基于FPGA和ADSP的数字波束形成技术的工程实现

=Fra Baidu bibliotek
·e N - 1
A
-
j
2πdi λ
sinθ
(3)
i=0
i=0
其中θ即为所要形成波束的指向角 , d 为阵元间距 。
如果以天线阵列的中心为零点 ,则上下各 N/ 2 阵元成
对称关系 , 对于式 (3)
中的波束形成系数
e-
j
2πdi λ
sinθ
则以天
线的中心阵列成共扼关系 。为了简化 FP GA 中乘法器的
2. 2 工作过程
数字波束形成器由 3 片 FP GA 和 1 片 ADSP221060
器件来实现功能 ,其中 FP GA 器件主要完成输入输出数据
的缓存以及大量的乘法累加运算并产生或传输所需的各
种时序和控制信号 ,ADSP221060 器件主要完成所需各种
系数的实时计算 。下面分别加以具体说明 。
块 、接收校正网络 、复数乘法累加器 、地址和控制信号产生
模块以及输出 FIFO 等几个模块实现 。多路中频回波 I ,Q
信号进入 FP GA 器件后首先进入双口 RAM 暂存 ,若当前
工作在接收校正模式 , 则 ADSP221060 器件会从此双口
RAM 中读取数据以计算接收校正系数 ,若工作在正常模
0 个硬件乘法单元 ,占用 103 kb 片内存储空间 ,占用逻辑
资源 7 599 les 。由以上具体数据可见 , 对于 FP GA1 和
FP GA2 芯片 ,因为需要做大量的乘法累加运算 ,芯片的硬
件乘法单元已全部占用 ,但片内存储空间只占用了 32 % ,
逻辑单元最多也只占用了不到 30 %。
《现代电子技术》2008 年第 7 期总第 270 期
通信与信息技术
基于 FPGA 和 ADSP 的数字波束形成技术的工程实现
王雨阳
(中国电子科技集团公司 第 38 研究所 安徽 合肥 230031)
摘 要 :数字波束形成技术是天线波束形成原理与数字信号处理技术相结合的产物 ,广泛应用于阵列信号处理领域 。 介绍了数字波束形成器的基本原理和组成结构 ,提出了一种基于 FP GA 和 ADSP 器件的数字波束形成器的的实现结构 ,并 结合一则工程实例描述其具体工作过程 。
式 ,则 FP GA 会自己产生地址和控制信号 ,将此双口 RAM
中的数据读出进入接收校正网络 ,同时进入此网络的还有
ADSP221060 器件计算出的接收校正系数 ,在这个网络中
完成接收通道的校正后数据进入主乘法器 ,即复数乘法累
加器 ,这一步运算需要用到波束形成系数 ,这个系数仍然
是由 ADSP221060 器件实时计算出并放在 FP GA 中相应
1 数字波束形成系统的基本结构
采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波 束 ,阵列天线阵元的方向图是全方向的 ,阵列的输出经过 加权求和后 ,将阵列接收的方向增益聚集在一个方向上 , 相当于形成了一个波束 ,这就是数字波束形成的物理意
收稿日期 :2007209205
图 1 数字波束形成器原理框图 本文选用 Altera 公司的 STRA TIX 器件 ,及其仿真软 件 Quart us Ⅱ4. 1 ,运用 V HDL 语言与 Altera 的 megaf un2
WAN G Yuyang
(No. 38t h Research Instit ute ,China Elect ronic Technology Group Co rpo ration , Hefei ,230031 ,China)
Abstract :Digital Beam Forming (DB F) is a kind of technology t hat combines t he p rinciple of antenna beam forming and digital signal p rocessing . It is widely used in t he field of array signal p rocessing. The p rinciple of DB F and it s fo rming st ruc2 t ure is described in t his paper. An application st ruct ure of DB F based o n FP GA and ADSP221060 is also p ut forward and it s wo rking p rocess is described in detail wit h an engineering illust ration.
