收链路中，外部输入的8路中频接收信号以及测试中频收发器4发来的测试校准中频信号经第一8路中频开关1切换选择后，进入8路中频收发器3完成I/Q正交混频和数字化处理，输出8路信道化预处理数据，送入波束形成及跟踪校准模块5，完成8路I/Q信号的定时同步、通道幅度相位校准、波束形成及跟踪控制，然后进入调制解调及接口模块6，完成解调译码、突发时钟提取后，经SRIO接口输出；
在发射链路中，外部输入的调制数据经SRIO接口输入到调制解调及接口模块6，完成编码调制和成型后，送到波束形成及跟踪校准模块5，完成通道校准和发射波束形成，然后经8路中频收发器3进行信道化处理、DA转换、直接变频以及滤波，接着由第二8路中频开关2选择输出还是送入测试中频收发器4进行环回校准。
进一步的，所述8路中频收发器3包括8个第一滤波器31A～31H、8个第二滤波器33A～33H以及4个捷变频器32A～32D，8个第一滤波器两两一组，8个第二滤波器两两一组，每个捷变频器连接在一组第一滤波器与一组第二滤波器之间；所述测试中频收发器4的结构与8路中频收发器3相同。
进一步的，所述波束形成及跟踪校准模块5包括多通道同步定时模块51、第一校准模块52A、第二校准模块52B、接收波束形成模块53、波束跟踪控制模块54、测向及权值计算模块55、发射权值计算模块56和发射波束形成模块57；其中，多通道同步定时模块51和8路中频收发器3同时接收时钟网络8提供的同步时钟，并通过4路等长同步I/O管脚同时触发8路中频收发器3中的4个捷变频器32A～32D，从而实现不同捷变频器的基带时钟同步；
在接收链路中，8路中频收发器3输出的8路信道化预处理数据经LVDS接口送入第一校准模块52A，完成数据的通道间幅相误差校准，并输出8路校准后的信号，测向及权值计算模块55根据第一校准模块52A输出的8路校准后的信号完成干扰测向以及自适应权值计算，并更新接收波束形成模块53中的权值，接收波束形成模块53接收第一校准模块52A输出的8路校准后的信号，根据权值完成和、差波束形成，然后送到波束跟踪控制模块54，波束跟踪控制模块54将检测出的波束指向误差送到测向及权值计算模块55以修正波束权值，从而闭环实现波束跟踪，并将准确指向的波束数据送到调制解调及接口模块6完成解调输出；
在发射链路中，第二校准模块52B对调制解调及接口模块6送来的已调数据进行通道间幅相误差校准，并输出8路校准后的信号，发射权值计算模块56根据测向及权值计算模块55检测的接收波束指向情况计算发射波束权值，并更新发射波束形成模块57中的权值，发射波束形成模块57接收第二校准模块52B输出的8路校准后的信号，根据权值完成发射波束形成，并输出给8路中频收发器3。
进一步的，所述波束形成及跟踪校准模块5还包括JESD204B接口模块58，所述JESD204B接口模块58用于将外部板卡的已校准数据直接发送给测向及权值计算模块55和接收波束形成模块53，从而联合第一校准模块52A的输出信号一起完成波束形成；此外，JESD204B接口模块58还用于将第二校准模块52B的输出信号以及测向及权值计算模块55计算出的发射波束权值输出到外部板卡，从而支持更多通道发射。
进一步的，所述调制解调及接口模块6包括解调译码模块61、DDS直接数字频率合成模块62、定时缓存模块63、参数解析控制模块64、编码调制模块65、站控接口模块66、信息解算模块67和SRIO接口模块68；其中，DDS直接数字频率合成模块62用于接收时钟网络8提供的时钟参考信号，并针对不同速率数据，为解调译码模块61提供连续可变的参考时钟；定时缓存模块63用于接收解调译码模块61解调输出的发参考中断信号，定时同步后控制当前突发数据和参数的处理；站控接口模块66用于从远控参数中解析出调制解调参数、波束参数以及指向参数；信息解算模块67用于接收站控接口模块66解析出的指向参数以及姿态敏感元件发来的姿态信息，从而进一步解算出数字波束指向信息，并送到波束形成及跟踪校准模块5；参数解析控制模块64用于接收站控接口模块66解析出的各参数，处理后下发给解调译码模块61和编码调制模块65；
在接收链路中，波束形成及跟踪校准模块5输出的各波束数据进入解调译码模块61，完成信道化处理、定时恢复、载波恢复、解扩、解映射、译码以及解扰，然后通过SRIO接口模块68输出解调数据和时钟；
在发射链路中，从SRIO接口模块68输入的调制数据经定时缓存模块63缓存后，送到编码调制模块65进行加扰、编码、组帧、扩频、映射以及信道化处理，然后输出给波束形成及跟踪校准模块5。
