CN115276678A - 一种可重构的相位一致性阵列发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可重构的相位一致性阵列发射系统，能够解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。本发明在发射模式转换过程中，提出了详细的转换策略，具备可重构特性，并具备敏捷性，并且给出了各个发射模式下波束形成的具体实现算法。在多波束发射模式下，发射机的结构设计使得工作量得到显著降低。本发明提出的可重构的高精度相位一致性的阵列发射系统，可以解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，高精度的幅度和相位一致性可以有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。

Description

一种可重构的相位一致性阵列发射系统

技术领域

本发明涉及数字阵列发射技术领域，具体涉及一种可重构的相位一致性阵列发射系统。

背景技术

目前阵列发射系统在应用中包括雷达和通信两部分。对于雷达的数字T/R组件来说，发射时，由实时信号处理机产生每个天线单元的幅相控制字，对各T/R组件的信号产生器进行控制，产生一定频率、相位、幅度的射频信号；再输出至对应的天线单元，最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。接收时，每个T/R组件接收天线各单元的微波信号，经过下变频形成中频信号再经中频采样处理后输出回波信号；多路数字化T/R组件输出的大量回波数据，通过高速数据传输系统传送至实时信号处理机，实时信号处理机完成自适应波束形成和软件化信号处理。与采用模拟器件来实现波束形成的传统、相控阵雷达相比，数字阵列雷达具有很多优点：易于实现超低收发副瓣；波束扫描速度快(低于微秒量级)，信号处理方式灵活，可以同时发射、接收多波束，自适应零点形成易于抗干扰，模块之间的幅相校正较为简单；可以利用直接频率合成技术，产生各种具有复杂编码波形的发射信号，被截获的概率低，不用移相器，雷达的整机功耗低、可靠性高。

直接频率合成(DDS)的幅度和相位近似连续可调，可用于数字阵列雷达的波形产生和幅相调整。基于直接频率合成的数字T/R组件是数字阵列雷达的关键部分之一，包括了频率源、直接频率合成、功放、混频、滤波、模数变换等部件，有集中式频率源、分布式频率源等多种实现方式。关于雷达的数字T/R组件的研究重点主要有体系结构、基于直接频率合成的发射信号产生与幅相控制技术、数模一体化设计理论、组件的一致性和稳定性等。

对于数字波束形成校正技术来说，数字阵列发射通道和各接收通道间存在幅相误差，会对波束副瓣电平产生影响，应对其进行校正。发射通道校正有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是让每个通道依次通过天线所发射的信号，再把远场接收的发射信号与参考信号比较，得到各发射通道的幅相误差。将此误差代入直接频率合成部件即可修正各发射支路的幅相误差。内部校正是将发射信号从天线耦合端耦合出来，经矩阵开关依次切换各路信号，再把矩阵开关的输出与参考信号相比较得到发射通道的幅相误差。此误差再加上天线、矩阵开关等固定误差，更得到等效的远场校正误差。接收通道校正同样有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是将校正信号从远场发射，经天线、接收机至采集卡，然后在计算机内对接收通道的幅相误差进行分析。内部校正是将校正信号从功分网络馈入天线的耦合器，经天线耦合端、接收机至采集卡，由计算机分析各通道的幅相误差，依此进行天线、功分网络等固有误差的修正，然后才能得到等效的系统误差。接收通道的幅相误差最终将在数字波束形成器中加以修正。

对于宽带数字波束形成技术来说，采用宽带波形可达到高的距离分辨率，有助于目标识别，从而适用子弹道导弹防御系统等场合。实现宽带数字波束形成，一是天线系统和射频组件的频带要相当宽，二是雷达必须具有大的瞬时带宽，三是要进行高速数字信号处理。通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位，可以实现宽带发射和接收。当然，由于带宽的增大，迫切需要解决宽带数字波束形成存在的巨大的运算量问题。

大容量高速数据传输是实现数字阵列单元(DAU)与数字处理系统之间的数据交换是必不可少的。有多种办法来实现大容量高速数据传输，例如采用光纤和低压差分传输(LVDS)，传输速率都能达到几百兆。

LVDS是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号(约350毫伏)，通过一对差分电路板走线或平衡电缆来传输数据。它允许单个信道的传输数据率达到每秒数百兆比特。与LVDS相比，光纤传输具有传输距离远、传输数据率高、延迟低、重量轻、保密性能好等优点，传输数据率可达千兆以上。

