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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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有源相控阵雷达收发模块ASIC控制器的设计与实现

哈瑞维1Somsing Rathod2， Amit Goel3., Dr.G.Sadashivappa4
  1. 印度卡纳塔克邦班加罗尔R.V.工程学院T.E系硕士生
  2. 科学家，LRDE, DRDO，班加罗尔，卡纳塔克邦
  3. 科学家，LRDE, DRDO，班加罗尔，卡纳塔克邦
  4. 印度卡纳塔克邦班加罗尔R.V.工程学院工学教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

发射/接收模块(T/R模块)是现代相控阵雷达系统的重要组成部分。T/R模块使用T/R模块控制器(TRMC)进行控制，该控制器为波束转向和校准产生必要的控制信号。目前的TRMC是基于FPGA的双T/R模块控制器(DTRMC)。一个DTRMC控制两个T/R模块。在本文中，我们提出了ASIC(专用集成电路)的设计和实现，以取代现有的基于FPGA的DTRMC。此外，该控制器被设计为一个Quad TRMC (QTRMC)，能够控制四个T/R模块。讨论了控制器的主要模块(UART和解码逻辑)的设计。本设计在VHDL中进行，使用Xilinx 12.4进行仿真，目标器件为Spartan 3E XC3S250E-5ft256。

关键字
T/R模块，QTRMC, UART

介绍
相控阵是一种指令天线，由许多独立的辐射元件组成，每个辐射元件都以相移馈电。这种雷达的辐射模式是由其每个辐射元件上的电流的幅值和相位决定的。相控阵天线的优点是能够通过改变每个元件上电流的相位和幅值来电子控制波束的角度。每个元件的相移和辐射功率由波束转向单元(BSU)控制。因此，大型相控阵天线的波束可以快速地从一个方向转向另一个方向，而不需要机械地定位又大又重的天线。Amit Bisht, Somsing Rathod, Varadarajan和Yogeesh Kumar[1]提出了FPGA T/R单元控制器(TRUC)，它控制封装在单个壳体中的2-T/R模块。两个这样的控制器集成在每个TRU中，并通过10 - mbps双工串行链路(多滴LVDS总线接口)进行接口。该控制器产生正常和校准操作所需的必要控制信号，并监视T/R模块的状态。
先进的远程有源相控阵雷达系统由大量固态T/R模块组成，以实现高功率孔径产品。Nicholas J. Kolias和Michael T. Borkowski[3]讨论关于有源电子操纵阵列(AESA)的T/R模块的发展，AESA的关键推动因素是发射/接收(T/R)模块的性能、制造能力和成本的发展和改进，这些雷达的主要要求是低副瓣电平和快速目标更新速率。通过控制有源相控阵雷达中分布的T/R模块的相位和幅值来满足上述要求。为了形成波束，应赋予T/R模块特定的相移值。Sundaraman[4]从高电平控制器接收到的16位字，在T/R模块控制器中提出了6位相位计算。与无源相控阵雷达相比，T/R模块提供了更高的带宽和更高的平均发射功率。此外，与无源阵列相比，T/R模块在8-12 dB范围内提供了更高的雷达灵敏度。
图像
图1:有源相控阵雷达波束转向单元
图1中的波束转向单元显示了有源相控阵雷达的分布式结构和雷达各部件的位置

发送/接收模块
在有源相控阵雷达中，每个辐射元件使用一个T/R模块。T/R模块是相控阵雷达系统性能的重要组成部分。第一批T/R模块由德州仪器公司开发，作为美国空军雷达应用分子电子学项目的一部分。T/R模块控制器的主要部件包括移相器、功率放大器、低噪声放大器、双工器、衰减器和保护电路，以避免发射脉冲通过双工器泄漏到接收机。
收发模块的三个主要功能是
a)将发射信号的输出功率提高到其最终辐射功率。
b)建立接收系统噪声图。
c)提供波束转向。

