專利名稱：：一種多通道陣列信號發(fā)生方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及聲納、雷達(dá)及無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及多通道換能器/天線陣列系統(tǒng)中接收/發(fā)射波束形成相關(guān)技術(shù)。
背景技術(shù)：
：波束形成通常與聲波發(fā)射/接收換能器陣列或者電磁波發(fā)射/接收天線陣列協(xié)同工作，廣泛應(yīng)用于聲納、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。波束形成包括對接收信號做波束形成和對發(fā)射信號做波束形成兩部分(1)對接收信號做波束形成為了使換能器/天線陣列加強(qiáng)從某個或多個特定方向到達(dá)的信號，基本的波束形成方法對每一路陣元接收的信號按該波束方向進(jìn)行延時，再把經(jīng)時延對齊的各路信號相加，得到指向特定方向的波束輸出。如圖1所示。(2)對發(fā)射信號做波束形成為了使換能器/天線陣列發(fā)射指向一個或多個特定的方向，設(shè)計每一路陣元發(fā)射的信號按指定波束方向具備一定的延時關(guān)系。用于成像、測繪、定位、目標(biāo)檢測的聲納或者雷達(dá)系統(tǒng)，其在被動工作時，通常包含接收-處理部分；在主動工作時，通常包含接收_處理部分和處理_發(fā)射部分。對于接收_處理部分，由于先期一般需在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對信號接收/處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而此時接收的換能器/天線陣列信號往往不具備實(shí)際使用現(xiàn)場的測試特性，有些調(diào)試工作還需消除接收電路與前端換能器/天線陣列的耦合。因而，它需要一種多通道陣列接收信號模擬器來模擬換能器/天線陣列接收特定位置信源的過程，產(chǎn)生多通道的陣列信號，以供所述信號接收-處理系統(tǒng)進(jìn)行測試、校準(zhǔn)、算法驗(yàn)證。對于所述處理-發(fā)射部分，則需要一種多通道陣列發(fā)射信號生成器以產(chǎn)生一組激勵信號，通過功率放大后，加到發(fā)射陣列的各個換能器/天線，使得信號能量朝特定方向發(fā)射。為實(shí)現(xiàn)指向性波束發(fā)射/接收，多通道信號之間必須滿足一定的幅度和延時關(guān)系。事實(shí)上，“多通道陣列接收信號模擬器”生成信號的過程與“多通道陣列發(fā)射信號生成器”生成信號的過程源于相同的物理機(jī)制，在執(zhí)行結(jié)構(gòu)上，二者具有技術(shù)上的共通性，因此，通?？梢园讯嗤ǖ狸嚵薪邮招盘柲M器和多通道陣列發(fā)射信號生成器合成為多通道陣列信號發(fā)生器。當(dāng)接收陣列接收某一個方向信源信號時，它能夠仿真產(chǎn)生該接收陣列各陣元的輸出接收信號；當(dāng)發(fā)射陣列發(fā)射某一個定向波束時，它能夠產(chǎn)生該發(fā)射陣列各陣元的輸入激勵信號。多通道陣列信號發(fā)生器在聲納、雷達(dá)、通信系統(tǒng)的應(yīng)用中占有很重要的地位。海底錨系聲納和自主水下航行器/水下滑翔機(jī)觀測聲納是近年來水聲工程技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，其中采用多通道陣列發(fā)射/接收的主動聲納系統(tǒng)在水底地形成像、目標(biāo)主動探測、水體性質(zhì)(典型如流速)測量等方面有著重要的應(yīng)用。這些場合中由于多采用電池供電，對設(shè)備功耗有很高的要求，自主水下航行器/水下滑翔機(jī)平臺的承載空間也非常有限。多通道陣列信號發(fā)生器是信號發(fā)生器的一種?，F(xiàn)有的商用信號發(fā)生器，如安捷倫、泰克等信號發(fā)生器，雖然精度較高、通用性較好，但是通道數(shù)少，其通道數(shù)普遍為4通道，且各通道獨(dú)立，通道間信號的關(guān)系不便調(diào)節(jié)，不宜用作多通道陣列信號的發(fā)生。目前，一般實(shí)驗(yàn)室自制的多通道信號發(fā)生器和為數(shù)不多的商用專業(yè)多通道信號發(fā)生器多采用各通道獨(dú)立數(shù)字波形控制加數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，如采用單片機(jī)、FPGA、CPLD控制多個D-A(數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片)的方法，來產(chǎn)生多通道的陣列信號。采用該技術(shù)，一個通道需要一片D-A。這樣，這種技術(shù)就存在如下的缺點(diǎn)單片機(jī)、FPGA、CPLD的管腳數(shù)資源有限，D-A價格較貴，體積較大，功耗較大；并行D-A所需的數(shù)據(jù)/控制管腳較多，串行D-A的數(shù)據(jù)/控制管腳較少而轉(zhuǎn)換速度較慢，且各D-A之間數(shù)據(jù)更新的同步不好控制，實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜。這些缺點(diǎn)在需要的陣列信號路數(shù)較多時，尤為明顯。