数字阵列雷达的任务控制、时序产生、校正处理、波束控制、目标跟踪和显示处理等工作，需要一个功能强大的处理平台——采用的高性能信号处理机。

通信部分包括模拟阵列发射机以及数字阵列发射机。不足之处是只具备单一的发射模式。例如只支持单波束发射，发射多波束需要添加设备等。

随着数字技术的发展，相控阵天线逐渐由模拟转为数字，其中数字阵列发射机是相控阵系统中十分重要的一个部分，目前有非常多的数字波束形成算法，例如LCMV算法，正交投影算法，唯相位算法等，根据波束成形算法会得到一组幅相加权值，根据这组幅相加权值可以对发射机的每一个通道进行调幅和调相。在理想情况下，应用算法生成的加权值就可以得到指向精准的波束，但是实际应用中往往会因为发射机各个发射端口的信号幅度和相位不同步而导致波束指向发生偏差，导致加权值精度不够。因此，发射机的高精度的相位一致性设计对整个发射机的波束指向精度的影响至关重要。现有技术中，模拟发射机调节不便利，并且精度控制不足；模拟阵列发射机和T/R组件在发射波束时，当从发射单波束模式转换到发射多波束模式时，需要在单波束的设备基础上增加多套射频设备和相应的发射阵列才能发射多波束。因此发射系统实现发射模式单一。转换发射模式较复杂，工作量大；现有的相位一致性设计是在硬件层面对每一块DAC芯片做了等长布线处理，虽然可以保证时钟走线到DAC芯片的相位一致性，但是无法保证每片DAC同时开启以及同步发射数据。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种可重构的相位一致性阵列发射系统，能够解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的一种可重构的相位一致性阵列发射系统，包括一块主控制板卡和多块发射板卡，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制；其中，每块发射板卡搭载多片DAC芯片，DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块DAC设为主芯片，其余DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，连线保证等长布线。

其中，通过写寄存器配置各个DAC芯片，将主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，每一片DAC的编程逻辑中都加入一个寄存器作为数据同步调制以及编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制以及编解码模块中；最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据。

其中，所述主控板卡包括参数配置模块、自主认知模块和多制式波束形成权值计算模块；具体地，参数配置模块的功能包括将各通道幅度和相位校正值下发到校准模块、载波通道数的选择、各个载波通道调制模式的选择、调制信号带宽的控制、各通道频率的配置、各个DDS的初始相位字的配置和多片DAC的同步配置；自主认知模块通过查询路由信息确定当前工作节点的数量和位置信息，并自主判断发射模式，当需要更改发射模式时，给多制式波束形成权值计算模块发送模式切换指令，从而切换发射模式，并计算相应的波束形成幅度加权值和相位加权值，将幅度加权值送到波束形成模块中的幅度调节模块中，将相位加权值送到波束形成模块中的相位累加字形成模块中；多制式波束形成权值计算模块可实现三种发射模式，分别是单波束发射模式、多波束发射模式和抗截获发射模式。

其中，发射板卡包括发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块、多路数模转换模块以及同步控制模块；其中，发射数据处理模块是将数字信号进行缓存，并对信号进行组帧操作，本系统设计的帧结构分为三个部分，第一部分用来存储传输的数据，第二部分用来表明帧的功能，第三部分用来表明帧作用的通道，数据组帧后会进行编码；编码模块将发射数据处理模块的数据进行双二进制Turbo码编码，双二进制Turbo码与传统Turbo码的区别是增加了二进制映射转换模块，并且分量编码器的输入信息从一比特变为两比特，信号编码后进入调制模块；调制模块可通过参数配置模块进行调制模式选择和信号带宽控制，调制模式包括QPSK调制、BPSK调制和单载波模式，信号条之后进入多制式波束形成权值计算模块；所述波束形成模块依次通过波形校准、频率控制字形成、相位累加字形成、DDS配置和幅度调节，完成波束形成，经过幅度调节后的数据进入上变频模块；上变频模块通过多路DDS经过并串转换实现上变频，数据上变频后进入数模转换模块；多路数模转换模块共搭载16片数模转换器，多路数模转换器在设计上保证时钟同频同源，通过主控板卡配置16片数模转换器的寄存器，配置MU控制器、SYNC同步控制器和RX控制器，将第一片数模转换器设置为主片，其他的数模转换器设置为从片，每一个数模的控制器全部配置成功进入工作转态；同步控制模块对发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块和数模转换模块进行同步启动控制，并对每一路数模转换器进行控制，对DAC的同步控制首先进行软复位，然后设置好时钟信号，再配置MU控制器、SYNC控制器和RX控制器。