义 。数字波束形成器一般由两个主要部分组成 ,一部分是 以数字信号处理器和自适应算法为核心的最优 ( 次优) 权 值产生网络 ,另一部分是以动态自适应加权网络构成的自 适应波束形成网络 。波束形成算法是波束形成的核心和 理论基础 ,他通过接收的信号和一些先验知识计算出加权 因子 ,然后再对输入的信号在波束形成网络中进行加权处 理完成波束形成 。
运算量 ,可以将式 (3) 中的波束形成系数变换为 :
w i ( t)
=
e , i -
j
2πd (
i- N2+1) λ
sinθ
= 1 ,2 , …, N
(4)
这样可以利用波束形成系数的共扼关系 ,将原本占一
半数据量的复数乘法运算变为加减运算 ,大大降低了乘法
器的使用量 。
FP GA1 和 FP GA2 器件基本功能相同 ,他由存储器模
Keywords :digital beam forming ; FP GA ;ADSP221060 ;array signal p rocessing
数字波束形成技术充分利用阵列天线所获取的空间 信息 ,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低副瓣的 性能 ,实现了波束的扫描 、目标的跟踪以及空间干扰信号 的零陷 ,因而数字波束形成技术在雷达信号处理 、通信信 号处理以及电子对抗系统中得到了广泛的应用 。数字波 束形成是把阵列天线输出的信号进行 AD 采样数字化后 送到数字波束形成器的处理单元 ,完成对各路信号的复加 权处理 ,形成所需的波束信号 。只要信号处理的速度足够 快 ,就可以产生不同指向的波束 。由于数字波束形成一般 是通过 DSP 或 FP GA 用软件实现的 ,所以具有很高的灵 活性和可扩展性 。本文主要介绍了一个自适应波束形成 器的原理及其实现方法 ,结合当今最先进的可编程芯片 , 包括数字信号处理器 (DSP) ,现场可编程逻辑门阵列 ( FP2 GA) 实现了数字波束形成 ,适用于如 3 坐标雷达系统等复 杂阵列信号处理系统 。其研制成果已应用在多部相控阵 雷达中 ,缩小了我国在这个领域与其他国家之间的差距 , 具有重要的经济意义和军事意义 。
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军事通信
王雨阳 :基于 FP GA 和 ADSP 的数字波束形成技术的工程实现
citions 模块化函数库相结合编程设计来实现数字多波束 形成器 。文中举例所用的天线阵为 N 阵元等距线阵 ,在 数字波束形成部分要实现十路数字波束形成 。
的双口 RAM 里 ,通过地址和控制信号产生模块可以将从
双口 RAM 中读出的数据和接收校正网络输出的数据在
乘法累加器前级进行路数和距离单元的对齐 。复数乘法
累加器的输出最后进入 FIFO 在时间和距离上进行重排 ,
最终输出到 FP GA3 。FP GA1/ FP GA2 器件的功能框图如
图 3 所示 。
2. 2. 1 FP GA 的工作过程
假定接收通道的输入信号为 :
xc i ( t)
=
e ac - jφci i
(1)
理想情况下经过接收通道校正后的输入信号为 :
xc i ( t) = Ae - j0
(2)
数字波束形成需要进行的乘法累加运算为 :
∑ ∑ Y
=
N- 1
xci ( t) ·w i ( t)
对于 FP GA3 器件 ,主要完成控制 、时序和数据信号的传 输 、波束乘累结果数据的合成 、副瓣对消的运算以及发射 通道校正的进数和送数等功能 。前两片 FP GA 乘累结果 进入 FP GA 给 3 后按照距离单元进行合成 ,然后进入副瓣 对消模块 。副瓣对消时由 21060 实时计算出对消系数送 进 FP GA3 的副瓣对消模块 ,同时对消通道的数据也进入 此模块与系数进行乘累操作 ,乘累结果再与合成后的波束 形成结果进行副瓣对消运算 ,结果直接输出下一级信号处 理单元 。发射通道校正时 , 发射通道的数据先进入 FP2 GA3 的 RAM 中暂存 ,由 ADSP221060 器件取出进行相应 处理 ,并将解算出的发射通道幅度和相位信息送回 FP2 GA3 对应的 RAM 中 ,再由 FP GA3 输出到相应系统进行 后续操作 。同时 FP GA3 还接收输入的控制命令 ,并将所 有控制命令分解后按不同需求分别送给 FP GA1 , FP GA2 和 ADSP221060 器件以控制所有器件的正常工作 。 2. 2. 2 ADSP 的工作过程
