基于數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步技術(shù)設(shè)計(jì)

林立新

（福建金石電子有限公司，福建 福州 350001）

0 引 言

近海沿岸手機(jī)相控陣監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)懷疑對(duì)象、犯罪嫌疑人的連續(xù)性跟蹤和間斷監(jiān)控，通過跟蹤和監(jiān)控分析、預(yù)判其動(dòng)向、行動(dòng)軌跡的目的。該系統(tǒng)首先由偽基站吸附覆蓋區(qū)域手機(jī)，其次通過相控陣?yán)走_(dá)測(cè)向設(shè)備偵測(cè)被吸附目標(biāo)手機(jī)的位置數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)學(xué)建模以及后臺(tái)軟件測(cè)算出目標(biāo)所在的GPS位置、距離、方位、時(shí)間等數(shù)據(jù)，為其動(dòng)向、行動(dòng)軌跡的分析提供幫助。

該系統(tǒng)的核心為相控陣測(cè)向技術(shù)，采用相控陣空間位置掃描技術(shù)即相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，通過雷達(dá)前端的相控陣天線和后端的數(shù)字分析電路完成對(duì)手機(jī)來波方向的測(cè)定。首先通過LTE協(xié)議的解析將目標(biāo)手機(jī)從同頻不同物理小區(qū)標(biāo)識(shí)（Physical Cell Identifier，PCI）或同頻同PCI（模3相等）的多用戶混合信號(hào)中剝離出來，生成干凈無損的信號(hào)供波達(dá)方向（Direction of Arrival，DOA）測(cè)向，然后通過相控陣測(cè)定技術(shù)分析給定手機(jī)信號(hào)，分析無線電信號(hào)在空間的多徑傳播路線。利用相控陣電路測(cè)量手機(jī)信號(hào)的多個(gè)傳播路徑（最多32條），并結(jié)合自定義的多徑分析算法，精準(zhǔn)挑選出主徑并確定該國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）的DOA角度。

由于相控陣?yán)走_(dá)測(cè)向技術(shù)為該系統(tǒng)的核心，因此，保證相控陣?yán)走_(dá)的空間掃描性能具有重要意義。本文通過對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)中影響同步的因素，并從轉(zhuǎn)換器的同步設(shè)計(jì)出發(fā)，在設(shè)定優(yōu)化、同步性能要求的基礎(chǔ)上，提出時(shí)間同步設(shè)計(jì)方案，對(duì)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。通過此次設(shè)計(jì)，為數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步設(shè)計(jì)提供幫助和借鑒。

1 雷達(dá)系統(tǒng)研究

按照天線的掃描方式劃分，基礎(chǔ)雷達(dá)可分為機(jī)械掃描雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)兩種。相控陣?yán)走_(dá)中的相指的是相位差，控指的是相位差的控制，而陣指的是天線陣面由多個(gè)獨(dú)立發(fā)射-接收單元組成，通過控制每個(gè)獨(dú)立單元的相位差，進(jìn)而改變整個(gè)天線陣面的方向圖，實(shí)現(xiàn)波束形成和掃描。對(duì)比機(jī)械掃描雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)的掃描速度較快，且抗干擾能力更強(qiáng)，可靠性更高。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字陣列的集成，逐漸優(yōu)化、演變出數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)。數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)可以提高波束賦性的靈活性，并且具有多域抗干擾的能力，能夠?qū)Χ嗝鏄?biāo)進(jìn)行探測(cè)[1]。

本系統(tǒng)采用的數(shù)字相控雷達(dá)技術(shù)為超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。超寬帶數(shù)字相控陣是指集成超寬帶數(shù)字射頻前端陣列的相控陣?yán)走_(dá)，是目前最為先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。其中，超寬帶數(shù)字射頻前端是指使用了超寬帶數(shù)字采樣技術(shù)的射頻收發(fā)前端，并且使用數(shù)字信道化、數(shù)字脈沖壓縮等算法，提高目標(biāo)分辨率、目標(biāo)識(shí)別能力及多目標(biāo)能力等。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)軟件化，根據(jù)指令改變工作模式以適應(yīng)不同需求。