綜上所述，發(fā)展小體積、低功耗、低成本、實(shí)現(xiàn)方便、通道數(shù)較多的多通道陣列信號發(fā)生器有很迫切的需要和廣泛的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明針對單頻脈沖信號波束形成接收/發(fā)射信號的產(chǎn)生，提出一種多通道陣列信號的發(fā)生方法和裝置，它能在需要信號通道數(shù)較多的情況下，以較小的功耗、體積、成本代價方便地模擬聲波換能器/電磁波天線接收陣列輸出接收信號，也可以生成聲波換能器/電磁波天線發(fā)射陣列所需的激勵信號。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多通道陣列信號發(fā)生裝置，它包括(1)信號參數(shù)設(shè)置模塊，包含時鐘管理器、定時器、信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向設(shè)置子模塊、通道選擇系數(shù)存儲子模塊，用于實(shí)現(xiàn)信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向的選擇；(2)移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，用于生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，所述方波信號集合作為備選信號集合，其中，fclk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；(3)開關(guān)矩陣，用于根據(jù)所需的信號參數(shù)，從所述的備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；(4)低通濾波器，用于對所述的多路方波信號整形，得到多路正弦波信號；(5)電平轉(zhuǎn)換電路，用于對所述的多路正弦波信號做電平轉(zhuǎn)換。所述信號頻率/脈寬/陣列形狀陣元位置/接收波束形成方向的選擇過程如下(1)首先，設(shè)置信號頻率、陣元位置、波束形成方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、波束形成方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/波束形成方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。所述各路信號的延時/初始相位計算過程一個特定的陣列布置，其在三維空間XYZ坐標(biāo)系下的第i個陣元的位置的表達(dá)式如下r(.=ryi接收/發(fā)射波束方向的表達(dá)式CQSφCQSθU=sin^cos^,φ是水平角，θ是俯仰角_sin假設(shè)接收到的信號是一個遠(yuǎn)場的信號exp(jωt)，把它近似為平面波信號，在介質(zhì)中傳播速度為c，角頻率《，頻率^因此第i個陣元接收到的信號的表達(dá)式為χ,(O=εχρ(/ω/-2πfr[·u/c)/=1,2,··-M延時表達(dá)式為Ti二rf·u/c=(cosφcos9rxi+sinφcosOryi+sinOrzi)!c相位表達(dá)式為<Pt=由于信號的周期為2π，可以對相位以2π取模，得到φ]=mod{^;,2^·}所述通道選擇系數(shù)的計算過程如下第i個陣元輸出信號對應(yīng)的通道選擇系數(shù)c,=f+0.5二^+0.5，表示對i四舍五入取整，其中，[]為向下取整符號，，為所」L冗」Ψ,述各路信號的初始相位，N為移位寄存器的個數(shù)，Δρ為所述移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)生成多路延時/初始相位等差的方波信號的最小相位差。所述移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊是由多個移位寄存器和反相器首尾級聯(lián)形成的環(huán)路，移位寄存器的初始狀態(tài)均為0。該移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊對輸入頻率為f。lk的時鐘信號分頻得到所需頻率的方波信號，所述方波信號頻率f=f。lk/2N，其中，N為移位寄存器的個數(shù)。在移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中，每個移位寄存器輸出方波之間的相位有著等間隔的差異，這個相位的間隔為Δρ=π/]ν，Ν為移位寄存器的個數(shù)，推導(dǎo)過程如下各個移位寄存器輸出(即移位寄存器狀態(tài)值)之間的關(guān)系可以表示如下式\yiif+T)=yN(t)\yMit+T)=yi{t),ι</<JV-i|眾+7>—yl+1(t+T)=y;(0’1</<N-Iyi‘(t)=yi(t)其中Ji'(t)表示把第i個移位寄存器的輸出接到反相器，反相器在t時刻的輸出值。由以上式子可以得出，yi+1(t)和yi(t)之間的時延是T，換算成相位就是===諾Wd^ll(X)的初始相位為0，則y2⑴為π/N，y3(t)為2π/N，以此類推，Yi(t)為(i-Ι)π/N，yN(t)為(N-I)π/N。yi+1'(t)和y/(t)之間的相位差也是Δρ=π/ν。由于yi'(t)=7，相位相差ηJgSy1U)的初始相位為0，則y/⑴的初始相位為Ly2'(t)為(N+1)^!/隊(duì)以此類推―/⑴為(Ν+i-l)π/N，yN'⑴為(2N-1)π/Ν。