一种5G通信的相控阵天线波束控制系统的制作方法

本发明涉及相控阵天线波控，具体为一种5g通信的相控阵天线波束控制系统。

背景技术：

1、相控阵天线在军民领域具有广泛的应用。其特点是波束指向的快速、高效、灵活切换，这是由波控系统来实现的。波控系统是相控阵天线特有的，它取代了传统的机械扫描雷达中的伺服驱动器的作用。波控系统的主要功能是在计算中心的控制下，按波控算法计算每一个天线单元上移相器所需的波控码，并传送至每一个bfic的移相器衰减器，控制每一个天线单元的发射和接收幅度相位，使相控阵天线的各天线单元的信号能量在空间指定方向上叠加，实现天线波束赋形。

2、本发明综合考虑性能、可靠性、成本及系统其他要求，选择基于fpga的波控设计方案，实现了快速、精确波束切换，实现了相控阵天线的波束赋形及5g nr场景下的应用。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种5g通信的相控阵天线波束控制系统，实现方式是，采用fpga作为波控系统和波控算法的核心，实现了相控阵天线波束的快速、精确切换等功能，为5g nr符号级波束调度提供有力保障。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种5g通信的相控阵天线波束控制系统，产品形态包括：bbu、aau，paa；

5、其中，bbu和aau之间通过ecpri接口通信；paa作为aau的组件集成在一起，之间通过多组spi接口下发指令，实现波束赋形等功能；

6、所述ppa采用矩形周期排列的布阵方式，二维平面相控阵天线阵列排列在xoy平面上，一共有m×n个天线阵元，天线辐射方向朝上，每个天线阵元由bfic驱动，根据bfic的通道数，电路上形成bfic阵列。bfic内部集成移相器和衰减器等，用于改变阵元通道间的幅度相位关系。改变天线阵元通道之间的幅度和相位关系，即通道间阵内相位差，产生所需要的天线口面幅度和相位分布，从而产生指定要求的天线方向图，并且可以快速的改变天线波束的形状以及波束的指向，即波束赋形和波束切换；

7、所述ppa的平面阵列移项理论公式为：

8、c(m,n)＝m*dx*(2π*f/c)*sinθ*cosφ+n*dy*(2π*f/c)*sinθ*sinφ+δ(m,n)，其中：

9、dx为阵元沿x轴方向之间的间距；

10、dy为阵元沿y轴方向之间的间距；

11、θ为目标方向的离轴角；

12、φ为目标方向的方位角；

13、m为x轴方向的位号，取值为0～m-1；

14、n为y轴方向的位号，取值为0～n-1；

15、λ为波长，f为频率，λ＝c/f；

16、δ(m,n)为(m,n)号阵元校准补偿值。

17、优选的，将天线端分布式计算下移到aau的fpga实现，采用集中式+并行计算的方式，节省了指令下发和解析时间，大幅缩短了总的波束切换时间，满足了5g nr对波束切换时间要求严苛的应用场景，并且在fpga外围使用一片flash，通过各子阵面共用校准补偿的方式，实现多子阵面组阵应用。

18、优选的，发挥fpga并行优势以及独立优化的简并算法，保证最快速度解算出波控码，只需消耗2个dsp，20个时钟周期计算出所有阵元的理论波控码；采用多条流水线方式，并行做补偿计算，计算出所有阵元的实际波控码，进一步加快解算速度；组帧后并行的下发配置bfic阵列的幅度相位，然后加载给所有天线单元执行，实现天线波束的快速、精准指向。

19、优选的，示例性的采用近场暗室，多轴扫描架子系统，控制机械臂探头，逻辑控制关闭全通道，逐个开单通道，逐个设置单通道幅度相位，逐个校准单通道，得出最终的补偿数据，并将最终得到的阵面上所有阵元通道之间的幅度和相位不一致性，计算处理成幅度值和相位补偿值，存入到flash，这样来适配每一块相控阵天线的差异，保证生产时每块天线共用一套逻辑烧录文件。

20、优选的，适配5g nr帧格式，提前符号级时间内做精密的波束切换，实现上下行波束切换时序与空口数据收发对齐，提供可靠的波束调度功能，保证基站和终端之间稳定的业务传输。

21、优选的，通过自定义上位机协议和flash协议，可以扩展到其他各种通用应用场景。

22、优选的，通过合理设计控制架构，使用模块化设计，数据流向合理，功能易于扩展，代码易于移植，兼具实时解算、波束预存、快速装载、校准补偿、测试生产等一体化功能。初始流程、校准流程、工作流程、其他流程等功能完备、逻辑自洽，保证了架构最精、精度最高、速度最快、资源最省之间的平衡，能适应相控阵天线波束赋形的各种应用场景。