該系統(tǒng)采用的超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)中，雷達(dá)前端測(cè)向單元采用超寬帶數(shù)字射頻技術(shù)，利用超寬帶射頻前端組成天線陣面，在天線陣面指向被測(cè)物時(shí)通過數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）技術(shù)完成掃描工作[2]，通過波束賦性獲得不同使用要求下期盼的信號(hào)輻射模式。因此，相控陣?yán)走_(dá)的性能基于DBF技術(shù)性能，而DBF技術(shù)性能與陣面同步效果有關(guān)，雷達(dá)天線陣因子如式（1）所示：

式中：M，N為天線陣面各方向輻射單元數(shù)量；x，y為天線軸平面方向，Tx，Ty為天線平面軸方向，x，y方向單元之間的時(shí)間差；Txs，Tys為天線掃描方向，xs，ys方向單元之間的時(shí)間差；|Amm|為天線單元輻射強(qiáng)度。

由式（1）可知，當(dāng)天線陣面各單元不同步，會(huì)導(dǎo)致在天線軸平面方向、天線掃描方向的單元之間的時(shí)間差存在隨機(jī)誤差。而隨機(jī)誤差的存在會(huì)導(dǎo)致方向圖失真，進(jìn)而影響雷達(dá)性能。因此，如何保證超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步，是目前主要的研究方向。而在超寬帶數(shù)字射頻技術(shù)的使用中，射頻前端的轉(zhuǎn)換器工作時(shí)需進(jìn)行大量、高頻率的采樣，因此，通過轉(zhuǎn)換器的同步設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)射頻前端的同步，保證超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步功能。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 同步性能要求

由上述表述可知，超寬帶數(shù)字射頻前端會(huì)存在隨機(jī)誤差，該誤差是由于數(shù)字器件在環(huán)境的影響如電磁影響、物理環(huán)境影響下，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)序亞穩(wěn)態(tài)，在該狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生一定的隨機(jī)數(shù)字誤差時(shí)延，而對(duì)該誤差影響較大的因素有運(yùn)行時(shí)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及在數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理時(shí)發(fā)生的時(shí)鐘抖動(dòng)、同步信號(hào)的建立和保持時(shí)間。因此，為消除超寬帶數(shù)字射頻前端的隨機(jī)數(shù)字誤差時(shí)延，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的時(shí)間同步方案，通過時(shí)間同步方案保證同步的性能。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)同步時(shí)產(chǎn)生的誤差影響進(jìn)行分析。

此次設(shè)計(jì)以常見的主瓣-3 dB波束寬度作為優(yōu)化目標(biāo)，首先需要確定相位誤差對(duì)于-3 dB波束寬度的影響，因此需根據(jù)式（1）進(jìn)行建模處理。通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲得隨機(jī)誤差增加時(shí)的方向圖，根據(jù)方向圖獲取-3 dB波束寬度，通過對(duì)相位隨機(jī)誤差進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)方向圖的變化情況，獲取-3 dB波束寬度隨相位隨機(jī)誤差改變的情況。以8單元線陣為例，對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的-3 dB波束寬度隨相位隨機(jī)誤差改變情況如圖1所示。

圖1 波束寬度隨相位隨機(jī)誤差改變圖

由圖1可知，當(dāng)相位誤差超過9°，-3 dB波束寬度會(huì)顯著增加，-3 dB波束的形狀發(fā)生劇烈的變化，進(jìn)而導(dǎo)致方向圖失真。而在本次設(shè)計(jì)中，信號(hào)中頻頻率為370 MHz，在相位誤差為9°時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)延誤差均值為25.8 ps，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)同步性能進(jìn)行優(yōu)化后，應(yīng)優(yōu)于25.8 ps的誤差均值。

2.2 總體框架設(shè)計(jì)