进一步的，所述时钟网络8包括40MHz温补晶振81、LVCMOS扇出缓冲芯片82、锁相时钟分配芯片83以及33MHz温补晶振84；其中，LVCMOS扇出缓冲芯片82以外部参考时钟或40MHz温补晶振81输出的参考时钟作为输入，缓冲输出低偏斜、低抖动的同步时钟到本振网络7、锁相时钟分配芯片83、测试中频收发器4、DDS直接数字频率合成模块62、8路中频收发器3的4个捷变频器的参考时钟接口，以及波束形成及跟踪校准模块5，并利用多通道同步定时模块51控制不同捷变频器32的基带时钟同步；33MHz温补晶振84连接到调制解调及接口模块6，作为系统启动时钟。
进一步的，所述锁相时钟分配芯片83用于产生多对DCLK/SYSREF时钟，并分别连接到波束形成及跟踪校准模块5以及外部板卡。
进一步的，所述锁相时钟分配芯片83通过配置输出多对高速时钟，并分别连接到波束形成及跟踪校准模块5以及调制解调及接口模块6，从而作为GTX/GTH通信时钟。
进一步的，所述本振网络7包括本地收本振模块71A、本地发本振模块71B、第一本振扇出驱动模块72A以及第二本振扇出驱动模块72B；
其中，本地收本振模块71A依据时钟网络8输出的40MHz参考时钟，进行锁相环频率合成，得到所需的接收链路两倍频本振信号，然后经第一本振扇出驱动72A缓冲后，通过6路LVPECL接口输出，其中的4路单端LVPECL接口的输出采用等长方式，连接到8路中频收发器3的4个捷变频器接收外本振口，通过波束形成及跟踪校准模块5的校准，实现8路中频接收通道间的射频同步，另外1路单端LVPECL接口输出到测试中频收发器4的捷变频器接收外本振口，还有1路差分LVPECL接口输出到外部板卡，实现规模扩展，保证系统内不同板卡采用同源时钟；
本地发本振模块71B用于实现8路中频发射通道间的射频同步，并提供测试中频收发器4发射外本振信号和外部板卡的差分LVPECL本振信号输出。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明采用数字波束形成，可方便实现多波束调整、旁瓣加权优化、自适应波束调零的功能。
2、本发明采用波束形成与调制解调一体化设计，可显著减小设备体积功耗，使用方便。
3、本发明具有测试中频收发模块，可方便实现板上及系统的校准同步。
4、本发明具备板间互连的高速数据、时钟接口，可根据阵列规模需求方便的实现规模扩展。
5、本发明装置具有集成化程度高、结构简单、可靠性高、使用方便等特点。
附图说明
图1是本发明实施例的电原理方框图。
图2是图1中8路中频收发器的电原理方框图。
图3是图1中波束形成及跟踪校准模块的电原理方框图。
图4是图1中调制解调及接口模块的电原理方框图。
图5是图1中波束形成及跟踪校准模块和调制解调及接口模块的硬件原理方框图。
图6是图1中本振网络的电原理方框图。
图7是图1中时钟网络的电原理方框图。
图8是本发明实施例的自适应波束形成处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其包括第一8路中频开关1、第二8路中频开关2、8路中频收发器3、测试中频收发器4、电源处理9、波束形成及跟踪校准模块5、调制解调及接口模块6、本振网络7、时钟网络8；
其中，在接收链路中，8路中频接收信号和测试校准中频信号经第一8路中频开关1切换选择后，进入8路中频收发器3完成I/Q正交混频、数字化处理，信道化预处理的数据送入波束形成及跟踪校准模块5，完成8路I/Q信号的定时同步、通道幅度相位校准、波束形成及跟踪控制，然后进入调制解调及接口模块6，完成解调译码、突发时钟提取后，经SRIO接口输出；发射链路流程与接收链路相反，调制数据经SRIO接口输入到调制解调及接口模块6，完成定时缓存(如果需要)、编码调制、成型后，送到波束形成及跟踪校准模块5，完成通道校准、发射波束形成，然后经8路中频收发器3信道化处理、DA转换、直接变频、滤波，最后由第二8路中频开关2选择输出还是环回校准。
此外，时钟网络8为各模块的高速传输接口提供时钟参考信号，本振网络7生成本振参考信号，经缓冲扇出到8路中频收发器3和测试中频收发器4，作为同步相关的外本振信号，实现8路中频信号的同步接收和发射。
