本发明专利技术公开一种针对大规模数字阵列可扩展分布式同时数字多波束处理架构，以5个处理节点为一个基本单位进行分层处理，包含两种类型的处理节点，分别为多通道采样与子阵波束形成节点和累加交换节点。本申请根据阵列规模确定整个处理架构的层级数量，每一层5个处理节点的数据交互采用双向全互联结构，层级之间通过累加交换节点进行数据交互和层级跨越。处理架构采用分布式结构，所有处理节点间交互数据率仅与信号带宽决定的采样数据率以及同时形成的数字波束数量有关，与阵列天线单元规模无关，从而可以灵活的实现大规模阵列的扩展。本发明专利技术在大规模阵列应用背景下，实现了节点处理负载均衡化和分布式阵上处理。
【技术实现步骤摘要】
本申请涉及数字阵列信号，特别涉及一种针对大规模数字阵列可扩展分布式同时数字多波束处理架构。
技术介绍
1、目前，数字阵列天线广泛应用于雷达、通信、声呐等领域，随着应用需求的不断提高，对天线系统的增益、抗干扰、空间定位和分辨能力的要求也不断提高。随着天线口径的增大，在保证阵元间距满足空域扫描无栅瓣前提下，数字阵列阵元规模显著增加会带来基带数据率的增大和数字波束形成处理复杂度的上升。因此，研究适合于大规模数字接收阵列天线的分布式实现以及规模扩展的处理架构是非常有必要的。
2、目前常用的处理架构包括集中式和分布式两种。集中式处理架构所有通道基带数据的汇拢和处理均在中央处理单元上完成，数据汇拢数据率和数据处理复杂度随着阵元数量的增加而线性增加。在大规模阵列应用场景中，集中式处理架构会带来数据传输带宽和集中处理的瓶颈，而分布式处理架构则将基带数据的数字波束形成处理分布在数字阵列各个处理节点中。每个节点连接部分阵元，进行子阵级同时数字多波束形成，节点间仅需进行波束数据的交互。分布式处理架构数据的接收和处理均衡分配在各个处理节点中，而且节点间的数据交互仅与波束数据率和波束数量有关，与阵列规模无关，从而消除因阵列规模增大带来的数据带宽和计算复杂度增大的瓶颈。但是，现有分布式架构仍然存在子阵波束形成数据需要集中汇拢处理的问题。
技术实现思路
1、本申请提供了一种针对大规模数字阵列可扩展分布式同时数字多波束处理架构，可用于解决分布式架构仍然存在子阵波束形成数据需要集中汇拢处理的技术问题。</p>2、在具体介绍本申请提供的架构前，首先对本申请的原理进行阐述。
3、对于一个接收数字阵列天线系统，阵元数为q，接收波束数为m，波束数据率为s，则接收数字波束形成输出信号矢量表示为：
4、y(t)＝whx(t)(1)
5、其中，数字阵列多波束输出y(t)＝[y1(t)y2(t)…ym(t)…ym(t)]t，数字阵列阵元输入x(t)＝[x1(t)x2(t)…xq(t)…xq(t)]t，多波束权重系数w＝[w1 w2 … wm … wm]，其中第m个波束的权重矢量具体表示为：
6、wm＝[wm,1 wm,2 … wm,q … wm,q]t。
7、首先从阵元维度进行矩阵分块，将所有阵元划分为k个分块(k为q和m的约数)，每个分块对应阵元数为n＝q/k的子阵，分块后的阵元数据表示为：
8、
9、其中，第k(k＝1,2,3…,k)个子阵阵元输入为：
10、xk(t)＝[xn(k-1)+1(t) xn(k-1)+2(t) … xnk(t))]t (3)
11、得到第k个子阵m个波束的权重系数为：
12、wk＝[w1,k w2,k … wm,k … wm,k] (4)
13、第m个波束的分块后权重矢量表示为：
14、
15、得到第k个子阵第m个波束权重系数表示：
16、wm,k＝[wm,n(k-1)+1 wm,n(k-1)+2 … wm,nk]t (6)
17、得到第k个子阵m个波束输出yk(t)为：
18、
19、易有整个阵列的波束输出y(t)为：
20、
21、由式(7)可知通过阵元维度的分块将基带数据接收和数字波束形成压力均分到k个子阵，每个子阵处理节点接收的数据率以及数字波束形成的复杂度均为原来的1/k，但是由式(8)可知整个阵列的波束输出是所有子阵处理节点波束汇拢相加的结果，随着子阵处理节点数量的增加，汇拢的波束数据变大，硬件实现难度也会变大。通过波束维度的分块，每个子阵处理节点负责部分波束的汇拢，通过子阵处理节点之间的数据交互分摊了波束汇拢时的数据率，使得最终波束汇拢时的数据率只与波束数与波束数据率有关，与子阵处理节点的数量无关。
22、第k个子阵m个波束输出yk(t)为：
23、yk(t)＝[y1,k(t)y2,k(t)…ym,k(t)…ym,k(t)]t (9)
24、第m个波束的汇拢输出ym(t)为：
25、ym(t)＝ym,1(t)+ym,2(t)+…+ym,k(t)+…+ym,k(t) (10)
26、每个子阵处理节点汇拢输出m/k个波束，第k个子阵输出y'k(t)为：
27、
28、这样每个子阵处理节点汇拢的波束数为原来的1/k，即波束数据汇拢总的数据率仅与波束数量m和波束数据率s有关，与子阵数量(即阵列规模)无关。但是随着子阵数量k的增加，子阵处理节点间的波束互联网络就会变得复杂，硬件实现难度变大。采用多层全互联的方式，减少全互联的子阵处理节点数，即将子阵处理节点继续按照上述方法进行分块，直至最底层的全互联的子阵处理节点数量满足硬件实现要求。
