基于Pentek 4207处理板和7153 AD/DDC板卡构建8通道波束成形系统
基于Pentek 4207处理板和7153 AD/DDC板卡构建8通道波束成形系统
北京长久斯捷有限公司 西安办事处
波束成形，源于自适应天线的一个概念。简单的说，用于接收端的信号处理时，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合并形成所需的理想信号。通过对各路信号的加权求和，波束成形方向的信号得到加强，而其他方向的信号互相抵消，明显提高了信噪比。
波束成形需要对各路传感器或天线接收到的信号的增益和相位进行调节，并对所有的信号进行合并处理。因此，波束成形系统对构建系统的硬件结构提出了特别的要求，需要严格的多通道同步采集，各通道的增益和相位可调，高速的数据传输，能量计算和门槛鉴别，较高的数据处理能力等。
图1 波速成形系统原理图
Pentek针对这些需求，开发了4207处理板和7153 AD/DDC信号采集板。可以方便的构建多通道的波束成形系统。下面就以构建8通道的波束成形系统为例，分别对这两个产品和系统的构建做个简单介绍。
图2 Pentek 4207模块框图
图2为Pentek 4207处理板的内部框图，6U VME/VXS结构。采用双核PowerPC 8641D处理器，在板卡的左右两边分别有一个PMC/XMC扩展接口，板卡的中间有个Crossbar结构的千兆位交换机，协议透明，两个XMC的4x串行接口都连接到了交换机，交换机通过PowerPC处理器进行管理。在板卡的右下角有个Virtex-4 FPGA，通过Aurora IP核支持两个4x到交换机的千兆位串行连接。
图3 Pentek 7153模块框图
图3为Pentek 7253信号采集板的内部框图，是个PMC/XMC结构的软件无线电模块。四路200MHz，16位的AD转换器。板载时钟，同步单元。两个Virtex-5 FPGA，FPGA中配置了4路的DDC，每路都可以接收任意4路中的AD采样数据，2-256的抽取范围，输出625 kHz -80 MHz带宽的基带信号。每路DDC的增益和相位可以被PowerPC处理器通过PCI-X总线进行控制。每路DDC都配有一个带有阀值检测的能量表，可以计算下变频后信号的能量，当能量低于或超过阀值时会生成一个系统中断信号，简化了增益校正和信号监控的工作，避免了在处理器上通过软件实现。
波束成形的求和工作也在FPGA中实现，四个DDC通道的输出在求和块中被组合相加。模块支持两个Aurora千兆位串行接口，通过一个4x输入端口接收别的模块送来的求和数据，和模块上4个DDC通道的数据求和计算后再通过另一个4x端口输出。
介绍完每个板卡的特点后，下面我们看一下如何通过将两个Pentek 7135模块安装到Pentek的4207处理板上构成8通道的波束成形系统。
图4 Pentek 7153/4207组成的8通道波速成形系统框图
图4是个例子，框图的最上面我们配置了一个信号发生器，有8个输出，分别连接到两个7135的8个AD输入端。两个Pentek 7135模块通过时钟同步电缆连接在一起，保证所有8个通道DDC和AD采样的同步。
左右两个模块分别对自己四个通道的信号求和，左面的模块将求和结果通过连接到Pentek 4207交换机一个端口上的4x Aurora接口送出，最高带宽可以达到1.25 GBytes/sec。沿着红色路径，通过交换机，进入右边Pentek 7153的求和输入端口，和右边Pentek 7153模块的求和结果组合后通过右边模块求和输出端口送回交换机。所有这8个通道的求和结果交换机再通过Aurora协议送给板上的Virtex-4 FPGA，Virtex-4 FPGA中的Aurora引擎解码接收到的数据流，并将数据存入DDR2内存中。
Virtex-4 FPGA的PCI-X接口会将这个DDR2内存作为资源映射到PowerPC处理器的PCI bus 1上。然后PowerPC处理器就可以通过PCI-X总线从FPGA的内存中读取这些数据。
PowerPC处理器处理这些数据，生成要显示的波束成形数据，通过以太网送给连接的PC进行显示。以上就是8通道波束成形系统的构成和主要的数据流路径。
大家可能已经注意到，Pentek 4027上的Crossbar交换机使得我们可以非常方便的建立我们所需要的数据传输路径。
图5是由Pentek 7153/4207组成的8通道波速成形系统得到的实际测试结果。
图5 Pentek 7153/4207组成的8通道波速成形系统--实测数据
说明：
根据Pentek资料整理，完整的Pentek资料，可以从Pentek网站下载：http://www.pentek.com 或者和我们联系。
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