进一步的，如图2所示，所述8路中频收发器3包括8个第一滤波器31A～31H、8个第二滤波器33A～33H以及4个捷变频器32A～32D，8个第一滤波器两两一组，8个第二滤波器两两一组，每个捷变频器连接在一组第一滤波器与一组第二滤波器之间。
所述测试中频收发器4的结构与8路中频收发器3相同，此处不再赘述。
进一步的，如图3所示，波束形成及跟踪校准模块5包括多通道同步定时模块51、第一校准模块52A、第二校准模块52B、接收波束形成模块53、波束跟踪控制模块54、测向及权值计算模块55、发射权值计算模块56、发射波束形成模块57和JESD204B接口58；其中多通道同步定时模块51和8路中频收发器3同时接收时钟网络8提供的同步时钟，并通过4路等长同步I/O管脚同时触发控制8路中频收发器3的4只捷变频器32，实现不同捷变频器32的基带时钟同步；
在接收链路中，8路中频收发器3输出的8路信道化预处理的数据，经LVDS接口送入第一校准模块52A完成数据的通道间幅相误差校准，测向及权值计算模块55根据接收校准后的多路信号完成干扰测向、自适应权值计算，在接收波束形成模块53中更新权值，完成和、差波束形成后送到波束跟踪控制模块54，检测出的波束指向误差送到测向及权值计算模块55修正波束权值，闭环实现波束跟踪，准确指向的波束数据送到调制解调及接口模块6完成解调输出，如果有更多通道数据，可通过JESD204B接口58接收外部板卡的已校准数据，一起完成自适应波束形成；
发射链路信号流程与接收链路相反，调制解调及接口模块6送来的已调数据经第二校准模块52B完成通道间幅相误差校准，发射权值计算模块56根据测向及权值计算模块55检测的接收波束指向情况计算发射波束权值，在发射波束形成模块57更新权值完成波束形成输出，JESD204B接口58设计同样也支持输出已调数据和权值到外部板卡，支持更多通道发射。
进一步的，如图4所示，调制解调及接口模块6包括解调译码模块61、DDS模块62、定时缓存模块63、参数解析控制模块64、编码调制模块65、站控接口模块66、信息解算模块67和SRIO接口模块68；其中，波束形成及跟踪校准模块5输出的各波束数据进入解调译码模块61，完成信道化处理、定时恢复、载波恢复、解扩、解映射、译码、解扰等基带处理后，通过SRIO接口模块68输出解调数据、时钟；DDS模块62针对不同速率数据，提供连续可变的参考时钟；从SRIO接口模块68输入的调制数据经定时缓存模块63缓存后，送到编码调制模块65进行加扰、编码、组帧、扩频、映射、信道化等基带处理，解调译码模块61解调输出的发参考中断信号送到定时缓存模块63，定时同步后控制当前突发数据和参数的处理；站控接口模块66把远控参数解析出调制解调参数、波束参数、指向参数后，分别送到参数解析控制模块64、信息解算模块67做进一步解析处理，然后下发各模块；信息解算模块67接收站控接口模块66的目标卫星指向信息，以及姿态敏感元件发来的姿态信息，进一步解算出数字波束指向信息送到波束形成及跟踪校准模块5，以及模拟移相器的波控码(如果有)通过SPI接口送到T/R组件。
进一步的，如图6所示，本振网络7包括本地收本振模块71A、本地发本振模块71B、第一本振扇出驱动72A、第二本振扇出驱动72B；其中，本地收本振模块71A依据时钟网络8输出的40MHz参考时钟，进行锁相环频率合成所需的接收链路两倍频本振信号，经第一本振扇出驱动72A缓冲后，分成6路LVPECL接口输出，其中的4路单端LVPECL输出采用等长设计，连接到8路中频收发器3的4只捷变频器接收外本振口，通过波束形成及跟踪校准模块5的校准，可实现8路中频接收通道间的射频同步，另外1路单端LVPECL输出到测试中频收发器4的捷变频器接收外本振口，1路差分LVPECL输出到外部板卡，实现规模扩展，保证系统内不同板卡采用同源时钟；发射本振信号网络同接收本振信号一样，实现8路中频发射通道间的射频同步，以及提供测试中频收发器4发射外本振信号和外部板卡的差分LVPECL本振信号输出。
进一步的，如图7所示，时钟网络8包括40MHz温补晶振81、LVCMOS扇出缓冲芯片82、锁相时钟分配芯片83和33MHz温补晶振84；其中，LVCMOS扇出缓冲芯片82可选择输入的外部参考时钟或备选的40MHz温补晶振81输出的参考时钟作为输入，缓冲输出低偏斜、低抖动同步时钟到本振网络7、锁相时钟分配芯片83、测试中频收发器4、调制解调及接口模块6的DDS模块62、8路中频收发器3的4只捷变频器参考时钟接口以及波束形成及跟踪校准模块5，利用多通道同步定时模块51控制不同捷变频器的基带时钟同步，如果外部板卡与本装置采用JESD204B接口传输波束数据，锁相时钟分配芯片83产生多对DCLK/SYSREF时钟分别连接到波束形成及跟踪校准模块5和外部板卡，锁相时钟分配芯片83也可配置输出多对高速时钟分别连接到波束形成及跟踪校准模块5和调制解调及接口模块6作为FPGA间的GTX/GTH通信时钟，以及DDR3存储器时钟，33MHz温补晶振84连接到调制解调及接口模块6，作为系统启动时钟。