其中，所述波束形成模块中包括校准模块、频率控制字形成模块、相位累加字形成模块、DDS模块和幅度调节模块，其中校准模块的作用是对多片DAC芯片进行相位同步校正，从而保证多片DAC芯片在开机启动工作后的相位一致；DDS模块的配置分为频率控制字和相位累加字，DDS的相位累加字包括校准模块的通道相位一致性校准值、参数配置模块发来的各个DDS的初始相位控制字的值和QPSK调制的角度值，将这三部分的数值进行相加处理后配置给DDS的相位累加字；幅度调节模块的数值由通道幅度一致性校准值和波束形成权值计算模块的幅度加权值组成，通过幅度调节模块对每一路发射信号进行幅度加权处理，调制后的信号进入相位累加字形成模块中；相位累加字形成模块包括调制后的数据、参数配置模块下发的各DDS初始相位字控制和校准模块发出的通道相位一致性参数，相位累加字作为DDS模块的相位累加字进行输出，输出到幅度调节模块；幅度调节模块的参数由校准模块和多制式波束形成权值计算模块联合控制。

有益效果：

本发明采用全数字化结构，具备可拓展性，整体硬件结构主要由一块主控制板卡和多块发射板卡，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制。每块发射板卡搭载多片高速DAC芯片，可形成大规模阵列。由于主控制板卡搭载的主控芯片具备处理速度高，处理带宽大，多任务并行处理的性能指标，可实现挂载多块发射板卡构成大规模混合任务模式的发射；发射系统只需要通过决策模块改变任务模式，无需改变当前硬件就可以实现任意任务模式下的波束发射。本发明通过软硬件协同，实现高精度相位一致性。发射系统采用硬件、软件协同的方式，共同作用于发射板卡的DAC芯片的波束生成，使得发射系统在性能上具备优异的通道一致性；高速DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块高速DAC设为主芯片，其余高速DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，这些连线保证等长布线，本发明提出的可重构的高精度相位一致性的阵列发射系统，可以解决阵列发射机的中频基带发射端口的发射信号的幅度和相位一致性问题，高精度的幅度和相位一致性可以有效的提高波束形成算法合成的波束指向的精度。

本发明通过写寄存器配置各个DAC芯片，将主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，其他的工作状态也要设置好。每一片DAC的编程逻辑中都会加入一个寄存器作为数据同步调制、编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制、编解码模块等模块中。最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据，在现有的在发射机在硬件相位一致性设计的基础上，添加软件一致性实现方案，通过软硬结合的形式使得发射机相位一致性的精度得到进一步的提升。

本发明在解决幅相位一致性的基础上提出了三种可重构的发射模式，分别是高增益单波束发射模式、具备差异化信息功能的同时多波束发射模式以及抗截获发射模式。三种发射模式可进行实时精确感知并进行发射模式转换。本发明系统具备自主认知能力，并可根据当前认知状态自动切换发射模式，多任务模式包括远距离高增益单波束发射模式、多目标差异化信息发射模式以及抗截获发射模式，从而实现高效智能全自动化的多任务模式的数字波束发射。

附图说明

图1为本发明整体架构示意图。

图2为本发明可重构的模式切换发射指令框图示意图。

图3为本发明单波束发射模式流程示意图。

图4为本发明多波束发射模式流程示意图。

图5为本发明主控板卡与发射板卡信号传输电路原理图。

图6为本发明DAC互连信号电路示意图。

图7为本发明时钟同步电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

阵列发射系统由发射模块和接收模块构成，本发明重点是发射模块的设计，接收模块在波束形成的过程中起到辅助作用，不做过多阐述。本发明的相位一致性软硬件协同工作设计，使得发射机的多通道相位一致性精度得到显著提升，从而波束形成指向更加精准。在发射模式转换过程中，提出了详细的转换策略，具备可重构特性，并具备敏捷性，并且给出了各个发射模式下波束形成的具体实现算法。在多波束发射模式下，发射机的结构设计使得工作量得到显著降低。