由上可知，yi(t)，y/(t),y2(t),y2'(t)…yN(t)，yN'(t)的初始相位均勻的分布在0之間。于是，yi(t)，yi'(t),y2(t),y2'α>··γΝα)，γΝ'(t)可以作為具有不同初始相位的方波信號集合，當(dāng)我們需要某個初始相位的信號時，我們就可以在這個方波信號集合中，選擇初始相位最接近所需信號初始相位的方波信號作為輸出。當(dāng)N越大時，相位差=越小，則信號集合中信號的初始相位就可以越接近我們所需信號的初始相位，誤差就會越小。我們以某個移位寄存器的輸出信號為參考，假定其初始相位為0，這樣就可得到各個移位寄存器輸出信號相對的初始相位，也就得到了2Ν個延時/初始相位等差的方波信號，作為所述的備選信號集合。所述低通濾波模塊，是用于對所述的多路方波信號整形，得到多路正弦波信號，其過程如下周期方波信號的表達(dá)式為X(Z1)=I1‘1叫<1r,且x(t)=x(t+T)傅立葉變換為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>因?yàn)樵摲诸l得到的方波的占空比為50%，即7；，代入螂，所以傅立葉表達(dá)式化簡為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>可以看出，當(dāng)k為偶數(shù)時傅立葉變換系數(shù)值為零，只有為奇數(shù)時才有非零值。也即是說，該方波只包含了奇數(shù)次的諧波，用截止頻率為f。(f。滿足f<f。<3f，f為多路方波信號的頻率)的濾波器，把方波的三次及其以上的諧波濾掉，得到所述的多路正弦波信號。所述電平轉(zhuǎn)換電路根據(jù)下一級電路輸入電平標(biāo)準(zhǔn)的要求，將多路正弦波信號電平轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電平形式。本發(fā)明還提供一種多通道接收陣列輸出信號的模擬生成方法，它包括以下步驟1)通過信號參數(shù)設(shè)置模塊，對信號頻率/脈寬/陣元位置/接收波束方向進(jìn)行選擇；2)通過移位寄存器/反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，作為備選信號集合，其中，f。lk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；3)根據(jù)所需的信號參數(shù)，選擇相應(yīng)的通道選擇系數(shù)去控制開關(guān)矩陣，再由開關(guān)矩陣從備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的多路方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；4)低通濾波器對所述的多路方波信號低通濾波，得到多路的正弦波信號；5)電平轉(zhuǎn)換電路對所述的多路正弦波信號做與輸出接口匹配的電平轉(zhuǎn)換。所述信號頻率/脈寬/陣元位置/接收波束方向的選擇過程如下(1)首先，設(shè)置信號頻率、陣元位置、接收波束方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、接收波束方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/接收波束方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。本發(fā)明還提供一種多通道發(fā)射陣列激勵信號的生成方法，它包括以下步驟1)通過信號參數(shù)設(shè)置模塊，對信號頻率/脈寬/陣元位置/發(fā)射波束方向進(jìn)行選擇；2)通過移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，作為備選信號集合，其中，f。lk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；3)根據(jù)所需的信號參數(shù)，選擇相應(yīng)的通道選擇系數(shù)去控制開關(guān)矩陣，再由開關(guān)矩陣從備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的多路方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；4)低通濾波器對所述的多路方波信號低通濾波，得到多路的正弦波信號，作為發(fā)射陣列的激勵信號。所述信號頻率/脈寬/陣元位置/發(fā)射波束方向的選擇過程如下(1)首先，設(shè)置信號頻率、陣元位置、發(fā)射波束方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、發(fā)射波束方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/發(fā)射波束方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。本發(fā)明適用于單頻脈沖信號波束形成發(fā)射/接收信號的模擬/生成，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明更加巧妙，具有實(shí)現(xiàn)方便、體積小、成本低、功耗低、通道數(shù)較多等顯著特點(diǎn)，可在ASIC/FPGA中用硬件描述語言編程后，再加適當(dāng)?shù)耐鈬娐返靡詫?shí)現(xiàn)。