上述实施例中，第一8路中频开关1、第二8路中频开关2可采用市售砷化镓单刀双掷开关HMC336制作，其作用是根据工作模式选择输入信号或者经8分路后的中频测试信号。
8路中频收发器3可采用市售的LTCC滤波器、4只捷变频器AD9361或AD9371制作，其作用是把8通道输入信号滤波、I/Q正交混频、数字化采集处理，信道化预处理后输出给波束形成及跟踪校准模块5；在发射端，其作用是把8通道波束数据信道化处理、DA转换、直接变频、滤波输出。
测试中频收发器4同样可采用市售的捷变频器AD9361或AD9371制作，其作用是实现测试中频信号的接收和发射。
电源处理9用于为板上的FPGA、SoC、AD9361或AD9371、DDR3、FLASH、频综、锁相时钟分配、时钟扇出缓冲、外设接口等芯片提供所需的各种电源电压，数字电路均采用效率高的开关电源供电，时钟、光模块、模拟电路均采用噪声小的线性电源供电，可采用市售的LTM8064、LTM4630、LTM4644、LT3070、TPS7A300、ADP1755电源芯片制作。
波束形成及跟踪校准模块5的作用主要是完成8路I/Q信号的同步定时、幅度相位不平衡校准，干扰测向、权值计算、波束形成及跟踪控制、以及与外部板卡间的波束数据传输等功能。它包括多通道同步定时模块51、第一校准模块52A、第二校准模块52B、接收波束形成模块53、波束跟踪控制模块54、测向及权值计算模块55、发射权值计算模块56、发射波束形成模块57和JESD204B接口58。其中，多通道同步定时模块51和8路中频收发器3同时接收时钟网络8提供的同步时钟，并通过4路等长同步I/O管脚同时触发控制8路中频收发器4的4只捷变频器32，实现不同捷变频器32的基带时钟同步；在接收链路，8路中频收发器3输出的8路信道化预处理的数据，经LVDS接口送入校准模块52A完成数据的通道间幅相误差校准，测向及权值计算模块55根据接收校准后的多路信号完成干扰测向、自适应权值计算，在接收波束形成模块53中更新权值，完成和、差波束形成后送到波束跟踪控制模块54，检测出的波束指向误差送到测向及权值计算模块55修正波束权值，闭环实现波束跟踪，准确指向的波束数据送到调制解调及接口模块6完成解调输出，如果有更多通道数据，可通过JESD204B接口58接收外部板卡的已校准数据，一起完成自适应波束形成；发射链路信号流程与接收链路相反，调制解调及接口模块6送来的已调数据经校准模块52B完成通道间幅相误差校准，发射权值计算模块56根据测向及权值计算模块55检测的接收波束指向偏离情况计算发射波束权值，在发射波束形成模块57更新权值完成波束形成输出，JESD204B接口58设计同样也支持输出已调数据和权值到外部板卡，支持更多通道发射。
调制解调及接口模块6的主要作用是完成每波束信号的解调译码、突发时钟提取、调制数据的定时缓存和编码、SRIO接口数据传输、站控设置参数解析下发与状态上报。它包括解调译码模块61、DDS模块62、定时缓存模块63、参数解析控制模块64、编码调制模块65、站控接口模块66、信息解算模块67和SRIO接口68。其中，波束形成及跟踪校准模块5输出的各波束数据进入解调译码模块61，完成信道化处理、定时恢复、载波恢复、解扩、解映射、译码、解扰等基带处理后，通过SRIO接口68输出解调数据、时钟；DDS模块62针对不同速率数据，为解调译码模块61提供连续可变的参考时钟；从SRIO接口68输入的调制数据经定时缓存模块63缓存后，送到编码调制模块65进行加扰、编码、组帧、扩频、映射、信道化等基带处理，其中，解调译码模块61解调输出的发参考中断信号送到定时缓存模块63，定时同步后控制当前突发数据和参数的处理；站控接口66把远控参数解析出调制解调参数、波束参数、指向参数后，分别送到参数解析控制模块64、信息解算模块67做进一步解析处理，然后下发各模块；信息解算模块67接收站控接口66的目标卫星指向信息，以及姿态敏感元件发来的姿态信息，进一步解算出数字波束指向信息送到波束形成及跟踪校准模块5，以及模拟移相器的波控码(如果有)通过SPI接口送到T/R组件。