本发明的数字阵列发射机包括一块主控板卡和四块发射板卡，其中主控板卡包括参数配置模块、自主认知模块和多制式波束形成权值计算模块；发射板卡包括发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块、多路数模转换模块以及同步控制模块，整体架构如图1所示。本发明重点在于波束形成模块中的可重构性以及同步控制模块中的高精度的相位一致性。

具体地，参数配置模块的主要功能包括将各通道幅度和相位校正值下发到校准模块、载波通道数的选择、各个载波通道调制模式的选择、调制信号带宽的控制、各通道频率的配置、各个DDS的初始相位字的配置和多片DAC的同步配置等；自主认知模块通过查询路由信息确定当前工作节点的数量和位置信息，并自主判断发射模式，当需要更改发射模式时，给多制式波束形成权值计算模块发送模式切换指令，从而切换发射模式，并计算相应的波束形成幅度加权值和相位加权值，将幅度加权值送到波束形成模块中的幅度调节模块中，将相位加权值送到波束形成模块中的相位累加字形成模块中；多制式波束形成权值计算模块可实现三种发射模式，分别是单波束发射模式、多波束发射模式和抗截获发射模式。

发射数据处理模块是将数字信号进行缓存，并对信号进行组帧操作，本系统设计的帧结构分为三个部分，第一部分用来存储传输的数据，第二部分用来表明帧的功能，第三部分用来表明帧作用的通道，数据组帧后会进行编码；编码模块将发射数据处理模块的数据进行双二进制Turbo码编码，双二进制Turbo码与传统Turbo码的区别是增加了二进制映射转换模块，并且分量编码器的输入信息从一比特变为两比特，信号编码后进入调制模块；调制模块可通过参数配置模块进行调制模式选择和信号带宽控制，调制模式包括QPSK调制、BPSK调制和单载波模式，信号条之后进入多制式波束形成权值计算模块；波束形成模块中包括校准模块、频率控制字形成模块、相位累加字形成模块、DDS模块和幅度调节模块，其中校准模块的作用是对多片DAC芯片进行相位同步校正，从而保证多片DAC芯片在开机启动工作后的相位一致；DDS模块的配置分为频率控制字和相位累加字，本发明DDS的相位累加字包括校准模块的通道相位一致性校准值、参数配置模块发来的各个DDS的初始相位控制字的值和QPSK调制的角度值，将这三部分的数值进行相加处理后配置给DDS的相位累加字；幅度调节模块的数值由通道幅度一致性校准值和波束形成权值计算模块的幅度加权值组成，通过幅度调节模块对每一路发射信号进行幅度加权处理，调制后的信号进入相位累加字形成模块中；相位累加字形成模块包括调制后的数据、参数配置模块下发的各DDS初始相位字控制和校准模块发出的通道相位一致性参数，相位累加字作为DDS模块的相位累加字进行输出，输出到幅度调节模块；幅度调节模块的参数由校准模块和多制式波束形成权值计算模块联合控制，经过幅度调节后的数据进入上变频模块；上变频模块通过多路DDS经过并串转换实现上变频，数据上变频后进入数模转换模块；多路数模转换模块共搭载16片数模转换器，多路数模转换器(数模)在设计上保证时钟同频同源，通过主控板卡配置16片数模转换器的寄存器，其中需要配置三个主要控制器，包括MU控制器、SYNC同步控制器和RX控制器，将第一片数模转换器设置为主片，其他的数模转换器设置为从片，每一个数模的控制器全部配置成功进入工作转态。同步控制模块对发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块和数模转换模块进行同步启动控制，并对每一路数模转换器(DAC)进行控制，对DAC的同步控制首先进行软复位，然后设置好时钟信号，再配置MU控制器、SYNC控制器和RX控制器。

本发明系统工作过程和原理分析如下：

可重构特性通过软件配置与自主认知模块感知，自主更换三种发射模式实现。三种发射模式分别为单波束发射模式、多波束发射模式以及低截获发射模式；本发明具备自主认知能力，并可根据当前认知状态自动切换发射模式，多任务模式包括远距离高增益单波束发射模式、多目标差异化信息发射模式以及抗截获发射模式，从而实现高效智能全自动化的多任务模式的数字波束发射，所述的自主认知多任务模式切换包括如下步骤：

