CN115941012B - 芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列，涉及数字相控阵技术。采用数字收发芯片和数字波束成形数字波束成形芯片，将合路后的信号通过光纤拉远，在远端进行信号处理。数字收发芯片将以往的体积大、功耗高的收发组件以及ADC和DAC进行芯片化，降低了多波束数字阵列的体积和功耗。数字波束成形芯片将多个波束进行合成，然后通过光纤传输的远端的集中处理中心，降低了需要传输信号的速率；同时，通过光纤拉远，可以灵活的扩展数字阵列的规模。本发明解决了传统数字多波束体积大、功耗高、不便于规模重构和波束扩展数量的缺点。

Description

芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列
技术领域
本发明涉及数字相控阵技术，特别涉及芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列技术。
背景技术
目前，在移动通信基站、探测站、卫星通信、航天测控和无人机测控等无线电设备中，相控阵天线应用越来越广泛，数字相控阵采用每个阵元一个接收/发射通道以及模数/模数转换器，在数字上进行信号处理，数字相控阵可同时形成多波束，成形波束精确等优点，在多目标系统中得到越来越多的应用。但是目前的数字相控阵系统中，接收通道多，体积大，成本高，功耗大，且数字阵列设计完后，不便于规模扩展，且当要求波束数量大于阵元数量时，传统设计方法无法满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为实现阵列规模的弹性扩展以及波束数量的弹性扩展提供一种可重构弹性规模的多波束数字阵列。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列，包括N个天线子阵前端，Nf根光纤和1个综合处理池；
天线子阵前端进行子阵信号的收发处理和数字波束成形处理；
综合处理池用于对多个子阵信号的再次波束赋形处理、数字信号的调制解调、编码译码以及波束赋形计算和波束监控；
天线子阵列和综合处理池之间通过光纤进行业务数据和控制信息的传输；
天线子阵前端包括收发TR前端和数字波束成形模块；TR前端包含Nant个天线和与天线数量相同的双工器、一个校准网络；每一个天线对应连接一个双工器；双工器的天线端连接天线，双工器的发送端经发射通道与对应的数字收发芯片的输出端相连，双工器的接收端经接收通道与对应的数字收发芯片的输入端相连。
具体的，TR前端的发射通道与接收通道具体为：
发射通道中，双工器的发送端通过耦合器与发射放大器的输出端相连，发射放大器的输入端与滤波器的输出端相连，滤波器的输入端与数字收发芯片的输出端相连；在发射方向，来自数字收发芯片的射频信号经过滤波器输入至发射放大器，再经过耦合器，通过耦合器的直通端输入到双工器；耦合器的耦合端接收校准网络输出的射频校准信号，用于发射校准。
接收通道中，双工器的接收端通过耦合器与发射放大器的输入端相连，接收放大器的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与数字收发芯片的输入端相连；在接收方向上，来自天线的接收信号经过双工器后，通过耦合器送入到接收放大器，经放大后进行滤波，滤波后的信号送到数字波束成形模块；校准网络通过射频方式输出校准信号至接收耦合器的耦合端，用于接收校准。校准网络还与数字波束成形模块中的对应数字收发芯片相连。
具体的，数字波束成形模块包含Nc+1个数字收发芯片、数字波束成形芯片、同步管理模块、校准管理模块和Nf个光模块。
各数字收发芯片通过高速数据接口与数字波束成形芯片相连，与光纤相连的各光模块与数字波束成形芯片相连，形成数字收发芯片与光模块之间的接收与发射通道；同步管理模块与各数字收发芯片、数字波束成形芯片和校准管理模块相连；同步管理模块向各数字收发芯片输出同步时钟与同步信号；校准管理模块与对应的数字收发芯片和数字波束成形芯片相连，向数字波束成形芯片输出校准数据；
在发射通道上，光模块将从光纤传输过来的光信号转换为波束数据流后送入到数字波束成形芯片中；数字波束成形芯片对发射数据进行波束加权，加权后的发射数据经高速数据接口输入至数字收发芯片；数字收发芯片进行发射数据进行信号处理后输出到TR前端；在接收通道上，从TR前端输入的射频信号经过数字收发芯片处理后，通过高速数据接口输入到数字波束成形芯片；数字波束成形芯片根据加权系数对接收数据进行波束加权后，加权后的接收数据经过光模块转换为光信号后通过光纤传输到综合处理池。