圖1是現(xiàn)有技術(shù)陣列接收信號的“延時求和”波束形成原理示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的多通道陣列信號發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的多通道接收陣列輸出信號的模擬生成方法流程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的陣元位置和波束入射方向的三維空間坐標(biāo)系表示圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的U型陣陣元位置示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例的移位寄存器/反相器網(wǎng)絡(luò)模塊連接方法示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例的128路所需延時/相位的方波信號產(chǎn)生過程示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例的低通濾波器電路原理圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例的電平轉(zhuǎn)換電路原理圖。具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。參見附圖。本實(shí)施例的多通道接收陣列輸出信號的模擬發(fā)生方法，是針對聲納系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境描述的，但其原理在雷達(dá)、通信系統(tǒng)中亦是相通的。本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例只是起示范的作用，并不用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例可產(chǎn)生128通道差分輸出、各通道間相位一致性較好、頻率165/195khz、陣元位置由U形/均勻直線(ULA)陣決定、接收波束方向?yàn)檎?fù)0/30/45/60/90度、脈寬IOms的聲納接收陣列輸出信號。多通道陣列信號發(fā)生裝置的模塊圖如圖2所示，主要由外圍電路模塊、信號參數(shù)設(shè)置模塊、移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊、開關(guān)矩陣、低通濾波器、電平轉(zhuǎn)換電路組成。其中外圍電路模塊用于為整個電路提供系統(tǒng)時鐘、電源、通信接口、復(fù)位控制信號、撥碼開關(guān)等，該外圍電路具體包括20Mhz的晶振作為整個電路的系統(tǒng)時鐘，正負(fù)5伏電源供電，RS232/JTAG作為通信接口，觸發(fā)開關(guān)提供復(fù)位控制信號，多個撥碼開關(guān)用于選擇不同的信號頻率和接收波束方向。在此裝置的基礎(chǔ)上提出了多通道接收陣列信號的模擬發(fā)生方法。如圖3所示，實(shí)施該方法的具體流程主要包括信號參數(shù)設(shè)置、備選信號集合的獲取、滿足所需延時/初始相位的方波信號的選取、低通濾波、單端_差分電平轉(zhuǎn)換、夕卜圍電路設(shè)計。所需要模擬的聲納接收陣列信號為單頻正弦波脈沖信號，其具體參數(shù)為頻率165/195khz、陣形為U形/均勻直線陣、接收波束方向?yàn)檎?fù)0/30/45/60/90度、脈寬10ms。多通道接收陣列信號的模擬發(fā)生方法，包括如下步驟1、通過信號參數(shù)設(shè)置模塊，對信號頻率/脈寬/陣元位置/接收波束方向進(jìn)行選擇，具體包括如下步驟(1)首先，設(shè)置信號頻率、陣元位置、接收波束方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、接收波束方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，所述各路信號的延時/初始相位計算過程如下圖4中，Ti表示陣元位置和u表示波束入射方向，表1是在聲源頻率165khz、U形陣(該陣有128個陣元，各個陣元的坐標(biāo)位置如圖5所示)、入射角為0度時，按照下列表達(dá)式延時表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>相位表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>以2π取模后相位表達(dá)式(Pi=ηο{φ,2π}算出的各個陣元輸出信號對應(yīng)的初始相位。計算中聲速假設(shè)為1500m/s。表1各陣元輸出信號對應(yīng)的初始相位<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>對其他接收波束方向或者其他類型接收陣，各陣元輸出信號初始相位的計算方法同上。再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，所述通道選擇系數(shù)的計算過程如下第i個陣元輸出信號對應(yīng)的通道選擇系數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>表示對f四舍五入取整，[]為向下取整符號，A為所述移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)生成多路延時φΑφ/初始相位等差的方波信號的最小相位差。