发射机发射当前任务模式下的数字波束；此时发射机自主认知模块开始协同工作，通过接收端实时发回的状态信息，发射机自主认知模块进行状态判断；当认知模块感知到当前状态并非理想工作任务模式时，自主判断下一个工作任务模式，并进行任务模式切换，发射对应任务模式下的波束。

其中，认知模块感知当前发射模式是否是正确的工作任务模式，决策模块进行自主决策下一个工作任务模式，具体为：认知模块中包含每一个接收端的接收状态查询寄存器，用于认知模块查询接收端发回的接收状态信息，状态查询寄存器包含3个状态，分别是空闲，正确和错误状态；接收端进行信息接收和解码，当得到的信息不是想要的信息时，会发送给发送端接收信息错误指令。空闲的接收端会发送给发送端空闲指令。正确解码的接收端会发送给发射端接收信息正确指令。发射机自主认知模块会实时查询每一个接收机的信息接收指令的正确与否。同时决策模块对认知模块的认知结果进行查询，根据对当前认知模块的认知结果进行自主切换发射任务模式。可重构的模式切换发射指令框图如图2所示。

具体地，发射模式检测系统用于检测当前工作状态，通过检测状态得出应该发射三种工作模式的哪一种，并具备自主认知功能，当检测到状态变化时，通过查询路由得出当前工作的节点，将节点请求的发射模式发送给发射机，发射机根据该指令转换对应的发射模式。三种发射模式具体为：

单波束发射模式：发射机和接收机采用相同阵型的阵列，且等间距摆放。当接收机进入工作状态，检测到信噪比较低时，会给检测系统发送信号加强指令，检测系统检测到该节点的指令后，通过查询路由发现是哪个节点发出的指令，并将该节点提出的信号增强指令发送给发射机。此时分为两种情况，一种情况是发射机对接收机的方位角未知时，采用的方案是接收机使用基于对角加载的采样矩阵求逆算法(LSMI)，求得一组权值，将这组权值发送给发射机，发射机使用该组加权值后，接收机重新使用LSMI算法求得新的权值，并发送给发射机，发射机更新权值，经过几次迭代之后，发射机可获得较为准确的一组加权值。另一种情况是发射对该接收机节点的方位角和干扰信号的角度已知时，发射机采用正交投影算法求得一组加权值，加载到基带发射模块中，发射窄带高增益发射模式。整个流程如图3所示。

LSMI算法推导：

为了信号输出信噪比最大化，Capon等人提出在期望相应不变的情况下最小化阵列输出功率的方法，称为LCMV算法，表示为

上式中，a₀是期望信号的导向矢量，对上面的优化问题应用拉格朗日乘数法进行求解，函数定义为

J(w,λ)＝w^HRw+λ(w^Ha₀-1) (1-2)

得到所以最优解为

在实际应用中，R通常无法获得，因此常采用样本协方差矩阵C代替，此时波束形成器称为样本协方差矩阵求逆(SMI)波束形成器，其加权系数为

由于SMI的稳健性有限，为了提高SMI的稳健性，提出了对角加载LSMI波束形成器，通过在样本协方差矩阵的对角元素上加一个常数得到，其加权系数为

多波束发射模式：单个接收节点的工作流程与单波束发射模式中接收节点的工作流程类似，当多个节点开始工作时，会给检测系统发送工作指令，检测系统收到指令后，通过查询路由信息得到哪几个节点发出指令。当方位角未知时，会按照顺序对每个节点单独进行基于LSMI算法的波束形成，最后将加权值系数进行叠加。当方位角和干扰信号角度已知时，可通过正交投影算法或者具备多个约束的LCMV算法求得加权值，加载到基带发射模块中，发射同时多波束。多波束发射模式的流程如图4所示。

低截获发射模式：在波束形成中形成零点的一种发射模式，具体是在指定的方向实现较深的零陷，在实际应用中，为避免方位角误差或者目标点的运动造成偏离零点方向，采取零陷展宽策略，根据导数约束法和协方差矩阵锥化(CMT)法对指定零陷进行展宽处理。低截获发射模式下可将波束形成主瓣对准接收机，将零点对准己方敏感接收设备或者敌方截获接收机。