波束形成及跟踪校准模块5和调制解调及接口模块6根据信号流程采用环形级联一体化设计，图5是波束形成及跟踪校准模块5和调制解调及接口模块6的硬件原理方框图，实施例按图5连接线路。其中两个功能模块共用两只FPGA和1只SoC计算能力，实施例中可采用市售XC7K410T、XC7VX690T两只FPGA和一只XC7Z045SoC架构，XC7K410T主要完成信道化、定时同步、通道校准等功能，XC7VX690T主要完成测向、权值计算、波束形成跟踪、以及调制解调编码功能，XC7Z045主要完成参数解析、系统、接口控制、以及测向权值计算中的浮点运算功能；XC7K410T和XC7VX690T外围各配置两组DDR3芯片、一只FLASH芯片和一只EEPROM芯片，XC7Z045外围配置两组DDR3芯片、两只FLASH芯片、一只EEPROM芯片、三只温度检测芯片、一只RS422接口芯片、一只千兆以太网PHY芯片、一对LVDS收发芯片、一个标准QSFP+光模块、以及一个SD卡接口，DDR3可采用市售的MT41K256M16HA-125IT，FLASH可采用市售的MT25QU256ABA8ESF-0SIT，EEPROM可采用市售的M95020-D，DDS可采用市售的AD9912，LVDS收发器可采用市售的DS90LV047A和DS90LV048A，千兆以太网PHY可采用市售的88E1111，RS422可采用市售的MAX3490,温度检测可采用市售的DS7505制作。
本振网络7的主要作用是生成本振参考信号，经缓冲扇出到8路中频收发器3和测试中频收发器4，作为同步相关的外本振信号，实现8路中频信号的同步接收和发射，同时对外部板卡提供相关的外本振信号。它包括本地收本振模块71A、本地发本振模块71B、第一本振扇出驱动72A、第二本振扇出驱动72B。其中，本地收本振模块71A依据时钟网络8输出的40MHz参考时钟，进行锁相环频率合成所需的接收链路两倍频本振信号，实施例中可采用市售的集成VCO频综ADF5355制作。本振扇出驱动72A缓冲后分成6路LVPECL接口输出，其中的4路单端LVPECL输出采用等长设计，连接到8路中频收发器3的4只捷变频器接收外本振口，通过波束形成及跟踪校准模块5的校准，可实现8路中频接收通道间的射频同步，另外1路单端LVPECL输出到测试中频收发器4的捷变频器接收外本振口，1路差分LVPECL输出到外部板卡，实现规模扩展，保证系统内不同板卡采用同源时钟,实施例中可采用市售的低相位噪声扇出缓冲器HMC987制作；发射本振信号网络同接收本振信号一样，实现8路中频发射通道间的射频同步，以及提供测试中频收发器4发射外本振信号和外部板卡的差分LVPECL本振信号输出，实施例采用的芯片与本地收本振部分相同。
时钟网络8的主要作用是为各高速传输接口、捷变频器、频率综合器、系统提供相参时钟参考信号。它包括40MHz温补晶振81、LVCMOS扇出缓冲芯片82、锁相时钟分配芯片83和33MHz温补晶振84。其中，40MHz温补晶振为板卡提供调试参考时钟，可采用市售的表贴温补晶振T75B-40MHz制作。LVCMOS扇出缓冲芯片82可选择输入的外部参考时钟或备选的40MHz温补晶振81输出的参考时钟作为输入，缓冲输出低偏斜、低抖动同步时钟，分别送到本振网络7、锁相时钟分配芯片83、8路中频收发器3、测试中频收发器4、调制解调及接口模块6的DDS模块62，8路中频收发器3的4只捷变频器参考时钟以及波束形成及跟踪校准模块5接收40MHz同步参考时钟，利用多通道同步定时51控制不同捷变频器32的基带时钟同步，实施例中可采用市售的超低抖动扇出缓冲器LMK00101制作。锁相时钟分配芯片83配置输出多对高速时钟，分别连接到波束形成及跟踪校准模块5和调制解调及接口模块6作为FPGA间和FPGA输出的GTX/GTH通信时钟，以及DDR3存储器时钟，如果外部板卡与本装置采用JESD204B接口传输波束数据，锁相时钟分配芯片83产生多对DCLK/SYSREF时钟分别连接到波束形成及跟踪校准模块5和外部板卡，实现板间数据传输的精确同步，实施例中可采用市售的超低噪声和低功耗时钟抖动清除器LMK04616制作。33MHz温补晶振84连接到调制解调及接口模块6，作为系统启动时钟，可采用市售的表贴温补晶振T75B-33MHz制作。