关键词 :数字波束形成 ; FP GA ;ADSP221060 ;阵列信号处理 中图分类号 : TN958 文献标识码 :B 文章编号 :10042373X(2008) 072033203
Engineering Realization of Digital Beam Forming Technology Based on FPGA and ADSP
图 2 基于 FP GA 和 ADSP 器件的 数字波束形成器组成框图
其中总线上的标号解释如下 : 1 :输入的多通道 A/ D 中频采样后的数字信号 ; 2 :第三片 FP GA 传输控制信号给前两片 FP GA ; 3 :前两片 FP GA 乘法 累加 运 算结 果输 出 到第 三 片 FP GA ; 4 ,5 ,6 :ADSP221060 与 FP GA 的数据总线 ; 7 :数字波束形成器的最终输出数据 ; 8 :外部输入的模式控制信号 。 为了让硬件平台具有很强的通用性 , 对于 FP GA 器 件 ,选用了 Altera 公司含有大容量片内 RAM 和硬件乘法 器的 St ratix 系列的 EP1S60 芯片 ,该芯片有 18 个硬件乘 法器模块 ,内部存储空间达到 5 215 kb ,逻辑单元数达到 了 57 120 les ,完全能满足此波束形成器的实现 ,并能利用 冗余空间放置其他运算单元和控制模块 ,基本实现了系统 的集成化模块化设计 。且此器件的运算频率完全满足需 要 ,片内 大 量的 剩余 资 源空 间 可 以 提 供 给 后 续 部 分 的 使用 。 最终 3 片 FP GA 芯片的资源占用情况分别为 : 对于 FP GA1 芯片 ,编译后的资源为占用 18 个硬件乘法单元 , 占用 1 680 kb/ s 片内存储空间 ,占用逻辑资源 16 791 les ; 对于 FP GA2 芯片 ,编译后的资源为占用 18 个硬件乘法单 元 , 占 用 1 680 kb 片 内 存 储 空 间 , 占 用 逻 辑 资 源 15 608 les ;对于 FP GA3 芯片 ,编译后的资源占用为占用 34
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《现代电子技术》2008 年第 7 期总第 270 期
通信与信息技术
图 3 FP GA1/ FP GA2 器件的功能框图
当进行多波束形成时 ,系统基本构成如图 1 所示 。阵 列天线每个阵元收到的信号经过混频 、中放和正交相位检 波 ,变为正交视频信号 I 和 Q 分量 ,再分别经由 AD 变换 器转变为数字量 I 和 Q , 将数字信号送入波束形成运算 器 ,分别与 N 组权值进行复数乘法运算 ,即得到所需的 N 个波束通道的信号 。数字波束形成运算器由 FP GA 通过 编程实现 ,主要进行权值的存储和把各路波束所需的权值 信息存储于 FP GA 内部的存储模块中 ,通过进行乘加运 算 ,来实现多波束的产生 。
2 基于 FPGA 和 ADSP 器件的数字波束形成器的实现
2. 1 硬件组成 数字波束形成器由 3 片 FP GA 和 1 片 ADSP221060
器件来实现 ,其中第一片和第二片 FP GA 完成输入接收通 道的校正以及复数乘法累加运算并最终形成十个波束 ;第 三片 FP GA 完成整个系统的的时序和模式控制并将前两 片 FP GA 运算的结果合成后输出 ,需要时副瓣对消的运算 也在这一片完成 。ADSP221060 器件主要完成接收通道校 正系数和波束形成系数的实时计算 ,需要时进行副瓣对消 系数的计算和发射通道校正运算 。系统组成框图如图 2 所示 。