高精度相位一致性通过软硬件协同实现，具体是采用硬件、软件协同的方式，共同作用于发射板卡的DAC芯片的波束生成，使得发射系统在性能上具备优异的通道一致性，具体实现方式为：高速DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块高速DAC设为主芯片，其余高速DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，这些连线保证等长布线；通过写寄存器配置各个DAC芯片，将上面的主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，其他的工作状态也要设置好。具体地，对于主从片配置部分，多个DAC芯片间的同步是通过旋转从芯片的4分频相位来实现的，从而使得从芯片与主芯片相位对齐。对于从芯片，同步控制器将主芯片的SYNC_IN参考信号的相位与除以4的初始0°/90°进行相位对齐比较，然后旋转除以4的相位，直到SYNC_IN参考信号落在这些相位之间。同步控制需要所有的芯片共用一个相同的参考信号。所以主芯片通过把SYNC_OUT信号分给每一个从芯片的SYNC_IN接口。通过旋转4分频相位可以确保数据接收控制器的锁定。多片DAC芯片的同步要求所有的芯片都具有相匹配的流水线延迟。这意味着当所有的芯片在同一时刻输入相同的数据时，在同一时刻DAC输出是相同的相位。导致DAC芯片之间相位模糊的主要原因是来自驱动接收数据路径和接受控制器的4分频电路。这种相位模糊的情况会导致任意两个DAC芯片间出现±2的采样偏差。因为DAC芯片内部的分频器在上电时的状态是未知的，所以需要接收控制器来对多个DAC芯片的数据路径进行相位对齐，来确保各个芯片的流水线延迟相匹配。每一片DAC的编程逻辑中都会加入一个寄存器作为数据同步调制、编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制、编解码模块等模块中。最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据。

本发明相位一致性通过互连电路实现，互连电路分为主控板卡与发射板卡信号传输电路、时钟同步电路和DAC互连信号电路三部分。时钟同步电路实现主控板卡为各个信号处理板卡提供时钟和同步信号，保证各个板卡的同步性。互连信号电路是实现主控板卡与信号板卡的数据传输。互连信号电路是主控板卡分别与每块信号处理板卡之间连接6根GPIO信号，设计为SPI接口时序进行数据传输。主控板卡与发射板卡信号传输电路原理如图5所示。为保证DAC的相位一致性，将多块DAC分成一块主片和多块从片，将主片的SYNC_OUT管脚分成多路后连接到各片DAC的SYNC_IN管脚，并将主片的DCO分到四块发射板卡中，由每块发射板卡分出DCI信号连接到各块DAC的DCI管脚。每块DAC的DACCLK管脚采用同频同源时钟。DAC互连信号电路如图6所示。同步性时钟同步电路能够保证16路发射通道能够同步工作，首先各个发射通道采用同源、同相的时钟，主控板卡为各个信号处理板卡提供数模转换时钟，保证时钟同源。布板时保证每路时钟路径长度相同，保证数模转换时钟同相。其次，各个发射通道接收来自主控板卡的SYNC同步启动信号，保证各个发射通路是同时开始工作。时钟同步电路原理如图7所示。

