[发明专利]多载波宽带信号的发射数字波束形成方法

摘要

本发明公开了一种多载波宽带信号的数字波束形成方法，在FPGA中采用多相处理技术设计子载波DDS，利用双累加器和寄存器延时产生P4互补码编码相位，根据子载波射频信号发射天线单元序号计算补偿相位和时延，利用累加器和CORDIC算法，产生相位编码以及相位补偿后的子载波基带信号；进行数字延时、数字上变频、数模转换、中频滤波输出模拟子载波中频信号；利用外部输入的基准时钟信号产生捷变频本振信号，各子载波中频信号与捷变频本振信号混频滤波后，产生子载波射频信号，进行功率放大，并通过天线单元发射；各天线单元发射的子载波射频信号在空间合成多载波宽带信号。本发明利用相位控制和连续可变的数字延时控制，实现多载波信号的数字的波束形成。

主权项

1.多载波宽带信号的数字波束形成方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、设计发射数字阵列和多载波宽带信号波形，按照多载波宽带信号的载波个数和频域加权，将每个子载波射频信号指定在一个或多个天线单元上发射，具体步骤：(1a)设计X×Y通道的发射数字阵列，其中包括Y列、每列X个发射通道，每个发射通道包括依次连接的数字波形信号产生DWG电路、数模转换DAC器件、中频带通滤波器、混频器、射频带通滤波器、功率放大器、天线单元；(1b)设计多载波宽带信号波形，相邻载波之间的频率间隔Δf为码元时宽tb的倒数，I个载波的多载波宽带信号带宽等于IΔf；各个载波采用相位编码调制，编码相位以P4互补码编码相位；调整多载波宽带信号的波形参数，使得多载波宽带信号的载波个数I远小于或等于天线单元数，多载波宽带信号的带宽、工作比满足设计要求；(1c)根据子载波射频信号的频域加权值，指定天线单元序号，其中，若天线单元数等于载波个数，则子载波射频信号采用均匀频域加权；步骤2、在FPGA中设计DWG电路，产生数字子载波中频信号，经数模转换以及中频滤波后，输出模拟子载波中频信号，根据发射子载波射频信号的天线单元位置，在基带对子载波射频信号进行数字延时和相位补偿，具体步骤：(2a)分四相产生未经相位编码调制以及相位补偿的子载波基带信号相位；(2b)产生P4互补码编码相位；(2c)根据子载波射频信号的延时需求，计算子载波射频信号的补偿相位,与步骤(2a)和(2b)产生的相位相加送CORDIC模块；(2d)利用CORDIC算法圆周旋转模式对步骤(2c)得到的相位进行相位幅度转换，输出相位编码调制以及相位补偿后的子载波基带信号；(2e)将步骤(2d)中子载波基带信号送数字延时模块进行数字延时；(2f)数字延时模块的输出送数字上变频模块DUC，上变频模块输出送数模转换DAC器件，经中频带通滤波器滤波输出模拟子载波中频信号；步骤3、设计步骤(2e)所述的数字延时模块，数字延时模块包括整数延时和分数延时，具体为：(3a)根据天线阵列的几何结构确定天线每个单元相对于参考单元的延时量，分解为整数延时量和分数延时量；(3b)设计整数延时，即利用FPGA中的寄存器实现整数延时量的延时；(3c)设计分数延时，分数延时的实现采用Farrow结构分数延时滤波器，具体步骤为：Farrow结构分数延时滤波器的频率响应为：式中，e表示自然对数；j是虚数单位，w是数字角频率；L‑1是多项式拟合阶数,U‑1是第l个子滤波器的阶数；h_l(u)是第l个子滤波器系数；D是分数延时量；运用最大最小准则，计算系数hl(u)，使得误差ε达到最小：式中，Ω表示分数滤波器在数字频率[0,π]范围内各频带区间构成的集合，max表示求最大值；(3d)整数延时和分数延时滤波器分四相实现；步骤4、模拟子载波中频信号的变频放大和辐射，具体包括：(4a)利用外部输入的基准时钟信号，通过倍频器产生捷变频本振信号；(4b)子载波中频信号与捷变频本振信号混频滤波后，产生子载波射频信号；(4c)对子载波射频信号进行功率放大，并通过天线单元发射；步骤5、天线单元发射的各功率放大后的子载波射频信号在空间指定方向合成多载波宽带信号，从而完成多载波宽带信号的数字波束形成。