收发模块控制器
T/R模块控制器(TRMC)原理图如图2所示。T/R模块控制器通过LVDS (Low Voltage Differential Signaling)接口与上级控制器对接。LVDS具有功耗低、干扰少等优点。LVDS通过一对差分导线进行通信。TRMC内部可分为UART、解码逻辑和控制逻辑三个主要子模块。TRMC的各种输入和输出如图2所示。SIN是连接到TRMC的16位UART的串行数据输入线。RST(复位)，TRP (T/R脉冲)和SOB(起始波束)是同步TRMC内部各种操作的控制信号。TEMP输入显示T/R模块的温度状态。PWR OUT是TRMC监测的发射射频功率。 Also various DC supplies are monitored by the controller through the DC STS (DC supply status) input. In the output side the TRMC which is Quad controls four T/R modules and thus has four 6 bit phase shifter lines (PH1 to PH4) and four 6 bit attenuator lines (ATT1 to ATT4).
图像
图2:四路T/R模块控制器

通用异步接收发射机(uart)
UART是一种串行通信协议，常用于计算机与外设之间的短距离、低成本、低速数据交换。UART的主要组成部分是波特率发生器、接收机和发射机。UART允许全双工通信，因此用于一组设备之间的数据交换。使用UART进行数据交换的帧格式如图3所示。帧中的第一个位是一个低位，它表示帧的开始位。在开始位之后的位是感兴趣的数据。帧的最后一位是高位的停止位
图像
板载时钟为50 Mhz, UART不能在如此高的数据速率下运行，因此需要将板载时钟频率转换为UART可用的较低速率。在本设计中，波特率要求为5Mbps，因此必须将50 Mhz的时钟频率转换为5 Mhz。这可以通过使用十进制计数器将时钟频率除以一个因子10来实现。
在UART的接收过程中，遵循串行并行输出(SIPO)程序。它由idle、shift和store三种状态组成，如图4所示。在空闲状态下，计数器被重置，UART等待高到低的信号，即开始位。复位时也进入空闲状态。一旦接收到开始位，计数器开始计数采样，状态从空闲过渡到移位状态。在移位状态下，输入的串行数据使用临时移位寄存器存储。位移位，直到计数器达到16，并接收到停止位。在接收到停止位后，状态从移位转换到存储，其中临时寄存器的内容被复制到主寄存器rx_data，计数器停止。
图像
在UART的传输过程中，进行了PISO (parallel in serial out)的输入输出过程。由Idle、load、shift三种状态组成，如图5所示。在空闲状态下，发射器等待tx_enable信号从低到高的转换。复位时也启用空闲状态。当tx_enable变高时，状态从空闲转移到加载数据，要传输的数据被加载到临时寄存器，然后一个开始位插入(即高到低信号)到串行输出线' sout '，计数器启动。现在状态从负载数据转换为移位数据。
图像
状态机一直保持这种状态，直到计数器达到值16。当计数器达到16时，一个停止位即高信号插入到“sout”线，计数器被重置。用于发射机和接收机的计数器是5位计数器

解码逻辑
在任何有源相控阵雷达中，所有的定标和波束转向指令都必须适用于发射/接收模块。发射/接收模块必须按照雷达要求从Rx/Tx切换，反之亦然。主动模块的保护和状态也是雷达系统可靠、正常运行的必要条件。所有这些功能Rx/Tx切换，T/R模块保护和T/R模块状态都是在控制卡中实现的。它根据雷达中相互连接的子系统接收到的命令来行动。命令基于包头中包含的包大小进行解码(图6)。UART执行以5mbps的速度从高级控制器接收串行数据的任务，并将串行数据转换为并行以用于解码和控制目的。
图像