如图8所示，采用上述装置所实现的自适应波束形成的过程包括以下步骤：
步骤1：数据信道化、校准处理。
FPGA接收AD9361输出8通道I/Q数据，完成数据定时、同步、滤波处理，加载通道间的幅度、相位校准数据完成通道幅相校准。
步骤2：阵列自相关矩阵特征值分解，构造噪声矩阵。
构造接收数据的阵列自相关矩阵的估计
Figure BDA0002333060440000171
设阵列输出信号向量X(n)＝[x1(n),x2(n),…,xM(n)]T，每次采样叫做一个快拍，设一次估计所用的快拍数为L，则共有L个数据向量X(n)，n＝1,2,…,L，自相关矩阵的估计
Figure BDA0002333060440000172
Figure BDA0002333060440000173
对
Figure BDA0002333060440000174
进行特征值分解，获得特征值λi和特征向量vi(i＝1,2,…,M)；
确定矩阵
Figure BDA0002333060440000175
最小特征值的数量nE，设这nE个最小特征值分别为λk+1,λk+2,…,λM,则噪声方差为：
Figure BDA0002333060440000176
与之对应的特征向量为vk+1,vk+2,…,vM,利用这些特征向量构造噪声特征向量矩阵：
EN＝[vk+1,vk+2,…,vM] (3)
步骤3：进行谱估计，并记录估计结果。
利用构造的噪声特征向量矩阵和搜索导向矢量a(θ)，计算空间谱函数PMUSIC(θ)：
Figure BDA0002333060440000181
谱函数PMUSIC(θ)最大值所对应的θ，就是干扰来波方向。以一定准则寻找谱估计结果中的局部极小值，并记录对应的二维角度。
步骤4：构建约束矩阵，利用调零保形算法计算新的权值。
根据记录的干扰来波方向，定义一个N×M0维的约束矩阵C0，
Figure BDA0002333060440000182
将权值w与vk(ki)的正交性转化为矩阵形式：
wHC0＝0 (6)
利用上述约束条件下，改变加权矢量调整方向图来逼近指向目标的理想方向图
Figure BDA0002333060440000183
使两者间的二乘误差最小：
ε＝∫∫|Bd(k)-B(k)|2dk (7)
其中，B(k)＝wHvk(k)为所形成的方向图。
求解上式，即可得到所需的最优权值：
Figure BDA0002333060440000184
其中，
Figure BDA0002333060440000185
是一个1×M0的矢量。
步骤5：更新权值，数字波束形成最优的方向图。
计算出调零的最优权值后，更新权值，数字波束形成最优的方向图：
Figure BDA0002333060440000186
本实施例可采用RF-35与FR-4材料制作16层复合微波板，本振网络7、时钟网络8设计布局在Bottom及其邻近层，采用隔层参考布线设计合理的射频信号线宽；第一8路中频开关1、第二8路中频开关2、8路中频收发器3、测试中频收发器4布局在top层的左侧部分，每路中频信号通过大面积地隔离，并结合屏蔽盒体分腔隔离屏蔽，避免各通道信号串扰；波束形成及跟踪校准模块5、调制解调及接口模块6布局在top层的右侧部分，2片FPGA与SoC呈品字形均匀布局，方便布线的同时防止局部过热，导致复合微波板变形；电源处理9根据模拟、数字电路分别用电芯片的周围，特别是AD9361捷变频器，为了避免通道间信号通过电源串扰，每个芯片供电电源分别设置。实施例采用上、下层屏蔽盒体安装，除在射频信号区域分腔隔离设计外，在上层热量大的FPGA、SoC、电源芯片上，结合预埋热管和散热翅片的结构设计，形成良好的传导散热；该结构既可实现电磁信号的空间隔离，方便射频信号的就近接地端，避免了射频信号在盒体内部的相互干扰，又可高效的把芯片局部热量传导到整个盒体，通过密集的翅片向外散热。
总之，本发明可以与相控阵天线前端配合，实现多通道的阵列信号处理以及调制解调功能。其通过第一中频开关、第二中频开关、8路中频收发器、测试中频收发器把8通道信号或校准信号送到波束形成及跟踪校准模块、调制解调及接口模块进行处理，实现调零抗干扰波束形成和载波信号解调；发射端与接收流程相反，完成数据的调制、形成特定指向波束并发射。
本发明采用数字波束形成与调制解调一体化，以及板上测试校准思路设计，可方便实现幅相校准、多波束调整，旁瓣加权优化，自适应波束调零的功能，具有集成化程度高、结构简单、可靠性高、方便规模扩展等特点。