进一步地，本发明发射系统具备可拓展性和较好的通用性，在性能上具备优异的通道一致性，具体采用如下方式：采用全数字化结构，具备可拓展性，整体硬件结构主要由一块主控制板卡和多块发射板卡构成，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制。每块发射板卡搭载多片高速DAC芯片，可形成大规模阵列。由于主控制板卡搭载的主控芯片具备处理速度高，处理带宽大，多任务并行处理的性能指标，可实现挂载多块发射板卡构成大规模混合任务模式的发射；系统只需要通过决策模块改变任务模式，无需改变当前硬件就可以实现任意任务模式下的波束发射。大规模阵列分区后各个区域发射各个的发射模式，具备可拓展性、通用性，可构成大规模阵列，可实现大规模混合任务模式同时发射。通过将大规模阵列进行分区，大规模阵列会被分成多个块区；每一个块区可以进行不同的调制和编解码等数字信号处理操作，对每一个块区进行数字信号处理后，可通过不同的波束形成算法得出各自对应的幅相加权系数和频率值，无需改变硬件结构，只需改变这些数值，决策模块就可以对每一个块区执行不同的任务模式，从而实现大规模混合任务模式的发射。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可重构的相位一致性阵列发射系统，其特征在于，包括一块主控制板卡和多块发射板卡，通过一块主控板卡实现对所有发射板卡的控制；其中，每块发射板卡搭载多片DAC芯片，DAC的数据线和时钟信号线在每一块发射板卡中布局布线采用等长线结构，其中一块DAC设为主芯片，其余DAC设为从芯片，将主芯片的synq_out管脚接到所有的从芯片的synq_in管脚，连线保证等长布线。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过写寄存器配置各个DAC芯片，将主芯片设置为主芯片模式，其他的工作状态设置好后，将其他的从芯片设置为从芯片模式，每一片DAC的编程逻辑中都加入一个寄存器作为数据同步调制以及编解码指令，当接收这个指令时，数据才进入到调制以及编解码模块中；最终还有一个寄存器作为同步发射指令，当接收到这个指令时，所有的DAC同步发射数据。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述主控板卡包括参数配置模块、自主认知模块和多制式波束形成权值计算模块；具体地，参数配置模块的功能包括将各通道幅度和相位校正值下发到校准模块、载波通道数的选择、各个载波通道调制模式的选择、调制信号带宽的控制、各通道频率的配置、各个DDS的初始相位字的配置和多片DAC的同步配置；自主认知模块通过查询路由信息确定当前工作节点的数量和位置信息，并自主判断发射模式，当需要更改发射模式时，给多制式波束形成权值计算模块发送模式切换指令，从而切换发射模式，并计算相应的波束形成幅度加权值和相位加权值，将幅度加权值送到波束形成模块中的幅度调节模块中，将相位加权值送到波束形成模块中的相位累加字形成模块中；多制式波束形成权值计算模块可实现三种发射模式，分别是单波束发射模式、多波束发射模式和抗截获发射模式。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，发射板卡包括发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块、多路数模转换模块以及同步控制模块；其中，发射数据处理模块是将数字信号进行缓存，并对信号进行组帧操作，本系统设计的帧结构分为三个部分，第一部分用来存储传输的数据，第二部分用来表明帧的功能，第三部分用来表明帧作用的通道，数据组帧后会进行编码；编码模块将发射数据处理模块的数据进行双二进制Turbo码编码，双二进制Turbo码与传统Turbo码的区别是增加了二进制映射转换模块，并且分量编码器的输入信息从一比特变为两比特，信号编码后进入调制模块；调制模块可通过参数配置模块进行调制模式选择和信号带宽控制，调制模式包括QPSK调制、BPSK调制和单载波模式，信号条之后进入多制式波束形成权值计算模块；所述波束形成模块依次通过波形校准、频率控制字形成、相位累加字形成、DDS配置和幅度调节，完成波束形成，经过幅度调节后的数据进入上变频模块；上变频模块通过多路DDS经过并串转换实现上变频，数据上变频后进入数模转换模块；多路数模转换模块共搭载16片数模转换器，多路数模转换器在设计上保证时钟同频同源，通过主控板卡配置16片数模转换器的寄存器，配置MU控制器、SYNC同步控制器和RX控制器，将第一片数模转换器设置为主片，其他的数模转换器设置为从片，每一个数模的控制器全部配置成功进入工作转态；同步控制模块对发射数据处理模块、编码模块、调制模块、波束形成模块、上变频模块和数模转换模块进行同步启动控制，并对每一路数模转换器进行控制，对DAC的同步控制首先进行软复位，然后设置好时钟信号，再配置MU控制器、SYNC控制器和RX控制器。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述波束形成模块中包括校准模块、频率控制字形成模块、相位累加字形成模块、DDS模块和幅度调节模块，其中校准模块的作用是对多片DAC芯片进行相位同步校正，从而保证多片DAC芯片在开机启动工作后的相位一致；DDS模块的配置分为频率控制字和相位累加字，DDS的相位累加字包括校准模块的通道相位一致性校准值、参数配置模块发来的各个DDS的初始相位控制字的值和QPSK调制的角度值，将这三部分的数值进行相加处理后配置给DDS的相位累加字；幅度调节模块的数值由通道幅度一致性校准值和波束形成权值计算模块的幅度加权值组成，通过幅度调节模块对每一路发射信号进行幅度加权处理，调制后的信号进入相位累加字形成模块中；相位累加字形成模块包括调制后的数据、参数配置模块下发的各DDS初始相位字控制和校准模块发出的通道相位一致性参数，相位累加字作为DDS模块的相位累加字进行输出，输出到幅度调节模块；幅度调节模块的参数由校准模块和多制式波束形成权值计算模块联合控制。

Images