模拟及结果
图像
仿真的16位UART的RTL原理图如图7所示。这里' sin '是串行输入行，' sout '是串行输出行。DIN和DOUT分别是在传输和接收过程中使用的16位寄存器
将50 Mhz的机载时钟转换为5 Mhz的分压器设计仿真如下图8所示。通过使用十年计数器，5兆赫端口线反转为每5个周期的主时钟
图像
UART的仿真波形如下图9所示。Tx_succ和rx_succ是表示数据字成功传输和接收的信号。txrdy是传输使能信号，它有助于防止垃圾数据在出线上传输。缺省情况下，当没有传输时，sout线保持高。
图像
为了从上级控制器发送的命令字中解码数据包大小，编写了VHDL代码，并通过VHDL的结构编码方法在解码逻辑的主文件中实例化。当机器从空闲状态转换时，解码使能信号被设置为高。在这个转换过程中，从UART接收数据的寄存器的内容被加载到一个临时寄存器中，用于解码称为deco_reg的包大小，如图10和11所示。RTL原理图如图10所示。
图像
图10解码逻辑的RTL原理图
译码过程在数据写入译码寄存器后开始。位15到8通过一个函数进行处理，该函数将二进制值转换为整数。所获得的结果存储在一个名为packet_size的变量中，如图10和11所示，并且状态机根据这个信号值进行传输。
图像
对于T/R模块的各种命令，数据包大小值的范围被限制为最小3(0011)到最大10(1010)。根据包的大小，十个数据寄存器更新新的数据。并不是所有的数据寄存器都在更新，但是与包大小相等的寄存器的数量会被更新，如图12所示。
图像
从图11的仿真波形可以看出，写入解码寄存器的包为0A80。因此，解码器将数据包大小解码为等于10的0A。因此，所有10个数据寄存器都用后续数据更新。因此，与现有的仅控制两个T/R模块的DTRMC相比，在本设计中，四个T/R模块的发射/接收相位和衰减值可以在解码后存储在寄存器中，以便根据上级控制器的命令加载到相位和衰减寄存器中。

结论
作为Quad发射接收模块控制器的核心，UART设计并测试了使用时钟分压器的5mbps操作。译码逻辑块成功解码从高级控制器通过UART传输的包中包含的包大小参数，并更新适当的寄存器数量。更新的寄存器值可以输入到QTRMC的控制逻辑中，然后相位和衰减寄存器将装载所需的值用于波束转向。

参考文献
  1. Amit Singh Bisht, Somsing Rathod, V Varadarajan和S Yogeesh Kumarn“基于FPGA的高速紧凑发射/接收单元控制器硬件设计”，电磁干扰与兼容性，pp. 573-577, 2009
  2. “有源相控阵雷达的发射接收模块”，欧洲专利技术规范，EP1279046, pp. 1-20, 2009。
  3. Nicholas J. Kolias和Michael T. Borkowski，“雷达应用T/R模块的开发”，《电子工程学报》，第79卷，第1期。3, pp. 308 - 34,2012
  4. 孙志伟，“基于FPGA的有源相控阵雷达T/R模块的6位相位角计算”，计算机工程学报，第1-8页，2008
  5. Alan J. Fenn, Donald H. Temme，“相控阵雷达技术的发展”，《林肯实验室杂志》，第12卷，第20-32页，2000
  6. 殷连生，高铁，李建新，“固态有源相控阵T / R模块与馈电网络的集成设计”，清华大学学报(自然科学版)，Vol. 1, pp. 1 -10, 1993
  7. “自适应有源相控阵雷达的设计考虑因素”，电子与通信工程学报，Vol.2, pp. 277 - 284, 2001。
  8. G. N. Tsandoulas，“一维扫描相控阵”，IEEETrans。天线传播，Vol. 28, pp. 86-99, 1980
  9. L.E. Brennan，“相控阵雷达的角精度”，《天线和传播的IRE学报》，第268 - 275页，1961年。
  10. John Daniel Kraus, Ronald J. Marhefka, Ahmed K Khan，“天线适用于所有应用”，McGraw- Hill公司，2006年第三版
  11. R s。埃利奥特，“大型扫描阵列的带宽和方向性”，两部分中的第一部分，《微波杂志》，53-60页，1963年
  12. 史密斯M. S，“相控阵原理”，IEEE相控阵雷达教程会议，第1-25页，1989
  13. Merrill I. Skolnik，“雷达系统介绍”，第3版TATA mcgraww - hill，第538 - 600,2003
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