本发明采用数字收发芯片和数字波束成形数字波束成形芯片，将合路后的信号通过光纤拉远，在远端进行信号处理。数字收发芯片将以往的体积大、功耗高的收发组件以及ADC和DAC进行芯片化，降低了多波束数字阵列的体积和功耗。数字波束成形芯片将多个波束进行合成，然后通过光纤传输的远端的集中处理中心，降低了需要传输信号的速率；同时，通过光纤拉远，可以灵活的扩展数字阵列的规模。当要求的波束数量大于子阵阵元个数时，各子阵内部不进行波束合成，各子阵信号集中在远端综合处理池进行波束合成，完成波束的弹性扩展。
本发明较传统分离器件，极大程度上降低了阵列前端的设计复杂度，在提升阵列性能的同时突破了阵列前端受限体积、功耗带来的限制；通过对数字TR芯片及弹性数字波束成形芯片的灵活配置，使得系统具备天线口径、波束数量、工作频率、信号带宽等可重构能力；通过灵活的配置天线子阵的数量，可重构多波束数字阵列规模；通过在综合处理单元进行各个子阵信号的合并，可弹性的增加波束数量。
本发明的有益效果是，降低数字多天线阵列的功耗和体积，便于重构规模和扩展波束数量。
附图说明
图1为芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列示意图；
图2为芯片化天线子阵前端示意图；
图3为数字TR芯片示意图；
图4为数字波束成形芯片示意图；
图5为综合处理池示意图；
图6为实施例示意图。
具体实施方式
如图1所示，芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列由N个天线子阵前端，Nf根光纤和1个综合处理池。
天线子阵前端进行子阵信号的收发处理和数字波束成形处理，光纤用于在天线子阵列和综合处理池进行业务数据和控制信息的传输。综合处理池用于对多个子阵信号的再次波束赋形处理、数字信号的调制解调、编码译码以及波束赋形计算和波束监控等处理。
天线子阵前端如图2所示，其由收发TR前端和数字波束成形模块组成。TR前端包含Nant个天线和与天线数量相同的双工器、一个校准网络；每一个天线对应连接一个双工器；双工器的天线端连接天线，双工器的发送端经发射通道与对应的数字收发芯片的输出端相连，双工器的接收端经接收通道与对应的数字收发芯片的输入端相连。
发射通道中，双工器的发送端通过耦合器与发射放大器的输出端相连，发射放大器的输入端与滤波器的输出端相连，滤波器的输入端与数字收发芯片的输出端相连；在发射方向，来自数字收发芯片的射频信号经过滤波器输入至发射放大器，再经过耦合器，通过耦合器的直通端输入到双工器；耦合器的耦合端接收校准网络输出的射频校准信号，用于发射校准。
接收通道中，双工器的接收端通过耦合器与发射放大器的输入端相连，接收放大器的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与数字收发芯片的输入端相连；在接收方向上，来自天线的接收信号经过双工器后，通过耦合器送入到接收放大器，经放大后进行滤波，滤波后的信号送到数字波束成形模块；校准网络通过射频方式输出校准信号至接收耦合器的耦合端，用于接收校准。校准网络还与数字波束成形模块中的对应数字收发芯片相连。
数字波束成形模块包含Nc+1个数字收发芯片、数字波束成形芯片、同步管理模块、校准管理模块和Nf光模块。
各数字收发芯片通过高速数据接口与数字波束成形芯片相连，与光纤相连的各光模块与数字波束成形芯片相连，形成数字收发芯片与光模块之间的接收与发射通道。同步管理模块与各数字收发芯片、数字波束成形芯片和校准管理模块相连。同步管理模块向各数字收发芯片输出同步时钟与同步信号。校准管理模块与对应的数字收发芯片和数字波束成形芯片相连，向数字波束成形芯片输出校准数据。
在发射方向上，光模块将从光纤传输过来的光信号转换为波束数据流后送入到数字波束成形芯片中；数字波束成形芯片对发射数据进行波束加权，加权后的发射数据经高速数据接口输入至数字收发芯片；数字收发芯片进行发射数据进行信号处理后输出到TR前端；在接收方向上，从TR前端输入的射频信号经过数字收发芯片处理后，通过高速数据接口输入到数字波束成形芯片；数字波束成形芯片根据加权系数对接收数据进行波束加权后，加权后的接收数据经过光模块转换为光信号后通过光纤传输到综合处理池。
