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硕士论文 分块并行d b f 算法及其实现 摘要 随着信号处理技术的发展，自适应数字波束形成技术在雷达和通信等军用、民用领 域中有着广阔的发展前景。采用自适应数字波束形成技术的雷达具有自适应对抗有源干 扰的能力。本文进行了分块并行的数字波束形成算法的硬件实现工作，主要工作包括以 下几个方面： 1 ) 针对d b f 算法运算量大，以及实时性很高的特点，并结合f p g a 和p o w e r p c 的各自 的特点，确定了f p g a + p o w e r p c 的d b f 处理器的硬件实现方案。 2 )由于使用f p g a 的实现d b f 算法时，数据计算的精度( 数据位宽) 有限，必须采 用数据截取的方法。使用m a t l a b 对s l c m v 的硬件实现结构进行仿真，设计了一种合理的 数据截取方案，保证硬件实现结构的合理性、正确性。 3 ) 根据s l c m v 的算法中不同部分的运算特点，将s l c m v 算法分为两部分来实现。运 算量较大、运算复杂程度较小的部分在f p g a 上采用流水线的结构实现，主要包括迭代过 程中大量的复数乘法和复数累加运算；运算量较小、运算较复杂的部分由p o w e r p c 来实 现，主要包括步长计算，约束向量等计算等。 4 ) 通过使用通用输入输出设备( g p i o ) ，r a m 控制器，r s 2 3 2 以及p o w e r p c 4 0 5 构建 p o w e r p c 硬件平台，设计了合理的f p g a 与p o w e r p c 之间的控制、应答机制，并实现它们之 间的数据传输，完成硬件系统的调试与测试。通过比较硬件输出的结果与m a t l a b 程序的 结果，证实了硬件实现的正确性。 5 ) 作为比较，编写了完全由p o w e r p c 串行实现的s l c w q 程序，将它和并行程序分别 执行，并用示波器测试它们各自的运行时间。测试表明，并行程序的运行速度是串行程 序的5 1 3 8 倍。 关键字：数字波束形成，s l c m v ，f p g a ，p o w e r p c 硕上论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a d a p t i v ed i g i t a lb e a mf o r m i n g h a sp l a y e di m p o r t a n tr o l e si nb o t hm i l i t a r ya n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha sr a d a r , c o m m u n i c a t i o n , a n ds oo n w i t ht h et e c h n o l o g yo fa d a p t i v ed i g i t a lb e a mf o r m i n g ( d b f ) ， r a d a rc a l lc a n c e la c t i v ei n t e r f e r e n c e t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h es t u d yo fd b f a l g o r i t h m s t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 ) b a s e do nt h ea d v a n t a g e so ff p g aa n dp o w e r p c ，f p g a + p o w e r p cc o n f i g u r a t i o no f d b f p r o c e s s o ri sp r o p o s e d ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ea n dl a r g ea m o u n t o fc o m p u t i n g 2 ) a st h ew i d t h so fd a t aa r el i m i t e d ，w h e nd b f a l g o r i t h mi si m p l e m e n t e do nf p g a ，a m e t h o do fd a t ac u t - o f fs h o u l dh a v e b e e nt a k e n s t r u c t u r eo fh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f s l c m v a l g o r i t h mi ss i m u l a t e d 、7 l ，i t hm a t l a b ，a n dar e a s o n a b l em e t h o do fd a t ac u t - o f fh a s b e e nf o u n d 3 ) s l c m v a l g o r i t h mi