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采用DSP＋ARM方式实现的雷达数字波束形成系统
摘要：数字波束形成系统是现代雷达一个重要的组成部分。相控阵天线通过它可以实现自适应波束、低旁瓣波束，并通过对移相器、衰减器的控制实现波束扫描。本文介绍的数字波束形成系统充分利用现有的硬件技术，实现了雷达在多种工作模式下的波束实现及控制要求。
关键词：、数字波束形成（DBF）、相控阵天线、雷达
一 引言
目前，有源电扫阵列雷达已像探测传感器王冠上的宝石，正在成为各种飞机、卫星上的装备。而有源相控阵天线要发挥它的威力，数字波束形成系统则是必不可少的组成部分。数字波束形成系统可以实现雷达所需的低旁瓣、自适应波束，还可以校正因天线的稳定性而带来的误差。本文介绍一种采用DSP＋ARM方式实现的雷达数字波束形成系统。该系统灵活、可靠性高、扩展性好。
二 数字波束形成系统的硬件方案设计
2.1方案综述
数字波束形成系统作为雷达天线的组成部分，不但要满足雷达的基本工作要求，而且必须具有强大的功能，快速的响应能力，此外，由于它安装在天线平台上，所以必须在恶劣条件下稳定、可靠的工作。因此，数字波束形成系统的设计要求体现在以下几个方面：
功能强大。不同工作模式对于波束控制的要求不同，系统必须具备强大的功能为不同的工作模式服务。
较快的响应能力、高效的处理能力。波束控制系统必须能够快速地处理来自监控主机的命令，实现波束的快速切换和对相控阵工作状态的监测，并且能够及时地向系统主机发送报告。
较高可靠性和较强电磁兼容性。由于系统安装在飞机或卫星上，其工作环境比较恶劣，为保证系统稳定、可靠的工作，系统必须具备较高可靠性和较强电磁兼容性。
体积小，扩展性好。尽可能的采用小体积，同时在保证系统基本功能正常的前提下，为潜在的系统升级预留资源和功能扩展的空间，这样才能保证在不同阶段和不同的对抗背景下系统始终处于优势。
2.2 硬件原理设计
根据以上系统总体设计思想，数字波束形成系统的硬件设计采用二级结构：主系统＋锁存驱动子系统的方式。主系统接收监控计算机的工作模式、波束指向角、偏流角等命令；通过内置的软件完成波束的求解，得到天线移相单元需要的移相码。锁存驱动子系统则接收主系统的移相码，锁存并对移相器驱动输出。因此，设计内容包括两部份：主系统的设计、锁存驱动子系统的设计。
数字波束形成主系统包含功能模块有：CPU模块、SDRAM模块、系统自举功能模、DC/DC变换功能模块、RS232接口模块、CPLD模块。其中，其核心器件选用的是功能高度集成的双CPU处理器TMS320VC5470[3]，它集成了一个基于TMS320C54x核的DSP子系统和一个基于ARM7TDMI核的MCU（它是一种低功耗的32位RISC处理器）微处理器子系统。DSP模块内包含72 K×16位的SRAM，一个定时器，一个DMA控制器，一个外存储器接口和2个多通道缓冲串口；MCU内包括3个定时器、通用I/O口、SPI口、UART口和一个外存储器接口。在设计中，DSP主要负责数字波束运算，MCU则负责整个波束形成系统的管理、命令、控制以及与监测等功能，这样让两个处理器充分发挥它们各自的优势，加快了处理速度。MCU有一个UART/IRDA接口，将它设为UART模式，用来和监控计算机通信。此外，由于控制单元较多，设计中采用一片CPLD与多个驱动子系统模块相连，送出波束控制码。系统输入电源采用标准5V电源，其他电源通过DC/DC变换在板上进行实现。主系统硬件组成框图如图1所示：
锁存驱动子系统主要包含RAM和TTL电平输出驱动芯片。由于天线包含多个子阵，每个子阵使用一个锁存驱动子系统模块。这样，在天线阵的辐射单元增多，或则减少时，只需增减几个锁存驱动子系统模块即可实现。
三 数字波束形成软件设计
3.1 基本原理
设二维平面相控阵天线在图3所示的（y，z）平面上，各相邻天线单元的间距在垂直与水平方向分别为d1和d2，天线波束最大指向采用球坐标系（θ,φ）。则根据相邻单元之间信号的“空间相位差”与移相器提供的“阵内相位差”相等的原理，可以求出阵列中第（k，i）单元相对于第（0，0）单元的波控数码P（k，i）
图3 相控阵天线的坐标位置
λ： 波长；
这就是每一单元的移相器的理论移相值。在实际应用中为了得到所需的波束形状，较低的副瓣还需通过天线进场测试进行波程校正，改变波控码修正移相值。因此，实际的公式应为：
3.2软件设计
数字波束形成系统的功能很强大，其软件系统也相对复杂。设计中采用将功能化分成模块的方式编写软件。数字波束形成系统的主要工作状态有：
( 1 )普通工作模式，数字波束形成系统接受从监控计算机输入的波控角、起始角、终止角等信息，选择不同的工作模式。并根据选择的工作模式和输入的波控角、起始角、终止角等信息计算出波束指向角，同时读取补偿信息，并根据波束指向角和补偿信息计算出最终的波束输出角，将此输出角转换成移相控制码，用此移相控制码控制各移相器，
（2）雷达闭环控制，这种情况下，雷达天线波束控制是固化在波控机中的监控计算机的工作模式、波束指向角、偏流角等命令自动按步骤执行，上电复位后在没有接收到其它模式及波束号信息的情况下，波控机就工作在这种情况。最终达到控制波束指向的目的。
（3）此外，波控机可以接受雷达主控制计算机送来的波束数据及控制数据，波控机将这些数据翻译成波束控制码，控制移相器完成配相。这些工作方式中，天线的发射和接收状态相应的配相数据通常是不同的。雷达工作时，监控计算机的工作模式、波束指向角、偏流角等命令控制两组配相状态随着发、收状态的转换进行同步切换。
设计中编制程序使用Hitool IDE集成开发环境，JEDI实时在线仿真器，在vxWork嵌入式操作系统上完成程序开发。程序调试中先单独调试MCU，由于VC5470在TRST的上升沿取样EMU1和EMU0引脚的值来决定仿真模式，当EMU1和EMU0同为零时（在TRST的上升沿），只有ARM7TDMIE RISC在仿真链上。RISC程序调试通过后再与DSP程序联调。DSP采用API引导方式，由RISC直接控制DSP在复位状态，并使能API引导方式，由API口装载DSP引导码。装载成功后，RISC从复位状态释放DSP，DSP开始执行程序。
4 结束语
本文介绍的数字波束形成系统具有硬件功能灵活、可靠性高的特点，系统扩展性较好，不用更改主要电路就可实现大的相控阵的波束控制。
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