榮 笑,王 培,劉曉磊
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所,河北 石家莊 050081)
相控陣天線(xiàn)具備波束無(wú)慣性快速掃描、多波束獨(dú)立可控、抗干擾能力強(qiáng)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在航天、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2]。但相控陣天線(xiàn)同時(shí)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)要求高等問(wèn)題,尤其當(dāng)天線(xiàn)陣列規(guī)模較大、波束較多時(shí),單一控制單元無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的復(fù)雜需求,需要多個(gè)控制單元協(xié)作完成系統(tǒng)功能。此時(shí),如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì),以在滿(mǎn)足系統(tǒng)復(fù)雜需求的同時(shí)使各功能單元合理互聯(lián)且協(xié)作良好變得尤為重要。從系統(tǒng)應(yīng)用需求角度出發(fā),提出一種適用于大規(guī)模相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的分布式即插即用軟硬件設(shè)計(jì)方案。
圖1是目前被廣泛使用的一種軟硬件設(shè)計(jì)方案,采用的是微控制單元(Micro Control Unit,MCU)加現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)的架構(gòu)[3,4]。其中,F(xiàn)PGA1、FPGA2、……、FPGAn用于控制波束掃描,而MCU用于實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)系統(tǒng)功能,MCU和波束控制單元之間通過(guò)FPGA進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。
從圖1可以看出,該方案架構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),適用于小規(guī)模相控陣天線(xiàn)。但當(dāng)天線(xiàn)陣列規(guī)模較大、系統(tǒng)功能較復(fù)雜時(shí),該方案的缺點(diǎn)便突顯出來(lái)。一是全部系統(tǒng)控制功能集中在一個(gè)單元內(nèi)部,對(duì)該單元可靠性要求極高,隨著系統(tǒng)功能復(fù)雜度提高,MCU軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度也隨之提高;二是方案中未考慮相控陣天線(xiàn)的多波束功能,僅能通過(guò)修改MCU軟件來(lái)滿(mǎn)足多波束使用需求,給軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了大量的重復(fù)工作;三是軟硬件設(shè)計(jì)上沒(méi)有模塊化概念,隨著系統(tǒng)需求變化,每個(gè)單元都需要重新設(shè)計(jì),系統(tǒng)模塊化程度低、復(fù)用率不高且調(diào)試難度大。
針對(duì)上述問(wèn)題,將系統(tǒng)功能重新劃分,按照系統(tǒng)自上而下的設(shè)計(jì)思想將整個(gè)系統(tǒng)看作以下3個(gè)部分。
(1)天線(xiàn)系統(tǒng)。由于相控陣天線(xiàn)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)不同波束分別工作,因此整個(gè)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)需要一個(gè)波束調(diào)度單元來(lái)實(shí)現(xiàn)波束任務(wù)分發(fā)與調(diào)度工作。
(2)波束控制單元。按照系統(tǒng)波束需求進(jìn)行劃分,有幾個(gè)波束即存在幾個(gè)波束控制單元,波束控制單元用于實(shí)現(xiàn)分發(fā)給波束的全部任務(wù)。
(3)標(biāo)準(zhǔn)化子陣。按照天線(xiàn)單元數(shù)量進(jìn)行劃分,對(duì)子陣控制單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),每個(gè)子陣支持固定上限的天線(xiàn)單元,使用時(shí)根據(jù)天線(xiàn)陣列規(guī)模進(jìn)行選擇拼接。
在此基礎(chǔ)上,提出一種新的分布式軟硬件設(shè)計(jì)方案,以系統(tǒng)包含2個(gè)不同頻段的天線(xiàn)為例,設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 新版軟硬件設(shè)計(jì)方案
天線(xiàn)1有n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子陣,支持2個(gè)波束獨(dú)立工作,因此包含2個(gè)波束控制單元(1和2);天線(xiàn)2有m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子陣,支持2個(gè)波束獨(dú)立工作,因此包含2個(gè)波束控制單元(3和4)。其中,標(biāo)準(zhǔn)化子陣通過(guò)高速串行通信接口與波束控制單元互聯(lián),波束控制單元再通過(guò)分布式總線(xiàn)與波束調(diào)度單元互聯(lián)[5]。標(biāo)準(zhǔn)化子陣采用FPGA實(shí)現(xiàn),波束控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化子陣采用片上系統(tǒng)(System-on-a-Chip,SoC)芯片實(shí)現(xiàn)。相較于MCU,SoC芯片具備高速接口,具有高集成、低功耗的特點(diǎn)[6,7]。
在新版方案中,各級(jí)單元具體功能如下文所述。
(1)波束調(diào)度單元。接收上級(jí)任務(wù),將任務(wù)分發(fā)給各個(gè)波束控制單元,對(duì)各個(gè)波束執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,并控制波束合成與分解。
