基于nios的分布式波束控制系统设计

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1、基于Nios的分布式波束控制系统设计　　摘要：针对多功能相控阵雷达系统对波束控制系统的快速响应能力的要求，该文基于FPGA中构建的Nios嵌入式软核CPU，设计了一种分布式的波束控制系统，将天线阵面T/R组件相位计算分解到多个波束控制分机中并行处理，相对于DSP+FPGA集中式波束控制系统，提高了实时性，简化了硬件电路设计，降低了系统的功耗。　　关键词：波束控制系统；相控阵天线；NIOS；分布式　　中图分类号：TN958.92文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）15-0258-03　　Abstract：Multifunctionphased

2、arrayradarneedsthebeam-steeringsystemhavingquickresponse，adistributedbeam-steeringsystemwasdesignedbasedonNiosIIcpuinFPGA.ComparetocentralsystembaseonDSPandFPGA，thisdesignhasquickresponsebecauseofdistributedandparallelcomputation，simplecircuit，andlowpowerdissipation.　　Keywords：Beam

3、-SteeringSystem；PhasedArrayRadar；NIOS；distributed　　1背景5　　在相控阵系统中，波束控制系统的性能直接影响雷达系统性能的发挥，在相控阵电子战中，电子侦察告警、电子对抗要求波束控制系统必须具有快捷的波束捷变能力（一般为μs级），因此在波束系统设计中必须解决高速运算，信号传输，在线幅相补偿等问题[1]。　　集中式波束控制系统，在应对复杂度提升和实时性要求提高的方法，往往只有通过采用性能和成本更高的数字信号处理器，成本和功耗不断提高。本文设计了一种基于Nios的分布式波束控制系统将整个阵面T/R组件的配相计算分解到

4、每个波束控制分机，每个分机只要负责单个天线列模块的T/R组件的配相计算，计算复杂度大为降低，实时性指标容易满足。　　2波束控制原理[2]　　波束控制系统的基本功能是根据不同的波束指向要求，完成阵列中每个单元移相器的相位计算，通过控制电路驱动移相器移相，从而使天线波束指向规定的方向。　　平面相控阵天线阵面置于（y，z）平面上，如图1所示。相邻天线单元之间的间距分别为d1，d2，位置为（k，i）的天线单元通道中移相器中波束控制码为C（k，i）。当目标方向为球坐标（）时，考虑相位误差补偿δ的情况下，送到第（k，i）单元通道内波束控制数码为　　3系统方案设计5　　集

5、中式的波束控制系统采用单个设备完成整个阵面的T/R组件的波束控制码计算，计算规模为M*N，当天线阵面中T/R组件规模较大时，实时性往往难以满足系统指标要求。本文提出一种基于Nios的分布式波束控制系统架构，如图2所示，由于采用N个波束控制分机来并行完成阵面T/R组件相位控制，每个分机的计算量为M，计算规模大大降低，实时性提供，系统指标更容易满足。由于使用分布式并行计算，原先由大容量FPGA+高性能DSP才能满足指标，现通过在中等容量FPGA中配置高性能可剪裁的NIOSII软核CPU即可满足指标，节约成本，降低功耗。　　每个波束控制分机由CAN总线接口单元，计

6、算单元，配相单元，在线监测单元，在线配置单元5个功能模块构成。通过CAN总线接口单元解析控制中心的指令和数据；通过计算单元实现移相器相位码的计算和校验；通过在线监测单元完成列模块BIT信息采集和统计；通过在线配置单元，实现控制中心对每个波束控制分机的远程数据和程序维护。　　各波控分机通过CAN总线与控制中心互联，上电后各分机通过读取板上的拨码开关数值，来进行初始化配置，保证各分机软硬件一致，却可以响应不同的CAN数据和指令。根据控制中心指令进入3个不同的工作模式：　　在战斗模式下，计算单元根据的CAN接口单元接收到的方位信息，计算波控码，通过送数单元向对应的

7、天线列模块发送配相数据，使波束指向预定的方位，在系统时序控制下，通过CAN总线，向控制中心回告BIT信息，完成阵面T/R组件，温度等信息的监测。　　在维护模式下，通过接收CAN总线发送对应分机的数据，在线配置单元通过SPI总线，将数据写入FPGA的串行配置芯片中，完成数据和程序的远程加载和维护。　　在测试模式下，根据控制中心的命令，计算单元产生的波控码可以单独控制每个T/R组件的开关状态，根据需要进行初始相位补偿、随机馈相、频率修正等，方便调试和维修。　　4硬件设计　　FPGA采用CycloneII系列的EP2C15，通过配置NIOS5II软核来完成浮点运算

8、，实现计算单元的功能。外围串行配置芯片采用EPCS1