一種高速實時數字波束形成器的設計
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采集板ICS554本身給用戶預留有64個通用I／O口，可以將其配置為LVDS的I／O口，這樣可以提高數據傳輸能力和抗干擾性能。數據傳輸流程如圖3所示，ICS554內部FPGA先將24 b的I，Q數據流并／串轉換。VHDL語言的狀態機實現并／串轉換很容易，然后由LVDS發送模塊將LVTTL信號轉換成LVDS信號進行發送，接收端FPGA波束形成板首先將接收到的LVDS信號轉換成LVTTL信號，然后進行數據同步，再經過串／并轉換，將串碼恢復成24 b的I，Q數據。由于利用ICS554提供給用戶的通用I／O口配置為LVDS差分對，差分對的相位、互耦等都沒有很好的考慮，而且不能采用專用的平衡電纜連接，因而必須降低傳輸速率，以減小傳輸誤碼率，增強可靠性，同時考慮配置9位的LVDS口，8位并行傳輸數據，1位發送時鐘信號，LVDS傳輸速率為：
30×2×24／8=180 Mb／s
實際測試也表明，180 Mb／s的傳輸速度LVDS差分對能夠可靠的工作，FPGA波束形成板正確地接收到采集板ICS554的數據。本文引用地址：http://www.104case.com/article/188520.htm
2．2 實時波束形成計算
如前所述，整個實時波束形成分為兩次，首先在采集板ICS554中完成子陣波束形成，然后再到FPGA波束形成板中實現全陣的波束形成，如何保證整個計算的實時性是關鍵。
波束的形成，其實就是對A／D變換后數字信號進行幅度和相位加權，波束的特性如波束指向、副瓣電平、主瓣寬度等完全由權值決定。權值計算主要考慮兩方面的因素，首先要對各通道進行幅相校準，克服各通道不一致和互耦的影響，然后實現空域濾波，完成希望的波束指向。首先幅相校準，對于第i單元：
式中：δφi，△ai分別為第i通道與標準通道的相位差和幅度比值。若要實現空域濾波則需要在此基礎上增加陣因子對幅度和相位加權。
式中：φi為第i通道相位加權值；αi為幅度加權值，可以根據不同的波束性能要求(主瓣寬度、旁瓣電平、零陷位置)靈活選擇不同的幅度加權形式，得到不同的αi，權值矩陣W也會有所不同。權值更新計算由DSP處理板完成。
最初的子陣波束形成需實現四通道單元的波束形成，即對4路中頻數字I，Q兩路信號復加權求和：
式中：Iout，Qout為4通道波束形成后I，Q兩路輸出結果；ωir,ωii分別為第i單元權值的實部、虛部。由于ICS554采樣頻率比較高，而FPGA片內剩余可利用的資源比較多，在這里采用并行復乘運算，運用ISE軟件IP核設計映射出4個獨立的復乘運算單元，片內VHDL程序設計如圖4所示。
用4塊采集板ICS554獨立進行子陣波束形成，然后將結果Iout，Qout輸出給FPGA波束形成板進行復求和，最終得到16個天線單元的全陣合成波束。考慮FPGA運算的復雜性，選用內含DSP內核的Xilinx公司的XC3SD3400A芯片，該芯片性價比非常高，內含的DSP內核XtremeDSP DSP48A運算速度可以達到250 MHz，差分I／O傳輸速率可達到622 Mb／s。要保證整個波束形成運算的實時性，主要從采集板子陣波束形成運算、數據傳輸、FPGA板全陣波束形成運算三個方面測試分析。全陣波束形成運算主要是在XC3SD3400A內做復數加法運算，加法運算最高可以到250 MHz，遠遠高于數字下變頻后數據流速度。子陣波束形成運算則是在XC2V1000內做四通道并行復乘運算和復加運算，片內復乘流水線、復加運算時鐘頻率可達420 MHz。實際上，子陣和全陣波束形成的運算能力都是足夠的，整個系統的主要瓶頸還是數據傳輸，數據傳輸流量大，數據傳輸I／O口位寬達8位，在數據傳輸環節，將低速多位并行數據用倍頻時鐘轉換成250 MHz高速串行數據；在接收端，使用移位寄存器實現串／并轉換就可以得到低速并行數據。仿真和實際測試也表明，能夠保證整個系統波束形成運算的實時性。
3 結 語
這里設計的高速實時波束形成器，改善了原DBF系統，不僅可完成測向工作，同時實現了高速數據傳輸和全陣的實時數字波束形成。系統是基于采集板ICS554搭建的，ICS554雖然是一款高性能的4通道采集板，但是它成本高，而且只提供PCI接口，沒有提供其他高性能的數據傳輸接口，當陣元數更多時其可擴展性并不強。為了達到數據傳輸能力的要求，采用了多組LVDS差分對數據進行傳輸，雖然實現了要求的速度，但是連接電纜太多，互耦影響大、傳輸距離短。因而，后續的系統設計中，利用FPGA集成速度更快的高速串行差分RocketIO通道、光纖傳輸等技術來改善性能，提高系統可擴展性。
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