sd i v i d e di n t ot w op a r t sd e p e n d i n go ni t sf e a t u r e f i r s tp a r t i n c l u d e sa l a r g en u m b e ro fc o m p l e xm u l t i p l i c a t i o n sa n dc o m p l e xa d d i t i o n s t h i sp a r ti s i m p l e m e n t e do nf p g a s e c o n dp a r ti su s e df o rc o m p u t i n gs t e pl e n g t h 、c o n s t r a i n e d v e c t o r a n ds oo n t h i sp a r ti si m p l e m e n t e do np o w e r p c 4 0 5 4 ) ah a r d w a r ep l a t f o r mo fp o w e r p ci sb u i l t ，i n c l u d i n gp o w e r p c 4 0 5 、g e n e r a lp u r p o s e i n p u to u t p u t ( g p i o ) 、p l bb r a m i n t e r f a c ec o n t r o l l e r 、r s 2 3 2 d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n f p g aa n dp o w e r p ci sa v a i l a b l e d e b u g g i n ga n dt e s t i n go fh a r d w a r es y s t e ma r ef i n i s h e d h a r d w a r es y s t e mi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v eb yc o m p a r i n gr e s u l t so fh a r d w a r ea n dt h eo n e so f m a t l a b 5 ) c o m p a r i n gw i t hs e r i a lp r o g r a mo fs l c m va l g o r i t h mw h i c h r u n so np o w e r p c ，t h e p a r a l l e lp r o g r a mr u n s5 13 8t i m e sf a s t e r k e yw o r d ：d b f ，s l c m v ，f p g a ，p o w e r p c i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 4 包i 罕 j 。7 年月铂 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕上论文分块并行d b f 算法及其实现 1 引言 1 1 研究背景 雷达作为一种探测工具，在国民经济及国防事业中发挥着越来越重要的作用。然而， 随着技术的发展，雷达所面临的挑战也越发严峻。现代战争中，随着现在军事行动的日 益复杂以及高技术对抗水平的不断提高，雷达的目标环境和电磁环境越来越复杂、越来 越恶劣，雷达面临抗电子干扰、抗隐身目标、抗反辐射导弹以及抗低空突防的“四抗 难题。数字波束形成( d i g i t a lb e a mf o r m i n g ，d b f ) 的突破，为解决这些难题开辟了 前景。数字波束形成技术的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线。自 适应阵列天线的概念由v a na t t a 在1 9 5 9 年提出来，到目前已经经历了四十多年的发展， 形成了一整套完整的理论体系。自适应波束形成技术当前仍在发展中，有许多方面的工 作正在卓有成效的开展着。如将超分辨空间谱估计技术用于自适应阵处理、部分自适应 技术、使用一些现代信号处理方法( 如盲信号处理、高阶累积量、遗传算法等) 来研究 波束自适应形成。特别值得一提的是，欧洲通信委员会( c e c ) 准备在a c t s ( a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e s ) 计划中继续进行第二阶段智能天线的研究。 早年的模拟波束形成技术，在多波束网络确定之后，波束形状、相邻波束的相交电 平和波束指向等便固定了，不易改动。特别是当要形成的波束数目很多时，硬件将变得 很复杂，也难以测试和调整，要形成低副瓣的多个接收波束将更为困难。随着电子计算 机、大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，采用数字处理方法形成雷达接收波束 成为可能，这就是所谓的数字波束形成( d b f ) 技术。