本次雷達(dá)的總體組成方式如圖2所示。天線陣面采用瓦片式數(shù)字子陣。該子陣通過將雷達(dá)的陣列前端模塊化、數(shù)字化，在進(jìn)行組陣時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)載體和陣列共形、相適，具有加高的靈活性。并且由于其模塊化的設(shè)計(jì)方式，在前期安裝與測(cè)試、后期維修與更換時(shí)較為便利。整體包含32個(gè)天線單元，4個(gè)收發(fā)（Transmitter and Receiver，TR）組件、1個(gè)變頻組件以及1個(gè)數(shù)字處理單元。運(yùn)行時(shí)，陣面結(jié)構(gòu)中的32個(gè)子陣會(huì)通過其含有的超寬帶射頻數(shù)字前端，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，從而獲得32路基帶信號(hào)，通過同步分配網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)收集端與處理端向量同步?；鶐ㄟ^同步分配網(wǎng)絡(luò)輸送至數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，并通過波束形成單元將數(shù)據(jù)信號(hào)形成數(shù)字波束，然后將得到的多波束信號(hào)輸送至雷達(dá)處理機(jī)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、跟蹤等處理。顯示控制中心作為指令輸入端以及結(jié)果顯示端。

圖2 雷達(dá)整體框架

3 時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)超寬帶數(shù)字射頻前端的同步，需降低前端之間的相位誤差。而降低相位誤差則需要保證工作時(shí)鐘和同步信號(hào)在不同的射頻前端同時(shí)到達(dá)[3]，因此需在保證同步信號(hào)能夠穩(wěn)定地被工作時(shí)鐘采樣的基礎(chǔ)上，讓同步信號(hào)、工作時(shí)鐘對(duì)于雷達(dá)回波起始點(diǎn)、發(fā)射波形的起始點(diǎn)一同定義，實(shí)現(xiàn)不同的射頻前端間初相的對(duì)準(zhǔn)。因此對(duì)于數(shù)字子陣的同步分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的同步分配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作流程如下。

圖3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

獲取基準(zhǔn)時(shí)鐘和同步信號(hào)后，由功分器進(jìn)行分配。功分器采用樹形結(jié)構(gòu)，可使信號(hào)均勻分配至數(shù)字子陣，且能夠保證信號(hào)的一致性。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字子陣內(nèi)部，由分布式零延時(shí)鎖相環(huán)系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘。由于基準(zhǔn)時(shí)鐘是同步分頻的起始，則需保證工作時(shí)鐘與基準(zhǔn)時(shí)鐘的相位一致，并監(jiān)控基準(zhǔn)時(shí)鐘、工作時(shí)鐘的相位關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)不一致的情況時(shí)，需主動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

3.1 分布式零延時(shí)鎖相環(huán)系統(tǒng)

為滿足超寬數(shù)字射頻前端的工作時(shí)鐘的要求，本次設(shè)計(jì)采用分布式零延時(shí)鎖相環(huán)系統(tǒng)，其中零延時(shí)鎖相環(huán)是在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)技術(shù)上發(fā)展優(yōu)化而來。鎖相環(huán)是一種頻率控制系統(tǒng)，零延時(shí)鎖相環(huán)[4]在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改變，通過多級(jí)同步分頻器結(jié)構(gòu)，對(duì)壓控振蕩器的輸出時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)同步，同步后產(chǎn)生的頻率再通過零延時(shí)分頻器進(jìn)行輸出，通過的過程中不會(huì)產(chǎn)生自由分頻現(xiàn)象，進(jìn)而降低了延時(shí)的不確定性。在此基礎(chǔ)上，還可對(duì)延時(shí)在ps量級(jí)進(jìn)行調(diào)整。分布式指的是鎖相環(huán)的布置方式，在每個(gè)射頻前端中均集成零延時(shí)鎖相環(huán)，從而獲取分布式的頻綜系統(tǒng)。分布式的結(jié)構(gòu)對(duì)比單獨(dú)的鎖相環(huán)，在滿足同步能力要求的基礎(chǔ)上，可通過多通道的方式降低相噪。