23、波束控制系统的根本任务是产生所要求指向的波束，评价波束控制系统性能的根本指标是其指向角度的精确性。具体方法是，根据上层下发的频率、角度等信息，计算天线阵面上所有阵元的幅度相位值，并转换成相应的控制命令帧，驱动bfic配置各天线单元，完成空间特定方向上的电磁波干涉叠加，形成方向图上能量的集中指向。

24、本发明应用查表法和集中式计算控制方法相结合的方式，实现最佳的效果。同时创新性的将工程计算过程归一化处理，在弧度域按圆周数计算，大大简化计算过程，只需要消耗两个乘法器，最大限度减少资源占用，保持资源和速度的平衡。简化过程如下：

25、c’(m,n)＝m*dx*(f/c)*sinθ*cosφ+n*dy*(f/c)*sinθ*sinφ+δ’(m,n)

26、其中，

27、c’(m,n)＝c(m,n)/2π

28、δ’(m,n)＝δ(m,n)/2π

29、令：

30、fx＝dx*(f/c)

31、fy＝dy*(f/c)

32、根据天线设计理论，阵元间距dx、dy在波长λ＝c/f范围之内，所以自然地，fx、fy在[0,1)之间。此数据在matlab中计算好，然后作为存储表供逻辑查询读取。

33、则：

34、c’(m,n)＝m*fx*sinθ*cosφ+n*fy*sinθ*sinφ+δ’(m,n)

35、令：

36、α＝fx*sinθ*cosφ

37、β＝fy*sinθ*sinφ

38、正余弦数据也在matlab中计算好，然后作为存储表供逻辑查询读取。只需要存储0-90°这1/4段波形，然后根据三角函数诱导公式，推算出0-360°的正余弦值，进一步节约资源占用。

39、根据数学原理，[-1,1]之间的数相乘，结果仍在[-1,1]之间。

40、对于此连乘操作，α、β的计算结果仍在[-1,1]之间，逻辑实现上只需保证乘法计算的位宽不溢出即可。按定点数计算，能最大限度保留小数位，充分利用dsp模块48位宽，保证计算过程中精度不丢失。

41、则：

42、c’(m,n)＝m*α+n*β+δ’(m,n)

43、此即为圆周数，根据数学原理，将其归一到[0,1)之间，结果是等效的。而归一的过程只需要取出余数即可，减少了除法器的使用，也避免了误差的引入。

44、c”(m,n)＝c’(m,n)％1

45、对于此取余操作，逻辑实现上截断取小数位即可。

46、对于移相器，如360°相位调节，6位，移相器精度5.625°，弧度域步进值step＝2π/2^6；

47、在计算时，先恢复出弧度域的c(m,n)，再除以相位步进值，得出最终波控码：

48、c(m,n)_final＝c”(m,n)*2π/(2π/2^6)＝c”(m,n)*2^6

49、对于此乘法操作，逻辑实现上只需要左移6位，再做四舍五入、饱和截位即可。

50、设计过程中要考虑以下因素：边界条件、遍历测试、代码覆盖率、数据溢出、逻辑时序超标、负数补码处理、除法实现、定点浮点运算等。

51、采用以上方法，本发明保证了架构最精、精度最高、速度最快、资源最省之间的平衡。

52、本发明的计算控制过程分为三步：

53、1.理论计算：首先计算出α、β的值。再根据阵元位号(m,n)，做流水线累加，计算出每个阵元的理论移相值。

54、2.补偿计算：然后根据工作频点和阵元序号，读取当前阵元的幅相补偿数据，将理论移相值加上校准数据，得到最终的移相量和幅度控制量。

55、3.执行布相：最后根据得出的最终的移相量和幅度控制量，按照bfic控制协议格式，组帧后并行发给bfic阵列，写入芯片控制寄存器，然后统一加载执行生效。

56、受限于bfic的spi接口速率，经分析与实测，最优的架构是每一步做完后做下一步，每一步内部可以做精简和多条流水线设计。

57、bbu，基带单元；aau，有源天线单元；ecpri，增强型通用公共无线电接口；tdd，时分双工；paa，相控阵天线；bfic，波束赋形芯片；5g nr，全新空口设计的5g标准；ta，定时提前；cp，循环前缀；ue，用户终端。

58、(三)有益效果

59、与现有技术相比，本发明提供了一种5g通信的相控阵天线波束控制系统，具备以下有益效果：

60、该5g通信的相控阵天线波束控制系统，采用fpga作为波控系统和波控算法的核心，实现了相控阵天线波束的快速、精确切换等功能，为5g nr符号级波束调度提供有力保障。

61、通过合理设计控制架构，使用模块化设计，数据流向合理，功能易于扩展，代码易于移植，兼具实时解算、波束预存、快速装载、校准补偿、测试生产等一体化功能。初始流程、校准流程、工作流程、其他流程等功能完备、逻辑自洽，保证了架构最精、精度最高、速度最快、资源最省之间的平衡，能适应相控阵天线波束赋形的各种应用场景。