【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及阵列天线领域，特别是指一种用于宽带波束形成的射频直采阵列信号预处理装置。
技术介绍
1、阵列天线是一类由多个天线单元组成的特殊天线，通过设计天线单元的几何排列方式和输入激励，可实现特定方向上的波束形成和信号收发。阵列天线的波束具有方向性强、旁瓣低、易实现电扫等特点，被广泛应用于雷达、通信和电子侦察等系统中。随着实际应用对雷达、通信系统的带宽需求以及抗干扰需求的提升，具备宽带信号收发能力的宽带数字阵列技术已成为阵列天线领域的重要发展方向。
2、宽带数字波束形成(dbf)是宽带数字阵列的关键技术之一。当前，宽带dbf技术面临的技术挑战主要有：
3、宽带阵列中存在空间色散和孔径渡越的影响，因而宽带信号不等同于一系列窄带信号的简单求和，窄带dbf的移相加权技术不能直接应用于宽带数字阵列，需根据宽带信号特点研究相应的宽带dbf预处理方法；
4、在工程实现时，大型宽带阵列的信号预处理算法性能受到硬件水平的限制。宽带dbf算法所使用的数据采集速率高，且算法面临大量向量及矩阵的计算，对现有dsp和fpga器件性能带来极大的挑战。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出一种用于宽带波束形成的射频直采阵列信号预处理装置，提升了滤波器的运行效率，节省了硬件资源；能够解决大规模阵列宽带波束形成中阵列孔径渡越造成的波束斜视和脉冲色散问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种用于宽带波束形成的射频直采阵列
4、针对第m个通道：所述i/q分解模块用于将数字信号fs分解为实部和虚部两路信号，并传输至免混频变频与相位补偿模块中；数字信号fs为射频直采阵列信号经ad采样后得到的信号；
5、所述免混频变频与相位补偿模块选择采样频率fs对i/q分解模块传来的实部和虚部两路信号进行免混频变频，并根据相位校正量φcorr对其进行相位补偿后，传输至整数采样延迟ttd滤波模块：
6、fs＝4f0/(2n-1)；
7、f0为射频直采阵列信号的中心频率，n为正整数；fs≥2b，b为射频直采阵列信号的带宽；
8、φcorr＝-φm(f)(f-f′)；
9、f为i/q分解模块输出信号的频率，f′为免混频变频与相位补偿模块完成免混频变频之后的信号频率；φm(f)为第m个阵元的相移：
10、
11、f为射频直采阵列信号的频率，d为阵元之间的间距，c为光速，θ为信号入射方向；
12、所述整数采样延迟ttd滤波模块根据基于winograd卷积算法的快速fir方法，对免混频变频与相位补偿模块传来的实部和虚部两路信号的整数时延tb进行补偿后，传输至多路并行综合滤波模块；tb为δt的整数部分：
13、δt＝φm(f)/2π；
14、所述多路并行综合滤波模块采用复数滤波器架构，对整数采样延迟ttd滤波模块传来的实部和虚部两路信号进行分数采样延时滤波以及均衡滤波：
15、
16、xin，re和xin，im分别表示输入到多路并行综合滤波模块的实部和虚部信号，hre和him分别表示多路并行综合滤波模块响应函数hm的实部和虚部部分，xout，re和xout，im分别表示多路并行综合滤波模块输出的实部和虚部信号，表示卷积运算：
17、
18、heq为通道权重向量weq的倒序：
19、weq＝(xhx)-1xhydes；
20、x为信道特征矩阵，上标h表示共轭转置，上标-1表示逆矩阵：
21、
22、x0，x1，...xm-1分别为采集的第1个通道～第m个通道的通道特性数据；l0为均衡滤波阶数，l0为正整数，且l0<m；ydes是由依次填入的m个通道的通道特性数据以及l0-1个零矢量构成的，长度为m+l0-1的列矢量；
23、
24、w(·)为blackman窗函数，ta＝δt-tb，ts为射频直采阵列信号的信号采样周期，ld为分数采样延时滤波阶数，ld为正整数。
25、由于采用了上述技术方案，本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
26、1、当前，实现宽带数字dbf的接收机采用的架构主要有超外差架构、零中频采样架构和直接射频采样架构(射频直采)三种。超外差架构通过一次或多次将rf信号混频到中频(if)，通过频率规划科实现较好的杂散和噪声性能，但架构较为复杂，功耗和物理尺寸最大；零中频采样架构中，射频信号将通过i/q解调，对模拟的复基带信号进行采样；射频直采架构则对射频信号直接进行采样，其优点是简化了信号链路，降低了每个通道的成本以及通道密度。本专利技术在大规模天线阵列的应用背景下采用了射频直采架构，一方面具有突出的成本和尺寸优势，另一方面利用数字域频率源可实现高速跳频。
27、2、在传统的相控阵系统中，通常采用移相器在一个相对窄的工作带宽内实现阵元信号的等相位移动，实现波束控制。而将移相器应用于宽带相控阵系统时，由于频率色散的影响，会导致宽带信号的波束偏斜和脉冲色散，无法实现宽带扫描。从原理上，可以采用真实时间延迟(ttd)单元来抑制这些问题，但ttd模拟器件结构复杂，可控性差，实际效果并不理想。本专利技术基于先进的高速模数转换器(adc)与数模转换器(dac)，采用多路并行方式从数字域实现ttd波束控制，相比于ttd模拟器件更易集成、易调试，且对环境变化的实时响应性能更为优越。
28、3、在波束形成中，接收通道不平衡会对dbf结果造成严重影响。而宽带系统的通道不平衡是频率选择性的，其处理更为复杂。目前常用的方法采用类似宽带无线通信中应用的均衡技术来消除通道不平衡的影响。频域均衡方法虽然可通过快速傅里叶变换等算法实现，但可能对信号的时变特征产生影响。本专利技术所使用的时域均衡方法可根据实际环境和信号进行调整和优化，对于雷达、通信信号具有较好的适用性和灵活性。
29、4、从工程实现角度，完整的ttd滤波器可分为整数采样延迟和分数采样延迟的组合来实现。由于阵列的高速采样多路并行处理会占用大量fpga资源，为从系统级优化减少资源占用，本专利技术综合考虑ttd滤波器与均衡滤波器的级联关系，将ttd分数采样延迟滤波与均衡滤波器的群延时滤波结合为一个滤波器，从而达到显著节约fpga计算资源的目的。
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1.一种用于宽带波束形成的射频直采阵列信号预处理装置，其特征在于，基于FPGA实现，所述射频直采阵列信号预处理装置包括M个通道，每个通道均包括I/Q分解模块、免混频变频与相位补偿模块、整数采样延迟TTD滤波模块以及多路并行综合滤波模块；其中，M为阵元数量，第m个通道对应第m个阵元，m＝1,2,3,......,M；
【技术特征摘要】
1.一种用于宽带波束形成的射频直采阵列信号预处理装置，其特征在于，基于fpga实现，所述射频直采阵列信号预处理装置包括m个通道，每个通道均包括i/q分解模块、...
【专利技术属性】
技术研发人员：王焕菊，齐宏业，冯昊程，赵楠，张昊，许章强，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：
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