與表1相對應(yīng)的各陣元輸出信號對應(yīng)的通道選擇系數(shù)如表2所示表2各陣元輸出信號對應(yīng)的通道選擇系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>對其他接收波束方向或者其他類型接收陣，各陣元輸出信號的通道選擇系數(shù)計算方法同上。將計算得到各組通道選擇系數(shù)存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中，不同組的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/接收波束方向；(2)設(shè)置信號脈寬10ms，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度為10ms，得到高低電平以IOms交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到脈寬為IOms的信號；(3)系統(tǒng)輸入時鐘為20Mhz，根據(jù)所設(shè)置的信號165/195khz頻率，由時鐘管理器輸出特定頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到165/195khz頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目N，來得到165/195khz頻率的信號。2、通過移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，作為備選信號集合，其中，f。lk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)。對所述的f=f。lk/2N表達(dá)式，可以驗(yàn)證如下(如表3所示)表3各時鐘周期時刻移位寄存器的狀態(tài)真值表<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表3中，T為時鐘周期，yi(t)為t時刻時第i個移位寄存器的狀態(tài)值。由表3可知，在周期為T的時鐘邊沿觸發(fā)作用下，每個移位寄存器交替地輸出NT時間長的高電平，NT時間長的低電平，該高低電平的交替就得到了方波?？梢运愠鲆莆患拇嫫鬏敵龇讲ǖ念l率Sf=1/(2NT)=fclk/(2N)。所述的多路延時/初始相位等差的方波信號具體的生成過程如下此處選用D觸發(fā)器作為移位寄存器，按照圖6所示的方式首尾級聯(lián)起來成為環(huán)路，得到D觸發(fā)器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，并且觸發(fā)器的初始狀態(tài)都設(shè)為0，則可對時鐘信號分頻得到所需頻率的方波信號，信號頻率f=f。lk/2N，N為觸發(fā)器的個數(shù)。此處20Mhz的系統(tǒng)時鐘經(jīng)過時鐘管理器2倍頻后fclk=40Mhz,f=165khz，可以計算出N=(f。lk/f)/2121。實(shí)際產(chǎn)生的信號頻率為f'=fclk/(2N)=40Mhz/(2*121)165.3khz，有0.3khz的誤差。對于1651^信號，可實(shí)現(xiàn)的最小相位差^二；2"/#=疋/121，換算成角度是180/121=1.488度。也即是說相位的精度為1.488度。可以看出，提高時鐘的頻率，相應(yīng)的增加D觸發(fā)器的個數(shù)，可提高最小延時/相位的精度。我們以某個D觸發(fā)器的輸出信號為參考，假定其初始相位為0，這樣就可得到各個移位寄存器輸出信號相對的初始相位，也就得到了242個相位/延時等差的方波信號，作為開關(guān)矩陣需要的備選信號集合。此處D觸發(fā)器/反相器網(wǎng)絡(luò)用VHDL硬件描述語言在FPGA中實(shí)現(xiàn)。3、根據(jù)所需的信號參數(shù)，選擇相應(yīng)的通道選擇系數(shù)去控制開關(guān)矩陣，再由開關(guān)矩陣從備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的128路方波信號，作為各通道輸出的128路方波信號，所述的從備選信號集合中選擇出滿足延時需要的128路方波信號的具體過程如下如圖7所示，121個移位寄存器對應(yīng)165khz信號，102對應(yīng)195khz。以得到128路165khz方波信號為例，當(dāng)接收波束方向?yàn)?度時，與0度對應(yīng)的一組通道選擇系數(shù)用于控制開關(guān)矩陣，在備選信號集合242個信號中，選擇最接近于所需延時/初始相位的方波輸出作為輸出信號，這樣就得到了與0度對應(yīng)的128路方波信號?？梢酝ㄟ^外圍的撥碼開關(guān)去選擇各組通道選擇系數(shù)來控制開關(guān)矩陣，也可以通過通信接口(如JTAG/RS232口)直接用指令去選擇各組通道選擇系數(shù)進(jìn)而去控制開關(guān)矩陣。此處開關(guān)矩陣用VHDL硬件描述語言在FPGA中實(shí)現(xiàn)。以撥碼開關(guān)為例，撥碼開關(guān)的不同組合代表了各個接收波束方向(也對應(yīng)于各組控制系數(shù))，由撥碼開關(guān)去控制開關(guān)矩陣進(jìn)行輸出信號的選擇。