大规模低频射电阵列是未来射电天文的研究重点,也是平方公里阵列（Square Kilometre Array,SKA）项目的重要组成部分。与未来SKA项目的设计目标相比,中国目前的21CMA（21 Centimetre Array）低频射电阵列采用模拟波束形成和软件信号处理的方式,存在波束旁瓣抑制差、指向单一、指向无法调整、系统运行效率低等问题。针对上述问题,本文结合21CMA的阵列架构,设计了两种宽带多波束数字波束形成（Digital Beamforming,DBF）方案,并在此基础上进行了数字信号预处理模块的硬件设计和实现。本文设计的DBF实现方案不但具有旁瓣抑制可调、多波束、任意波束指向灵活调整的特点,而且有效提升了21CMA数字信号预处理部分的运行效率,提高了21CMA的系统性能,使其更加适应未来SKA的发展趋势。本文主要研究内容包括:1.结合21CMA系统的设计架构,提出了一种基于精确数字延时的恒定指向宽带多波束DBF设计方案。该方法通过精确宽带数字延时调整波束指向,并通过泰勒幅度加权进行旁瓣抑制。这种DBF实现方案可以让21CMA具有旁瓣抑制可调、多波束、任意波束指向灵活调整的功能。在同时生成12个独立波束的情况下可以将21CMA空域覆盖能力以及巡天速度提高12倍,波束旁瓣功率降低10分贝,从而提升系统的性能。2.通过对21CMA数字信号处理部分的综合考虑,设计了一种基于数字信道化的宽带多波束DBF方案,以同时实现DBF和频谱分析的功能。该设计方案通过数字信道化预先对采样信号进行频率分离,然后再通过窄带DBF技术对各个子频带信号进行幅相调整实现波束形成。相比之前DBF和频谱分析分开处理的方式,这种综合设计方案在同时生成12个独立波束的情况下可以降低87%的运算复杂度。由于数字信号预处理（包括DBF和谱分析）部分通常是21CMA系统运算量和计算复杂度最高的部分,也是系统资源消耗和处理速度的瓶颈,这种实现方案能够从整体上降低系统的实现复杂度,大大提高系统运行效率。3.设计并实现了适合于大规模低频射电阵列的宽带多波束DBF系统硬件平台。该硬件平台针对宽带多波束DBF算法,具有流水操作和并行运算等特点。采用了模块化的设计方式,在硬件设计上具有多阵列通道和多波束的扩展能力;在软件设计上具有较好的可兼容性和可升级性,可以分别实现本文提出的两种宽带多波束DBF设计方案。硬件平台以Xilinx公司的Virtex-5系列大容量现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）和Intersil公司的500MSPS采样率高性能模数转换器（Analog Digital Converter,ADC）作为基本模块的核心器件,可以提供宽带高速的处理能力,很好的满足了大规模低频射电阵列的海量数据、宽带、多波束、实时处理的需求。