同步管理模块从数字波束成形芯片中接收数据并提取出时频信息，产生数字收发芯片需要的同步时钟信号和同步信号，使得天线子阵前端中的各个芯片与综合处理池同步；多个天线子阵列均与综合处理池同步实现了可重构弹性规模设计。
通过校准管理模块的控制实现各个天线子阵前端的幅度和相位的通道一致性校准。在接收方向校准中，校准管理模块发射数字校准信号，通过高速接口传输到数字收发芯片。校准信号经过数字收发芯片处理后输入到TR前端。在TR前端中，校准信号经过校准网路通过射频RF的方式送入到各个接收耦合器中，通过耦合器将校准信号输入到接收通道中，接收校准信号经过TR前端出来后，送入到数字收发芯片，经数字收发芯片接收处理后输出到数字波束成形芯片完成本子阵的各个接收通道的校准，数字波束成形芯片将校准结果通过光模块处理后传输到综合处理池，在综合处理池中完成子阵间的校准。发射校准中，校准管理模块向数字波束成形芯片输出多通道的发射校准信号，经数字波束成形芯片输出处理后的发射校准信号至与天线相连的数字收发芯片，该数字收发芯片输出发射校准信号到TR前端；发射校准信号经过TR前端的发射滤波器和发射耦合器，通过发射耦合器耦合到校准网络，经过校准网络输入到与校准网络相连的数字收发芯片中，该数字收发芯片将校准数据接收处理后送入到数字波束成形芯片完成本子阵的发射校准。数字波束成形芯片将校准结果通过光纤传输到综合处理池，在综合处理池中完成子阵间的发射校准。
数字收发芯片如图3所示，其由多个发射输出通道和接收输入通道组成。在发射方向上，从数字波束成形芯片的高速数据接口传输过来的数字信号经过接口转换后进行数字上变频处理DUC，DUC处理后的数字信号输入到D/A中将数字信号转换成模拟信号，再经过滤波器进行滤波，经可变增益放大器VGA进行可调放大，经乘法器与发射本振进行混频，最后经功率放大器AMP放大后输出到TR前端。在接收方向上，从TR前端输入的射频信号经功率放大器AMP放大，经乘法器与接收本振进行混频得到中频信号，中频信号经可变增益放大器VGA进行可调放大后经滤波器进行滤波，滤波后的信号送入到A/D中进行模数转换，转换后的数字信号经过数字下变频处理后，再经过接口转换经高速数字接口传输到数字波束成形芯片中进行处理。模数转换器时钟同步模块ADC_CLK根据输入的同步时钟和时钟信号为各个A/D提供同步信号和同步时钟；数模转换器时钟同步模块DAC_CLK根据输入的同步时钟和时钟信号为各个D/A提供同步信号和同步时钟；接收本振根据输入的同步时钟和时钟信号为各个接收提供同步的本振信号；发射本振根据输入的同步时钟和时钟信号为各个发射提供同步的本振信号。
数字波束成形芯片如图4所示，包含接口转换、数字中频处理、均衡、数字波束成形、传输帧协议处理、高速数据接口、操作维护以及同步处理等处理模块。
同步处理模块根据输入的复位信号RESET、时钟信号CLK和同步信号SYNC为芯片内各个处理模块提供同步后的时钟以及同步信号。在发射方向上，从Nf个光接口输入的信号经过对应的串并转换器SERDES后输入至传输帧协议处理模块，传输帧协议处理模块将要传输的Nb路发射信号提取出来，再输入至宽带数字波束形成模块中。操作维护模块根据接收的加权系数输出波形参数至宽带数字波束形成模块。宽带数字波束形成模块根据波形参数对各个发射信号对应的波束Beam进行波束加权，加权后的信号经过均衡处理后输入至数字中频处理模块DIF。信号在数字中频处理模块DIF中经过插值和数字上变频DUC后，经接口转换后通过数字高速接口输入到数字收发芯片中。在接收方向上，来自数字收发芯片的数字高速接口的信号经过接口转化后输入至数字中频处理模块DIF。信号在DIF中进行数字下变频DDC与抽取；再进行均衡后在宽带数字波束形成模块中进行加权处理，形成Nb个波束Beam，然后将波束数据传输到传输帧协议处理模块组帧后通过串并转换器SERDES传输到各光接口后通过光纤输出到综合处理池。另外从校准管理模块传输过来的校准数据通过接口转化、数字中频处理后输出、传输帧协议处理模块组帧后通过SERDES接口传输到光接口，通过光接口输到综合处理池。操作维护模块为宽带数字波束形成模块提供波束参数,从传输帧协议处理模块提取校准要求提供给校准管理模块。
综合处理池如图5所示，包含接口转换、传输帧协议处理、子阵间波束合成、数字信号处理以及波束参数计算与管理等处理模块。
波束参数计算与管理模块根据各天线子阵传输的校准数据进行波束校准参数计算，然后根据波束管理要求的波束指向，计算出各子阵的波束参数，将各子阵的波束参数经传输协议处理模块后传输到各个子阵；子阵间的波束参数传输到子阵间波束合成模块，用于子阵间的合成。