Claims (9)

1.一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，包括第一8路中频开关（1）、第二8路中频开关（2）、8路中频收发器（3）、测试中频收发器（4）、波束形成及跟踪校准模块（5）、调制解调及接口模块（6）、本振网络（7）、时钟网络（8），以及电源处理模块（9）；其中，电源处理模块（9）用于提供电源，时钟网络（8）用于为装置内的高速传输接口提供时钟参考信号，本振网络（7）用于生成本振参考信号，并经缓冲扇出给8路中频收发器（3）和测试中频收发器（4），从而作为同步相关的外本振信号，以实现8路中频信号的同步接收和发射；
在接收链路中，外部输入的8路中频接收信号以及测试中频收发器（4）发来的测试校准中频信号经第一8路中频开关（1）切换选择后，进入8路中频收发器（3）完成I/Q正交混频和数字化处理，输出8路信道化预处理数据，送入波束形成及跟踪校准模块（5），完成8路I/Q信号的定时同步、通道幅度相位校准、波束形成及跟踪控制，然后进入调制解调及接口模块（6），完成解调译码、突发时钟提取后，经SRIO接口输出；
在发射链路中，外部输入的调制数据经SRIO接口输入到调制解调及接口模块（6），完成编码调制和成型后，送到波束形成及跟踪校准模块（5），完成通道校准和发射波束形成，然后经8路中频收发器（3）进行信道化处理、DA转换、直接变频以及滤波，接着由第二8路中频开关（2）选择输出还是送入测试中频收发器（4）进行环回校准。
2.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述8路中频收发器（3）包括8个第一滤波器（31A～31H）、8个第二滤波器（33A～33H）以及4个捷变频器（32A～32D），8个第一滤波器两两一组，8个第二滤波器两两一组，每个捷变频器连接在一组第一滤波器与一组第二滤波器之间；所述测试中频收发器（4）的结构与8路中频收发器（3）相同。
3.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述波束形成及跟踪校准模块（5）包括多通道同步定时模块（51）、第一校准模块（52A）、第二校准模块（52B）、接收波束形成模块（53）、波束跟踪控制模块（54）、测向及权值计算模块（55）、发射权值计算模块（56）和发射波束形成模块（57）；其中，多通道同步定时模块（51）和8路中频收发器（3）同时接收时钟网络（8）提供的同步时钟，并通过4路等长同步I/O管脚同时触发8路中频收发器（3）中的4个捷变频器（32A～32D），从而实现不同捷变频器的基带时钟同步；
在接收链路中，8路中频收发器（3）输出的8路信道化预处理数据经LVDS接口送入第一校准模块（52A），完成数据的通道间幅相误差校准，并输出8路校准后的信号，测向及权值计算模块（55）根据第一校准模块（52A）输出的8路校准后的信号完成干扰测向以及自适应权值计算，并更新接收波束形成模块（53）中的权值，接收波束形成模块（53）接收第一校准模块（52A）输出的8路校准后的信号，根据权值完成和、差波束形成，然后送到波束跟踪控制模块（54），波束跟踪控制模块（54）将检测出的波束指向误差送到测向及权值计算模块（55）以修正波束权值，从而闭环实现波束跟踪，并将准确指向的波束数据送到调制解调及接口模块（6）完成解调输出；
在发射链路中，第二校准模块（52B）对调制解调及接口模块（6）送来的已调数据进行通道间幅相误差校准，并输出8路校准后的信号，发射权值计算模块（56）根据测向及权值计算模块（55）检测的接收波束指向情况计算发射波束权值，并更新发射波束形成模块（57）中的权值，发射波束形成模块（57）接收第二校准模块（52B）输出的8路校准后的信号，根据权值完成发射波束形成，并输出给8路中频收发器（3）。
4.根据权利要求3所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述波束形成及跟踪校准模块（5）还包括JESD204B接口模块（58），所述JESD204B接口模块（58）用于将外部板卡的已校准数据直接发送给测向及权值计算模块（55）和接收波束形成模块（53），从而联合第一校准模块（52A）的输出信号一起完成波束形成；此外，JESD204B接口模块（58）还用于将第二校准模块（52B）的输出信号以及测向及权值计算模块（55）计算出的发射波束权值输出到外部板卡，从而支持更多通道发射。