数字波束形成技术能充分利用阵列 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 波束的扫描、目标的跟踪以及空间干扰信号的零陷，能够很好的解决模拟波束形成技术 中面临的难题。在波束形成前，各馈源独立输出的数字信息存储在储存器中，可以多次 重复使用，而不会降低信噪比。数字形成波束的数量和形状可以用数字波束形成计算的 权值和相位进行调整。雷达系统因数字波束形成技术的应用，自适应和抗干扰能力得到 大大加强，从而使雷达满足日益提高的战场需求。数字波束形成技术在新一代的三坐标 雷达和空间监控相控阵中得到应用n 羽。数字波束形成技术在通信中也将得到广泛应用： 在第三代移动通信的标准建议中，几乎都附有一条：如果有可能，本建议将采用智能天 线技术髓1 。 d b f 技术、共形阵列技术以及智能蒙皮技术是相控阵雷达发展的三项重要技术，而 这其中的后两项技术的发展是以d b f 技术为基础的。由此可见，d b f 技术在相控阵雷达发 展中的重要性。 i 引言 硕士论文 1 2 国内外研究现状 随着信号处理理论的发展和d b f 各项组件研发的日趋成熟，d b f 技术的研究进入到关 键的实验和实用研究阶段。从国外上世纪8 0 年代的报道来看，许多国家都在进行d b f 实 验系统的研制。 现有最早的d b f 实验系统是8 0 年代初德国的e l r a 相控阵雷达h 5 剐，该雷达工作于s 波段，采用收发分离的圆形稀布阵列，其中接收阵有7 6 8 个阵元，划分为4 8 个子阵，每 个子阵有1 6 个阵元，主阵面由移相器来控制波束扫描，在子阵级通过数字加权来形成接 收波束，是一种典型的相控d b f 系统。该实验系统自建成以来，为德国在自适应d b f 雷达 系统方面积累了丰富的经验。 英国也很早就对d b f 系统进行了研究。m e s a r 雷达是英国防御评估与研究局与西门 子普莱赛系统公司和罗克马诺尔研究有限公司合作开发的。该雷达可同时跟踪多达 5 0 个目标( 单面阵) 并能有效地对付任何饱和攻击和严重的电子干扰。m e s a r 雷达的第一 个阶段的研制从1 9 8 2 年6 月开始，它的阵列是由1 5 6 个砷化嫁发射接收模块( 每单元最大 发射功率为2 w ) 构成，同时发展了实时自适应波束形成技术，通过估算协方差矩阵来计 算自适应加权系数( 即采样矩阵转置s a m p l em a t r i xi n v e r s i o n 算法) 。根据1 6 个通道输 出“快拍 所得的采样来推导协方差矩阵，算出加权系数，就获得了有1 5 个自由度的部 分自适应阵列，并有很强的自适应零控能力。从1 9 8 9 年开始进入研究的第二阶段，主要 研究控制硬件和开发软件系统并在软件系统的实时控制下验证雷达的监视和跟踪功能。 这些软件已于1 9 9 2 年完成，并对整个系统进行了功能性试验。1 9 9 3 年，整个系统还进行 了抗干扰试验哺，。 在日本，近年来关于d b f 技术的研制和开发工作十分活跃，已成功研制出了d b f 雷达， 并掌握了有关的关键技术：相位检测技术、多波束形成技术、自适应d b f 技术。八十年代 末由r 本三菱电机公司成功推出了0 p s - 2 4 舰载有源相控阵雷达，它采用固态有源发射 接收模块。在雷达的单阵面上形成全分布式功率发射源，一个发射接收模块向一组辐射 单元馈电；单阵面有源阵列共由3 0 0 个发射接收模块组成。o p s 一2 4 的主要特点是采用了 动目标显示技术和有源相控阵所固有的数字波束形成技术，提高了雷达的探测性能和抗 电子干扰性能阻1 。 美国r a y t h e o n 公司为美国海军所研制的r o t h r 可重新部署超视距雷达也采用数字波 束形成技术。该雷达主要用于对飞机和舰只进行广域超视距监视，系统可根据需要进行 整个覆盖区域的监视和特定区域的聚束式探测，或估计进攻飞机的数目。r o t h r 可重新 部署超视距雷达由接收站、发射站和操作控制中心三个单元组成，是一个双基地雷达系 统。接收站和发射站可以分别设置在相距1 0 0 l 【i i l 以上的地方n 们。 s m a r t 搜索和目标指示雷达以及m w 0 8 舰载雷达都是由荷兰s i g n a a l 公司研制生产的 2 硕士论文分块并行d b f 算法及其实现 采用了数字波束形成技术的雷达系统。s m a r t 是一部全天候舰载三坐标雷达，能够实现 多波束接收，超低旁瓣，宽频带发射并有三种发射方式：固定频率、扫描过程中频率捷 变和脉间频率跳变。首先在该雷达天线阵元内自动完成接收信号的预处理，以确保高灵 敏度，然后把接收机的输出馈入到数字波束形成器，以产生1 2 个独立的仰角波束。数字 波束形成的零陷，大大增强了雷达抗干扰能力n 。m w 0 8 雷达是一部g 波段三坐标中近程 对空和对海目标截获与跟踪雷达，能够同时跟踪1 6 0 个空中目标和4 0 个海面目标。由于 具有采用快速傅里叶变换( f f t ) 的数字波束形成器，并进行多普勒处理和跟踪，因而有 很低的副瓣，其杂波和干扰的影响被降至最小n 0 1 。 在我国，有关d b f 的研究工作也受到了重视，并相继取得了一定的成果，例如，3 8 所2 0 0 0 年9 月研制成功8 单元一维收发全数字波束形成试验系统，2 0 0 4 年，该所完成了6 4 个单元的两维数字阵列雷达演示验证系统的研制，2 0 0 5 年，该所完成了5 1 2 个单元的数字 阵列雷达演示验证系统研制，系统作用距离大于1 0 0k m 口1 。