29、根据上述理论分析，本申请提供多级可扩展分布式同时数字多波束处理架构，为了保证处理节点的功能一致性和架构的可扩展性，每一层的子阵的分块数均取值为4，对于p层的分布式处理架构，子阵阵元数n与阵列阵元总数q满足q＝n×4(p-1)。该架构第1层采用5个节点为基本单位的分层结构；第1层每个单位包括4个多通道采样与子阵波束形成节点和1个累加交换节点；从第2层开始每层每个单位均包含5个累加交换节点；其中多通道采样与子阵波束形成节点具有1组全互联数据交互接口，而累加交换节点具有两组全互联数据交互接口；该处理架构通过每一层的基本单元5个处理节点中有1个为主节点，另外4个为从节点，从节点之间需要处理和交互数据，主节点仅接收从节点数据进行处理。对于p层分布式处理架构，p层有l个累加交换节点，子阵阵元数为n，则有整个阵列的阵元数q＝l×n×4(p-1)。
30、进一步地，在第1层的分层结构中，每个单位的4个多通道采样与子阵波束形成形成节点和1个累加交换节点采用1组全互联数据交互接口互联，进行分布式阵上处理。
31、进一步地，每个多通道采样与子阵波束形成节点为第1层从节点，采样n通道模拟信号，采样数据率为s，并且进行n阵元m个波束的数字波束形成；接着，通过全互联数据交互接口分别向其余3个多通道采样与子阵波束形成节点分别发送m/4个波束的波束形成后数据，节点间交互数据率均为(m×s)/4；同时，接收来自其余3个多通道采样与子阵波束形成节点的各m/4个波束的波束形成后数据，与本节点留存的m/4个波束的波束形成后数据完成累加，得到4n阵元m/4个波束的波束形成后数据，并将其输出至第1层累加交换节点，发送数据的数据率为(m×s)/4。
32、第1层的累加交换节点分别通过两组全互联数据交互接口参与第1和第2两个层级全互联网络的构建。在第1层，该累加交换节点为主节点，通过第一组全互联数据交互接口接收来自同一单位其余4个多通道采样与子阵波束形成节点各4n阵元m/4个波束的波束形成后数据，得到4n阵元m个波束的波束形成后数据；同时，该累加交换本文档来自技高网
...
【技术保护点】
1.一种针对大规模数字阵列可扩展分布式同时数字多波束处理架构，其特征在于：所述架构包括数字多波束形成的采用5个处理节点为基本单位的分层结构；
2.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，第1层中每个节点的数据交互形式如下：
3.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，第2层开始的每个节点数据交互形式如下：
4.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，数据链路层用于接收传输层的并行数据，根据自定义的数据链层帧协议对数据进行组帧，通过帧协议实现对数据传输链路的管理，保证数据传输的稳定性和准确性；数据链路层帧协议在数据帧中设置帧头和帧尾完成帧定界，接收端能根据帧头和帧尾识别帧的开始和结束；
5.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，物理层用于建立节点间的物理连接来传输比特流数据，负责数据的串并转换、将8B/10B编码数据以线速率进行接收和发送，包括串行/解串器、驱动器、接收器和时钟数据恢复CDR模块，各模块均采用定制化的单元；
6.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，分层数据传输规范采用短帧连续传输模式，在数据链路层数据帧以短帧形式连续不断发送，在有用户数据存在的情况下，将用户数据按照既定的帧协议进行切分、组帧、传输；在无用户数据存在的情况下则用数据0替换用户数据传输。
7.根据权利要求1所述的架构，，其特征在于，所述架构采用时间戳同步和脉冲同步的数据同步方法来保持每一层所有节点数据的对齐：
...
【技术特征摘要】
1.一种针对大规模数字阵列可扩展分布式同时数字多波束处理架构，其特征在于：所述架构包括数字多波束形成的采用5个处理节点为基本单位的分层结构；
2.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，第1层中每个节点的数据交互形式如下：
3.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，第2层开始的每个节点数据交互形式如下：
4.根据权利要求1所述的架构，其特征在于，数据链路层用于接收传输层的并行数据，根据自定义的数据链层帧协议对数据进行组帧，通过帧协议实现对数据传输链路的管理，保证数据传输的稳定性和准确性；数据链路层帧协议在数据帧中设置帧头和帧尾完成帧定界，接收端能根据帧头和帧尾识别帧的开始和结束；
5...
【专利技术属性】
技术研发人员：马晓峰，马赛，盛卫星，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。