5.根据权利要求4所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述调制解调及接口模块（6）包括解调译码模块（61）、DDS直接数字频率合成模块（62）、定时缓存模块（63）、参数解析控制模块（64）、编码调制模块（65）、站控接口模块（66）、信息解算模块（67）和SRIO接口模块（68）；其中，DDS直接数字频率合成模块（62）用于接收时钟网络（8）提供的时钟参考信号，并针对不同速率数据，为解调译码模块（61）提供连续可变的参考时钟；定时缓存模块（63）用于接收解调译码模块（61）解调输出的发参考中断信号，定时同步后控制当前突发数据和参数的处理；站控接口模块（66）用于从远控参数中解析出调制解调参数、波束参数以及指向参数；信息解算模块（67）用于接收站控接口模块（66）解析出的指向参数以及姿态敏感元件发来的姿态信息，从而进一步解算出数字波束指向信息，并送到波束形成及跟踪校准模块（5）；参数解析控制模块（64）用于接收站控接口模块（66）解析出的各参数，处理后下发给解调译码模块（61）和编码调制模块（65）；
在接收链路中，波束形成及跟踪校准模块（5）输出的各波束数据进入解调译码模块（61），完成信道化处理、定时恢复、载波恢复、解扩、解映射、译码以及解扰，然后通过SRIO接口模块（68）输出解调数据和时钟；
在发射链路中，从SRIO接口模块（68）输入的调制数据经定时缓存模块（63）缓存后，送到编码调制模块（65）进行加扰、编码、组帧、扩频、映射以及信道化处理，然后输出给波束形成及跟踪校准模块（5）。
6.根据权利要求5所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述时钟网络（8）包括40MHz温补晶振（81）、LVCMOS扇出缓冲芯片（82）、锁相时钟分配芯片（83）以及33MHz温补晶振（84）；其中，LVCMOS扇出缓冲芯片（82）以外部参考时钟或40MHz温补晶振（81）输出的参考时钟作为输入，缓冲输出低偏斜、低抖动的同步时钟到本振网络（7）、锁相时钟分配芯片（83）、测试中频收发器（4）、DDS直接数字频率合成模块（62）、8路中频收发器（3）的4个捷变频器的参考时钟接口，以及波束形成及跟踪校准模块（5），并利用多通道同步定时模块（51）控制不同捷变频器（32）的基带时钟同步；33MHz温补晶振（84）连接到调制解调及接口模块（6），作为系统启动时钟。
7.根据权利要求6所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述锁相时钟分配芯片（83）用于产生多对DCLK/SYSREF时钟，并分别连接到波束形成及跟踪校准模块（5）以及外部板卡。
8.根据权利要求6所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述锁相时钟分配芯片（83）通过配置输出多对高速时钟，并分别连接到波束形成及跟踪校准模块（5）以及调制解调及接口模块（6），从而作为GTX/GTH通信时钟。
9.根据权利要求6所述的一种用于卫星通信的数字波束形成终端装置，其特征在于，所述本振网络（7）包括本地收本振模块（71A）、本地发本振模块（71B）、第一本振扇出驱动模块（72A）以及第二本振扇出驱动模块（72B）；
其中，本地收本振模块（71A）依据时钟网络（8）输出的40MHz参考时钟，进行锁相环频率合成，得到所需的接收链路两倍频本振信号，然后经第一本振扇出驱动（72A）缓冲后，通过6路LVPECL接口输出，其中的4路单端LVPECL接口的输出采用等长方式，连接到8路中频收发器（3）的4个捷变频器接收外本振口，通过波束形成及跟踪校准模块（5）的校准，实现8路中频接收通道间的射频同步，另外1路单端LVPECL接口输出到测试中频收发器（4）的捷变频器接收外本振口，还有1路差分LVPECL接口输出到外部板卡，实现规模扩展，保证系统内不同板卡采用同源时钟；
本地发本振模块（71B）用于实现8路中频发射通道间的射频同步，并提供测试中频收发器（4）发射外本振信号和外部板卡的差分LVPECL本振信号输出。
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