4、低通濾波器對所述的多路方波信號低通濾波，得到128路的正弦波信號，低通濾波器截止頻率和芯片的選擇過程如下占空比為50%的周期方波信號，其傅立葉表達(dá)式,,,.、ν212sin^/2.,、X{j(0)=-7-δ(ω-Ic(O0)Ic=-OO允可以看出，當(dāng)k為偶數(shù)時傅立葉變換系數(shù)值為零，只有為奇數(shù)時才有非零值。方波信號頻率若為fo=165khz，要將該方波信號變?yōu)檎也ǎ杓拥屯V波器進(jìn)行濾波，濾掉三次及其以上的諧波。于是，我們的低通濾波器的截止頻率f。應(yīng)該滿足fo<f。<3f0,也即是165khz<fc<495khz。同時考慮到信號為195khz時濾波的需要，195khz<f。<585khz,我們選擇截止頻率為f。=200khz。Max275是低通濾波芯片，其中心頻率可達(dá)300khz，截止頻率是通過外加電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的，該濾波芯片的特點(diǎn)之一為可以通過改變信號輸入處的電阻對增益進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)。各個電阻和芯片Max275的連接關(guān)系如圖8所示，各個電阻值可通過運(yùn)行Max275FilterDesignSoftware計算得到。需要注意的是，外接電阻最小不宜小于5kΩ，最大不宜超過4ΜΩ，因?yàn)殡娮柽^小可能達(dá)不到運(yùn)放的驅(qū)動能力，過大會產(chǎn)生寄生電容。最后在輸出加IuF的電容去掉偏置，就可得到所需的雙極性正弦波。5、根據(jù)下一級電路差分輸入的實(shí)際需要，通過電平轉(zhuǎn)換電路，將多路正弦波信號電平轉(zhuǎn)換為差分信號。此處采用AD8032為主芯片，加外圍電路構(gòu)成如圖9所示的單端轉(zhuǎn)差分電路。權(quán)利要求一種多通道陣列信號發(fā)生裝置，其特征在于包括(1)信號參數(shù)設(shè)置模塊，包含時鐘管理器、定時器、信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向設(shè)置子模塊、通道選擇系數(shù)存儲子模塊，用于實(shí)現(xiàn)信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向的選擇；(2)移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，用于生成頻率為f＝fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，所述方波信號集合作為備選信號集合，其中，fclk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；(3)開關(guān)矩陣，用于根據(jù)所需的信號參數(shù)，從所述的備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；(4)低通濾波器，用于對所述的多路方波信號整形，得到多路正弦波信號；(5)電平轉(zhuǎn)換電路，用于對所述的多路正弦波信號做電平轉(zhuǎn)換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道陣列信號發(fā)生裝置，其特征在于所述信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向的選擇過程如下(1)設(shè)置信號頻率、陣元位置、波束形成方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、波束形成方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/波束形成方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號，或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多通道陣列信號發(fā)生裝置，其特征在于所述的移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊包含多個移位寄存器和反相器，該多個移位寄存器和反相器首尾級聯(lián)成環(huán)路，每個移位寄存器的初始狀態(tài)均設(shè)為O。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道陣列信號發(fā)生裝置，其特征在于所述多路正弦波信號是通過選擇截止頻率為f。的低通濾波器，將占空比為50%的周期方波的三次及三次以上諧波濾掉而得到，其中，fc滿足f<f。<3f，f為所述多路方波信號的頻率。5.一種多通道接收陣列輸出信號的模擬生成方法，其特征在于包括以下步驟(1)通過信號參數(shù)設(shè)置模塊，對信號頻率/脈寬/陣元位置/接收波束方向進(jìn)行選擇；(2)通過移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，作為備選信號集合，其中，f。