在发射方向上，从外部输入的NM组数据先在数字信号处理模块中进行组帧、编码、调制等传统数字信号处理后，送入到子阵间波束合成模块，进行子阵间波束合成处理后，将数据传输到传输帧协议处理模块，然后经过接口转换后将各子阵信息通过数字高速接口传输到对应的子阵光纤接口中；在接收方向上，从各子阵对应光纤传输过来的信号，经过传输协议处理模块处理收，送入到子阵间波束合成模块，完成子阵间模块的波束合成，然后进行传统的同步、解调、译码等数字信号处理，将业务数据提取出来，传输到各个业务数据接口。
具体地，对于如图6所示的有256个天线阵元的阵列天线，同时支持3个波束，数字阵列的实现过程是：
256个天线阵元分成16个子阵，形成的16个天线子阵前端。每个天线子阵前端有16个天线阵元。每个TR前端包括16路发射和16路接收；每个数字TR芯片集成收发通路各2个通道，1天线子阵包括9个数字TR芯片；BDF芯片处理8个收发通道的3个波束合成。各个天线子阵的3个波束信号通过光纤传输到综合处理池进行16个子阵的3个波束二次合成。综合处理池使用刀片服务器，在服务器上完成其功能；波束管理和波束参数计算采用计算机或者服务器平台，在平台上运行相应软件完成。
在发射方向上，3个波束的业务数据从外部输入到刀片服务器，在刀片服务器的程序中完成数字信号处理模块中进行组帧、编码、调制等传统数字信号处理后，送入到子阵间波束合成模块，进行16个子阵间波束合成处理后，将数据传输到传输帧协议处理模块，然后经过接口转换后将各子阵信息传输到对应的子阵光纤接口中；在各个数字波束成形芯片中，将光口输入的信号经过传输帧协议处理模块将要传输的信号提取出来，然后输入数字波形形成模块中，根据操作维护模块输入的波形参数对各个发射信号进行波束加权出来，处理后的信号经过均衡后进行数字中频处理，在数字中频处理模块中经过插值、数字上变频DUC以及接口转换后，输入到数字收发芯片中。在数字收发芯片中，将从数字波束成形芯片通过高速数据接口传输过来的数字信号，经过接口转换后进行数字上变频处理DUC，DUC处理后的数字信号输入到DAC中，将数字电路转换成模拟电路，然后进行滤波，可调放大和混频，混频后的信号经过放大后输入到TR前端。TR前端将数字收发芯片送过的射频信号经过滤波器后，送到发射放大器，经过放大经过耦合器后直通端输入到双工器，最后经过天线发出。256根天线在空口形成3个波束。
在接收方向上，各子阵中的各接收信号经过双工器后，通过耦合器送入到接收放大器，经过接收放大器放大后进行滤波，滤波后的信号送到各数字TR芯片进行处理；各数字TR芯片将TR前端输入的射频信号，经过放大后进行混频，混频后的中频信号进行可调增益放大后进行滤波，滤波后的信号送入到ADC中进行模数转换，转换后的信号经过数字下变频处理转换后的数字信号经过接口转换后通过高速数字接口传输到数字波束成形芯片中进行处理。数字波束成形芯片将从数字收发芯片输入的信号经过接口转化后，进行数字中频处理，数字中频中进行数字下变频DDC、抽取；然后进行均衡后在数字波束形成模块中进行加权处理，形成3个波束的信号，然后将波束数据传输到传输帧协议处理模块组帧后通过SERDES接口传输到光模块，通过光纤传输到综合处理池。综合处理池将从各子阵对应光纤传输过来的信号，经过传输协议处理模块处理收，送入到子阵间波束合成模块，完成16各子阵间模块的波束合成，然后进行传统的同步、解调、译码等数字信号处理，将3各波速的业务数据提取出来，传输到各个业务数据接口。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化，天线形式的变化等。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 (6)

1.芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，包括N个天线子阵前端，Nf根光纤和1个综合处理池；
天线子阵前端进行子阵信号的收发处理和数字波束成形处理；
综合处理池用于对多个子阵信号的再次波束赋形处理、数字信号的调制解调、编码译码以及波束赋形计算和波束监控；
天线子阵列和综合处理池之间通过光纤进行业务数据和控制信息的传输；
天线子阵前端包括收发TR前端和数字波束成形模块；TR前端包含Nant天线和与天线数量相同的双工器、一个校准网络；每一个天线对应连接一个双工器；双工器的天线端连接天线，双工器的发送端经发射通道与对应的数字收发芯片的输出端相连，双工器的接收端经接收通道与对应的数字收发芯片的输入端相连；
