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【摘 要】随着卫星直播技术的发展，移动卫星电视接收系统的研究得到广泛关注，相控阵凭借其波束指向灵活，具有良好的方向性和能无惯性快速扫描的优点，成为移动卫星电视接收系统的一种重要天线形式。本文设计了可用于移动卫星电视接收的相控天线阵控制电路，主要包括数字下变频模块和相位控制模块"相控天线阵控制电路是通过控制移相器，来改变天线阵的相位，从而达到改变波束指向的目的，控制电路的仿真是基于Altera公司的FPGA芯片实现的。
【关键词】FPGA 相控天线 控制电路
相控天线阵又称作相位阵列天线，是一种以改变天线相位来改变波束方向的天线，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描天线相控天线阵分为三部分：天线阵、馈电网络和波束控制电路。天线阵由许多辐射单元组成阵列，各单元间辐射能量和相位之间的关系都是可控的。相控天线阵的优点是：波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；对复杂目标环境的适应能力强；抗干扰性能好。但是相控天线阵设备复杂，造价昂贵，所以大部分是应用于军事领域。本文的研究内容是设计控制相控阵移相器的控制电路，通过改变移相器的步进方式，改变天线阵的相位，从而改变天线阵的波束指向，可用于固定载体的卫星电视接收天线阵，也可用于移动载体卫星电视的接收。
一、相控阵控制电路整体方案设计
本文的主要任务是完成相控天线阵控制电路的设计，所以设计时主要是针对上述车载相控阵的后两点要求，并结合软件无线电的尽早将模拟信号数字化的基本思想来设计的。系统组成如图1-1所示：
图1-1 系统组成
当 A/D 采样模块将模拟信号转换为数字信号后，数字下变频模块将数字信号从中频移到基带，传输到相位控制模块进行实时处理。针对控制电路具有很高集成度的要求，本文采用了可满足高集成度要求的FPGA 芯片來实现，而数字下变频模块中的滤波器模块有过滤杂波的功能，满足了系统抗干扰能力强的要求。
二、相控电路中数字下变频模块的设计
本文设计的数字下变频模块是由数控振荡器 NCO、数字混频器、CIC梳状滤波器、HB 半带滤波器和 FIR 滤波器五部分组成，结构如图3-1所示：
图 2-1 数字下变频模块的结构图
由图 2-1可以看出，首先要利用 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，然后再进行后续的数字信号处理，本设计中输入的模拟电视中频信号频率为 38MHz，依据Nyquist 采样定理，采样频率大于或等于二倍的信号频率，所以选用了 8 位、采样率为100Msps 的 A/D 采样模块。
（一）可编程下变频模块
第一部分数控振荡器时，最简单的方法是查表法，具体方法是先根据正弦波的各个相位出相应的正弦值，然后把这些预先计算出来的正弦值存储在 ROM 表中，将相位信息作为查找表的地址对其进行查表，基于查找表法实现的数控振荡器 NCO，所占用的芯片ROM 资源随着输入的相位位宽呈指数倍增长，所以导致系统的可拓展性较差，而且当对相位精度要求比较高的时候，基于查找表法的 NCO无法在 FPGA 上实现，因为结构简单的查找表方法在速度、精度、简单性三方面不能同时达到最优性能，所以本文在设计 NCO 时，从实现 NCO 的算法方面入手，最终决定采用简单、有效的 CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer，坐标旋转数字计算机）算法来设计和实现可编程下变频模块，它可以同时实现数控振荡器和数字混频器的功能。
（二）级联积分梳状滤波器的 FPGA 实现
本文中，根据级数与阶数折中选择的原则，所设计的 CIC 滤波器选取了抽取因子，同时也是向下采样因子 D=4，梳状滤波器的延迟数量R=2，采样频率 fs=100MHz，通带范围是（0～6）MHz。本文设计的三阶 CIC 滤波器，是由一个三阶积分器和一个三阶梳状部分组成，具体结构如图2-2所示：
图2-2 三阶 CIC 滤波器
在图2-2中，可以看出是先实现积分器，然后是抽取器，最后才是梳状部分，这样的结构在梳状部分节省了一个因数为 3 的延迟单元，单阶 CIC 滤波器的阻带衰减是13.46dB，本文设计的三阶 CIC 滤波器的阻带衰减为 13.46*3=40.38dB。对于 CIC 滤波器来说，最坏情况下的增益情况就是给 CIC 滤波器输入一个阶跃信号，为了验证本文设计的 CIC 滤波器的性能，我们将幅值等于 127 的阶跃信号，输入到CIC 滤波器中，得到的仿真结果如图 2-3所示：
图2-3 CIC 滤波器仿真结果
三、结论