lk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；(3)根據(jù)所需的信號參數(shù)，選擇相應(yīng)的通道選擇系數(shù)去控制開關(guān)矩陣，再由開關(guān)矩陣從備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的多路方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；(4)低通濾波器對所述的多路方波信號低通濾波，得到多路的正弦波信號；(5)電平轉(zhuǎn)換電路對所述的多路正弦波信號做與輸出接口匹配的電平轉(zhuǎn)換。6.如權(quán)利要求5所述的多通道接收陣列輸出信號的模擬生成方法，其特征在于所述信號頻率/脈寬/陣元位置/接收波束方向的選擇過程如下(1)設(shè)置信號頻率、陣元位置、接收波束方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、接收波束方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/接收波束方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。7.如權(quán)利要求5或6所述的多通道接收陣列輸出信號的模擬生成方法，其特征在于所述多路正弦波信號是通過選擇截止頻率為f。的低通濾波器，將占空比為50%的周期方波的三次及三次以上諧波濾掉而得到，其中，f。滿足f<f。<3f，f為所述多路方波信號的頻率。8.—種多通道發(fā)射陣列激勵信號的生成方法，其特征在于包括以下步驟(1)通過信號參數(shù)設(shè)置模塊，對信號頻率/脈寬/陣元位置/發(fā)射波束方向進(jìn)行選擇；(2)通過移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，生成頻率為f=fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，作為備選信號集合，其中，f。lk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；(3)根據(jù)所需的信號參數(shù)，選擇相應(yīng)的通道選擇系數(shù)去控制開關(guān)矩陣，再由開關(guān)矩陣從備選信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的多路方波信號，作為各通道輸出的多路方波信號；(4)低通濾波器對所述的多路方波信號低通濾波，得到多路的正弦波信號，作為發(fā)射陣列的激勵信號。9.如權(quán)利要求8所述的多通道發(fā)射陣列激勵信號的生成方法，其特征在于所述信號頻率/脈寬/陣元位置/發(fā)射波束方向的選擇過程如下(1)設(shè)置信號頻率、陣元位置、發(fā)射波束方向，根據(jù)所設(shè)置的信號頻率、陣元位置、發(fā)射波束方向計算得到各路方波信號的延時/初始相位，再根據(jù)各路方波信號的延時/初始相位計算得到控制開關(guān)矩陣所需的系數(shù)，存儲于通道選擇系數(shù)存儲子模塊中；不同的通道選擇系數(shù)對應(yīng)不同的陣元位置/發(fā)射波束方向；(2)設(shè)置信號脈沖寬度，根據(jù)所設(shè)置的信號脈寬設(shè)計定時器的時間長度，得到高低電平以該時間長度交替的使能信號，去控制移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)的使能端，得到有限脈寬信號；(3)根據(jù)所設(shè)置的信號頻率，由時鐘管理器輸出不同頻率的時鐘信號送入移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，來得到相應(yīng)頻率的信號；或是在時鐘管理器輸出時鐘信號頻率不變的情況下，通過改變移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)中的移位寄存器的數(shù)目，來得到相應(yīng)頻率的信號。10.如權(quán)利要求8或9所述的多通道發(fā)射陣列激勵信號的生成方法，其特征在于所述多路正弦波信號是通過選擇截止頻率為f。的低通濾波器，將占空比為50%的周期方波的三次及三次以上諧波濾掉而得到，其中，f。滿足f<f。<3f，f為所述多路方波信號的頻率。全文摘要本發(fā)明公開了一種多通道陣列信號發(fā)生裝置及其發(fā)生方法，該裝置包括信號參數(shù)設(shè)置模塊，用于實(shí)現(xiàn)信號頻率/脈寬/陣元位置/波束形成方向的選擇；移位寄存器和反相器網(wǎng)絡(luò)模塊，用于生成頻率為f＝fclk/2N的多路延時/初始相位等差的方波信號，其中，fclk為時鐘信號頻率，N為移位寄存器的個數(shù)；開關(guān)矩陣，用于根據(jù)所需的信號參數(shù)，從方波信號集合中選擇出具有相應(yīng)延時/初始相位的方波信號；低通濾波器，用于對所述的多路方波信號整形，得到多路正弦波信號；電平轉(zhuǎn)換電路，用于對所述的多路正弦波信號做電平轉(zhuǎn)換。本發(fā)明適用于單頻脈沖信號波束形成發(fā)射/接收信號的模擬，其設(shè)計巧妙，具有實(shí)現(xiàn)方便、體積小、成本低、功耗低、通道數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號G01S7/00GK101806885SQ20101013123公開日2010年8月18日申請日期2010年3月24日優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日發(fā)明者吳光頡,徐文,楊志國申請人:浙江大學(xué)