数字波束成形模块包含Nc+1个数字收发芯片、数字波束成形芯片、同步管理模块、校准管理模块和Nf个光模块；各数字收发芯片通过高速数据接口与数字波束成形芯片相连，与光纤相连的各光模块与数字波束成形芯片相连，形成数字收发芯片与光模块之间的接收与发射通道；同步管理模块与各数字收发芯片、数字波束成形芯片和校准管理模块相连；同步管理模块向各数字收发芯片输出同步时钟与同步信号；校准管理模块与对应的数字收发芯片和数字波束成形芯片相连，向数字波束成形芯片输出校准数据。
2.如权利要求1所述芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，TR前端的发射通道与接收通道具体为：
发射通道中，双工器的发送端通过耦合器与发射放大器的输出端相连，发射放大器的输入端与滤波器的输出端相连，滤波器的输入端与数字收发芯片的输出端相连；在发射方向，来自数字收发芯片的射频信号经过滤波器输入至发射放大器，再经过耦合器，通过耦合器的直通端输入到双工器；耦合器的耦合端接收校准网络输出的射频校准信号，用于发射校准；
接收通道中，双工器的接收端通过耦合器与发射放大器的输入端相连，接收放大器的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与数字收发芯片的输入端相连；在接收方向上，来自天线的接收信号经过双工器后，通过耦合器送入到接收放大器，经放大后进行滤波，滤波后的信号送到数字波束成形模块；校准网络通过射频方式输出校准信号至接收耦合器的耦合端，用于接收校准；校准网络还与数字波束成形模块中的对应数字收发芯片相连。
3.如权利要求1所述芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，数字波束成形模块的发射通道与接收通道具体为：
发射通道中，光模块将从光纤传输过来的光信号转换为波束数据流后送入到数字波束成形芯片中；数字波束成形芯片根据加权系数对发射数据进行波束加权，加权后的发射数据经高速数据接口输入至数字收发芯片；数字收发芯片进行发射数据进行信号处理后输出到TR前端；
接收通道中，从TR前端输入的射频信号经过数字收发芯片处理后，通过高速数据接口输入到数字波束成形芯片；数字波束成形芯片根据加权系数对接收数据进行波束加权后，加权后的接收数据经过光模块转换为光信号后通过光纤传输到综合处理池。
4.如权利要求2所述芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，数字波束成形模块的同步管理模块从数字波束成形芯片中接收数据并提取出时频信息，产生数字收发芯片需要的同步时钟信号和同步信号，使得天线子阵前端中的各个芯片与综合处理池同步。
5.如权利要求2所述芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，数字波束成形模块的校准管理模块用于实现各个天线子阵前端的幅度和相位的通道一致性校准。
6.如权利要求5所述芯片化可重构弹性规模多波束数字阵列装置，其特征在于，数字波束成形模块的校准管理模块的具体实现方式为：
在接收校准中，校准管理模块发射数字校准信号，通过高速接口传输到数字收发芯片；校准信号经过数字收发芯片处理后输入到TR前端；在TR前端中，校准信号经过校准网路通过射频RF的方式送入到各个接收耦合器中，通过耦合器将校准信号输入到接收通道中，接收校准信号经过TR前端出来后，送入到数字收发芯片，经数字收发芯片接收处理后输出到数字波束成形芯片完成本子阵的各个接收通道的校准；数字波束成形芯片将校准结果通过光模块处理后传输到综合处理池，在综合处理池中完成子阵间的接收校准；
发射校准中，校准管理模块向数字波束成形芯片输出多通道的发射校准信号，经数字波束成形芯片输出处理后的发射校准信号至与天线相连的数字收发芯片，该数字收发芯片输出发射校准信号到TR前端；发射校准信号经过TR前端的发射滤波器和发射耦合器，通过发射耦合器耦合到校准网络，经过校准网络输入到与校准网络相连的数字收发芯片中，该数字收发芯片将校准数据接收处理后送入到数字波束成形芯片完成本子阵的发射校准；数字波束成形芯片将校准结果通过光模块处理后传输到综合处理池，在综合处理池中完成子阵间的发射校准。
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