3.2 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器

由3.1節(jié)所述可知，自由分頻現(xiàn)象會(huì)提高延時(shí)的不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致誤差，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需避免自由分頻誤差的出現(xiàn)，則需要對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，保證同步信號(hào)的建立保持時(shí)間，因此此次設(shè)計(jì)引入具有時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time Digtal Converter，TDC）反饋的機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高時(shí)序收斂的效果，提高系統(tǒng)的冗余度、可調(diào)試性[5]。TDC主要由1條延時(shí)鏈和多個(gè)采樣模塊組成，其主要作用是對(duì)時(shí)序之間的延遲量進(jìn)行測(cè)量和數(shù)字化表示。通過TDC的反饋，可以獲取同步信號(hào)建立保持時(shí)間的偏移量，根據(jù)偏移量提供的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)于同步信號(hào)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)其時(shí)延，保證采樣的穩(wěn)定性，避免自由分頻現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證同步設(shè)計(jì)的效果，需對(duì)同步性能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)信號(hào)采樣的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。進(jìn)行同步性能計(jì)算時(shí)，可通過計(jì)算子陣間的延遲抖動(dòng)T來表示。子陣間延時(shí)抖動(dòng)T由兩部分組成，分別是自由分頻的誤差Td和分配路徑在傳播時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差TP，表示如下：

在雷達(dá)系統(tǒng)中，工作時(shí)鐘為960 MHz，由式（2）可知，存在自由分頻的誤差Td最小為1 ns，此時(shí)本系統(tǒng)的數(shù)字前端對(duì)應(yīng)的相位誤差超過120°，超過了指標(biāo)要求，因此需保證避免出現(xiàn)自由分頻現(xiàn)象，此時(shí)子陣間延時(shí)與分配路徑在傳播時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差TP相等，約為20 ps，小于9°時(shí)25.8 ps誤差均值要求，性能能夠滿足設(shè)計(jì)的性能要求。

當(dāng)時(shí)鐘樹完成逐級(jí)分配后，利用960 MHz的工作時(shí)鐘對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行采樣，同步采樣器的建立保持時(shí)間約為30 ps。利用采樣結(jié)果，定義轉(zhuǎn)換輸出波形的初始時(shí)刻。根據(jù)相應(yīng)的指標(biāo)可知，120 MHz的同步信號(hào)，其偏斜為57 ps，對(duì)于960 MHz的同步信號(hào)，其偏斜為62 ps。此時(shí)可計(jì)算穩(wěn)定采樣窗口為893 ps，采樣窗口的大小適中。因此利用兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到其同時(shí)工作時(shí)輸出信號(hào)的同步情況，如圖4所示，在960 MHz的高頻率下采樣穩(wěn)定，且兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器在同時(shí)工作時(shí)，輸出信號(hào)穩(wěn)定、同步性較好。驗(yàn)證表明，此設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)射頻前端的同步，保證超寬帶數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步的功能。

圖4 同步性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文從影響數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)性能的天線陣面出發(fā)，對(duì)射頻前端的同步制定了時(shí)間同步方案，創(chuàng)新性地應(yīng)用了分布式零延時(shí)鎖相環(huán)系統(tǒng)、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器反饋機(jī)制，保證了同步信號(hào)與工作時(shí)鐘的同步性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的同步性能，以及在高頻率（960 MHz）的情況下能夠達(dá)到穩(wěn)定采樣，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)穩(wěn)定、同步性較好，數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步性能較好。對(duì)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的同步設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，可以提高雷達(dá)的應(yīng)用效果，推動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：c[1] 趙榮超.數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成軟件在有源相控陣天線多波束自動(dòng)測(cè)試技術(shù)中的實(shí)踐與運(yùn)用[J].通信電源技術(shù)，2021，38（4）：75-77.

[2] 崔衛(wèi)東，肖晶，馬凱.子陣數(shù)字化雙頻相控陣波束指向分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2020，49（4）：34-37.

[3] 李洋，胡純棟，鄭長(zhǎng)勇，等.射頻負(fù)離子源分布式定時(shí)同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2021，41（1）：178-182.

[4] 王玉江，劉剛，張迪雅，等.基于ADF4356鎖相環(huán)的雷達(dá)頻率合成器設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2022，45（1）：105-110.

[5] 郭圍圍，尹勇生，龔號(hào)，等.基于時(shí)間放大技術(shù)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2022，36（4）：98-105.