(2)波束控制單元。接收系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度,將系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化,最終得到波束掃描角度,通過(guò)高速通信接口下發(fā)給連接在該單元的標(biāo)準(zhǔn)化子陣。波束控制具備工作模式切換、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。
(3)標(biāo)準(zhǔn)化子陣。實(shí)現(xiàn)波束掃描功能,每個(gè)子陣支持的天線(xiàn)單元上限、接收或發(fā)射、坐標(biāo)位置以及初始幅相補(bǔ)償值均可配置。
通過(guò)功能劃分重新設(shè)計(jì)后,每個(gè)單元分工明確、功能獨(dú)立,便于進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。隨著系統(tǒng)需求變化,僅需要通過(guò)增減相應(yīng)單元或修改相應(yīng)單元功能即可。如此一來(lái),整個(gè)系統(tǒng)的功能分布在各個(gè)功能單元中,而非高度集中在某一個(gè)單元內(nèi)部,系統(tǒng)可靠性大大提高[8]。此外,系統(tǒng)調(diào)試時(shí)也可先進(jìn)行單元級(jí)調(diào)試,在互聯(lián)后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)調(diào)試,降低了調(diào)試工作的難度。
在分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,即插即用是一種很重要的設(shè)計(jì)思想,即系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中具備動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備接入或撤出的能力,且可對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行配置,使其在系統(tǒng)中正常工作[9]。對(duì)于上述相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,即插即用表現(xiàn)在:當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化子陣上電連接波束控制單元后,波束控制單元可識(shí)別并對(duì)其進(jìn)行初始配置;當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化子陣斷電或因故障與波束控制單元斷開(kāi)連接時(shí),波束控制單元可識(shí)別并將撤出信息記錄并上報(bào)。同理,波束調(diào)度單元對(duì)波束控制單元的接入和撤出也可動(dòng)態(tài)識(shí)別并正確處理。引入即插即用思想,可使系統(tǒng)工作更加智能化。當(dāng)部分單元發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)可快速識(shí)別;當(dāng)單元恢復(fù)工作時(shí),系統(tǒng)可迅速恢復(fù)工作,而無(wú)需整個(gè)系統(tǒng)重新初始化,因此可靠性也更高。
在即插即用技術(shù)中,設(shè)備識(shí)別時(shí)需要關(guān)注信息配置方式[10]。本方案的設(shè)計(jì)原則是不因引入即插即用思想而增加標(biāo)準(zhǔn)化子陣設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,因此將需要配置的信息放在波束控制單元的存儲(chǔ)芯片中。波束控制單元根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化子陣的設(shè)備識(shí)別碼,讀取相應(yīng)配置信息并對(duì)其進(jìn)行初始配置。
在上述設(shè)計(jì)方案中,波束控制單元相當(dāng)于波束調(diào)度單元的即插即用設(shè)備,標(biāo)準(zhǔn)化子陣相當(dāng)于波束控制單元的即插即用設(shè)備。本文以標(biāo)準(zhǔn)化子陣為例,給出即插即用設(shè)備上線(xiàn)與下線(xiàn)建立過(guò)程的詳細(xì)步驟。
2.2.1 上線(xiàn)過(guò)程
(1)初始化子陣識(shí)別碼,轉(zhuǎn)入下一步;
(2)查詢(xún)子陣登記信息,判斷子陣是否已在線(xiàn),若未登記說(shuō)明子陣下線(xiàn),轉(zhuǎn)入下一步;
(3)發(fā)送心跳幀,用于判斷子陣是否上線(xiàn),若收到回報(bào),說(shuō)明子陣已上線(xiàn),轉(zhuǎn)入下一步;否則,轉(zhuǎn)入第(5)步;
(4)對(duì)子陣進(jìn)行上線(xiàn)登記,根據(jù)識(shí)別碼從存儲(chǔ)芯片中讀取相應(yīng)配置信息,并對(duì)其進(jìn)行初始配置;
(5)變化子陣識(shí)別碼,指向其他子陣,回到第(2)步。
2.2.2 撤 出
(1)初始化子陣識(shí)別碼,轉(zhuǎn)入下一步;
(2)查詢(xún)子陣登記信息,判斷子陣是否已在線(xiàn),若已登記說(shuō)明子陣在線(xiàn),轉(zhuǎn)入下一步;
(3)根據(jù)通信協(xié)議,發(fā)送心跳幀、查詢(xún)幀或控制幀,判斷子陣是否響應(yīng),若子陣超出規(guī)定時(shí)間未響應(yīng),說(shuō)明子陣已下線(xiàn),轉(zhuǎn)入下一步;若子陣響應(yīng),說(shuō)明子陣仍在線(xiàn),轉(zhuǎn)入第(5)步;
(4)刪除子陣在線(xiàn)登記信息;
(5)變化子陣識(shí)別碼,指向其他子陣,回到第(2)步。
本文針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜相控陣系統(tǒng)提出了一種分布式的即插即用軟硬件設(shè)計(jì)方案,該方案對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)單元的功能進(jìn)行了明確劃分,模塊化程度高。目前,該方案已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用。從應(yīng)用結(jié)果看,該方案可移植程度高、兼容性好,降低了軟硬件設(shè)計(jì)工作量,提高了系統(tǒng)可靠性,便于前期調(diào)試和后期維護(hù)。