本文设计了相控天线阵控制电路，研究了相控阵技术及其国内外发展现状，对软件无线电理论，数字下变频技术，基于 FPGA实现了相控天线阵控制电路，整个系统所占资源百分比小于总资源的 50%，小于 80%，保证了系统的稳定运行。同时，因为系统设计时没有用到芯片的硬核，只占用了 LC 和 memory 资源，所以系统的可移植性好。
【关键词】FPGA 相控天线 控制电路
相控天线阵又称作相位阵列天线，是一种以改变天线相位来改变波束方向的天线，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描天线相控天线阵分为三部分：天线阵、馈电网络和波束控制电路。天线阵由许多辐射单元组成阵列，各单元间辐射能量和相位之间的关系都是可控的。相控天线阵的优点是：波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；对复杂目标环境的适应能力强；抗干扰性能好。但是相控天线阵设备复杂，造价昂贵，所以大部分是应用于军事领域。本文的研究内容是设计控制相控阵移相器的控制电路，通过改变移相器的步进方式，改变天线阵的相位，从而改变天线阵的波束指向，可用于固定载体的卫星电视接收天线阵，也可用于移动载体卫星电视的接收。
一、相控阵控制电路整体方案设计
本文的主要任务是完成相控天线阵控制电路的设计，所以设计时主要是针对上述车载相控阵的后两点要求，并结合软件无线电的尽早将模拟信号数字化的基本思想来设计的。系统组成如图1-1所示：
图1-1 系统组成
当 A/D 采样模块将模拟信号转换为数字信号后，数字下变频模块将数字信号从中频移到基带，传输到相位控制模块进行实时处理。针对控制电路具有很高集成度的要求，本文采用了可满足高集成度要求的FPGA 芯片來实现，而数字下变频模块中的滤波器模块有过滤杂波的功能，满足了系统抗干扰能力强的要求。
二、相控电路中数字下变频模块的设计
本文设计的数字下变频模块是由数控振荡器 NCO、数字混频器、CIC梳状滤波器、HB 半带滤波器和 FIR 滤波器五部分组成，结构如图3-1所示：
图 2-1 数字下变频模块的结构图
由图 2-1可以看出，首先要利用 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，然后再进行后续的数字信号处理，本设计中输入的模拟电视中频信号频率为 38MHz，依据Nyquist 采样定理，采样频率大于或等于二倍的信号频率，所以选用了 8 位、采样率为100Msps 的 A/D 采样模块。
（一）可编程下变频模块
第一部分数控振荡器时，最简单的方法是查表法，具体方法是先根据正弦波的各个相位出相应的正弦值，然后把这些预先计算出来的正弦值存储在 ROM 表中，将相位信息作为查找表的地址对其进行查表，基于查找表法实现的数控振荡器 NCO，所占用的芯片ROM 资源随着输入的相位位宽呈指数倍增长，所以导致系统的可拓展性较差，而且当对相位精度要求比较高的时候，基于查找表法的 NCO无法在 FPGA 上实现，因为结构简单的查找表方法在速度、精度、简单性三方面不能同时达到最优性能，所以本文在设计 NCO 时，从实现 NCO 的算法方面入手，最终决定采用简单、有效的 CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer，坐标旋转数字计算机）算法来设计和实现可编程下变频模块，它可以同时实现数控振荡器和数字混频器的功能。
（二）级联积分梳状滤波器的 FPGA 实现
本文中，根据级数与阶数折中选择的原则，所设计的 CIC 滤波器选取了抽取因子，同时也是向下采样因子 D=4，梳状滤波器的延迟数量R=2，采样频率 fs=100MHz，通带范围是（0～6）MHz。本文设计的三阶 CIC 滤波器，是由一个三阶积分器和一个三阶梳状部分组成，具体结构如图2-2所示：
图2-2 三阶 CIC 滤波器
在图2-2中，可以看出是先实现积分器，然后是抽取器，最后才是梳状部分，这样的结构在梳状部分节省了一个因数为 3 的延迟单元，单阶 CIC 滤波器的阻带衰减是13.46dB，本文设计的三阶 CIC 滤波器的阻带衰减为 13.46*3=40.38dB。对于 CIC 滤波器来说，最坏情况下的增益情况就是给 CIC 滤波器输入一个阶跃信号，为了验证本文设计的 CIC 滤波器的性能，我们将幅值等于 127 的阶跃信号，输入到CIC 滤波器中，得到的仿真结果如图 2-3所示：
图2-3 CIC 滤波器仿真结果
三、结论
本文设计了相控天线阵控制电路，研究了相控阵技术及其国内外发展现状，对软件无线电理论，数字下变频技术，基于 FPGA实现了相控天线阵控制电路，整个系统所占资源百分比小于总资源的 50%，小于 80%，保证了系统的稳定运行。同时，因为系统设计时没有用到芯片的硬核，只占用了 LC 和 memory 资源，所以系统的可移植性好。