一種基于FPGA的雷達波束控制系統(tǒng)設(shè)計
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波束控制系統(tǒng)的基本功能是給天線陣列中各個移相器提供所需要的控制信號。除此基本功能外，現(xiàn)代雷達還要求波束控制系統(tǒng)高速高效、低成本、小型化，并具有波束控制分系統(tǒng)的自檢；根據(jù)工作頻率，進行初相位在線補償；天線相位碼隨機饋相等功能。同時，在設(shè)計生產(chǎn)過程中，為了配合其他系統(tǒng)的檢測，還需要在雷達的不同工作模式下完善調(diào)試功能。另外，在雷達的長期使用過程中，要求單個組件維修時，波束控制組件驅(qū)動板能在脫機狀態(tài)下正常工作。
這里展開介紹一種有源相控陣雷達波束控制系統(tǒng)的硬件平臺及軟件設(shè)計。
l 系統(tǒng)原理
為降低電路成本和增加系統(tǒng)可靠性，該系統(tǒng)采用設(shè)備量少、維修方便、可靠性高的集中式運算、分布式驅(qū)動體系。也就是，波束控制算法用一塊電路板(稱之為運算板)實現(xiàn)。
對工作方式，運算板接收來自雷達控制臺的控制指令(包括主天線的方位和俯仰增量代碼、工作頻率、工作模式代碼等)，進行波束控相位碼的計算、傳輸、分配與格式重排。運算板把處理后的串行波束控制碼通過驅(qū)動器發(fā)往陣面的波束控制組件驅(qū)動板。在波束控制組件驅(qū)動板內(nèi)再進行譯碼、驅(qū)動，然后送給組件單元作為控制碼，從而實現(xiàn)波束控制系統(tǒng)的功能。波束控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件平臺
該相控陣雷達系統(tǒng)要求波束控制系統(tǒng)準確可靠地控制512個天線單元，波束轉(zhuǎn)換時間不大于1 ms。在此分析運算板需要哪些關(guān)鍵器件。運算板要在500μs內(nèi)完成從雷達控制臺接收指令、波束控制算法及運算結(jié)果傳輸?shù)墓δ?，必須選用FPGA器件。參與運算的補償數(shù)據(jù)是運算的主要對象之一，要能夠?qū)崟r參與波束控制算法的運算過程，也可以被雷達控制臺在線更新，這就需要運算板具有存儲器。系統(tǒng)采用自定義總線接收雷達控制指令和上報陣面返回的信息。
關(guān)于驅(qū)動板的硬件設(shè)計，不僅要實現(xiàn)驅(qū)動、譯碼、系統(tǒng)自檢等功能，還要考慮組件在單獨調(diào)試時驅(qū)動板的控制功能是否可以方便實現(xiàn)。由于設(shè)備數(shù)量較大，在滿足功能的基礎(chǔ)上，要盡可能降低設(shè)備成本。基于這些需求，選用一片單片機和一片EPLD。圖1中虛線左側(cè)部分所示運算板硬件組成。其中，雷達控制臺發(fā)送的是波束控制指令、接收的是陣面自檢和檢測信息；傳輸模塊產(chǎn)生和發(fā)送串行波束控制碼、傳送所需要的時鐘、定時信號。
圖l中虛線右側(cè)部分所示組件驅(qū)動板的硬件組成。其中接口電路接收波束控制運算板發(fā)來的串行波束控制碼；組件單元接收的是TTL電平的控制碼(包括發(fā)射移相碼、接收移相碼、衰減碼、T／R開關(guān)控制碼)。EPLD完成譯碼和控制分發(fā)代碼，SCU完成聯(lián)機自檢和脫機控制調(diào)試的功能。控制和調(diào)試方式比其他提供的系統(tǒng)設(shè)計方法，更加多樣化和靈活。
3 軟件設(shè)計
3．1 運算板FPGA程序設(shè)計
波控運算板基本用途就是為滿足陣面天線單元控制的需要。在此，整個天線陣面等分成四個子陣面。每個子陣面包括a×b個天線單元，如圖2所示。
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