另外，1 4 所、国防科技大学、 西安电子科技大学、成都电子科技大学、南京理工大学等机构院校也在进行d b f 的研究。 国内外对d b f 技术已进行了大量的研究工作，但主要集中在接收系统，而对发射d b f 技术的研究相对较少。这一方面是由于接收d b f 已能实现许多新的重要功能，并能显著 提高雷达的“四抗 能力和其它战术能力；另一方面则是由于发射d b f 的实现难度较大。 1 3 本文的主要工作 本文进行了分块并行l c m v 算法的硬件实现工作，工作主要包括以下几个方面： 1 ) 针对d b f 算法运算量大，以及实时性很高的特点，并结合f p g a 和p o w e r p c 的各自 的特点，确定了f p g a + p o w e r p c 的d b f 处理器的硬件实现方案。 2 )由于使用f p g a 的实现d b f 算法时，数据计算的精度( 数据位宽) 有限，必须采 用数据截取的方法。使用m a t l a b 对s l c m v 的硬件实现结构进行仿真，设计了一种合理的 数据截取方案，保证硬件实现结构的合理性、正确性。 3 ) 根据s l c m v 的算法中不同部分的运算特点，将s l c m v 算法分为两部分来实现。运 算量较大、运算复杂程度较小的部分在f p g a 上采用流水线的结构实现，主要包括迭代过 程中大量的复数乘法和复数累加运算；运算量较小、运算较复杂的部分由p o w e r p c 来实 现，主要包括步长计算，约束向量等计算等。 4 ) 通过使用通用输入输出设备( g p i o ) ，r a m 控制器，r s 2 3 2 以及p o w e r p c 4 0 5 构建 p o w e r p c 硬件平台，设计了合理的f p g a 与p o w e r p c 之间的控制、应答机制，并实现它们之 间的数据传输，完成硬件系统的调试与测试。通过比较硬件输出的结果与m a t l a b 程序的 结果，证实了硬件实现的正确性。 5 ) 作为比较，编写了完全由p o w e r p c 串行实现的s l c m 、程序，将它和并行程序分别 l 引言 硕士论文 执行，并用示波器测试它们各自的运行时间。测试表明，并行程序的运行速度是串行程 序的5 1 3 8 倍。 1 4 本文的结构和内容安排 全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章为引言，简要介绍了本文的研究背景及国内外的研究现状，并对本文的内容 进行了安排和规划。 第二章概述了数字波束形成技术的基本原理、优越性，并结合项目简单介绍了数字 波束形成系统。 第三章简单介绍了数字波束形成技术常用到的算法，并介绍了本文要实现的s l c m v 算法。 第四章内容为基于s l c m v 算法的数字波束形成器的硬件实现。其中4 1 小节主要是 根据s l c m v 算法的特点，详细论证了f p g a + p o w e r p c 的硬件实现方案。通过对s l c m v 算法的分析，并依据f p g a 和p o w e r p c 各自的优势，给它们分配不同的运算任务。p o w e r p c 硬核主要承担三角函数和复杂矩阵运算的部分。f p g a 主要完成大量的复数乘法和复数 加法运算，以及循环迭代控制程序。4 2 小节主要是s l c m v 算法f p g a 部分的实现。根 据算法设计并实现了经过优化后的流水线的处理结构，该结构能够很高效的利用f p g a 内部的硬件资源。4 3 小节是s l c m v 算法p o w e r p c 部分的实现，主要包括在e d k 环境下， 构建了p o w e r p c 的处理平台，编写了s l c m v 算法程序以及相应的控制程序。4 3 小节设 计了p o w e r p c 与v h d l 程序之间的控制和应答机制，实现了v h d l 程序与之间的数据通信。 第五章主要包括三部分。第一部分为硬件实现结构的m a t l a b 仿真。由于f p g a 乘法 器是定点的且乘法器的位宽不可能做到很宽，所以要对整个流水线结构的数据进行截 位，设计了一种合理了截位方法，并用m a t l a b 程序对此进行仿真。第二部分为硬件调 试。在完成硬件平台的构建后，设计调试方案，进行系统的调试。第三部分为测试程序 的运行时间，并将它与非并行的程序进行比较，可以看出，并行程序有巨大的速度优势。 第六章是结束语，总结了论文的全部工作。 4 硕上论文分块并行d b f 算法及其实现 2 数字波束形成技术 2 1 数字波束形成的基本原理【1 刁 数字波束形成与空域自适应滤波、智能天线、自适应阵列、自适应天线等名称基本 等价。自适应数字波束形成是指能够根据环境的情况，自适应的调整参数以实现最佳处 理，即具有一定程度的智能化，而与传统的参数固定的天线有本质的不同n 驯。 数字波束形成技术是在天线技术中引入的先进的数字信号处理方法。d b f 处理器对 阵元接收的信号进行加权求和处理形成天线波束，主波束对准用户期望方向，而将波束 零点对准干扰方向。d b f 的天线阵具有同时形成多个独立波束的能力，可以充分利用天 线口径上接收到的能量，一个波束相当于一个随时工作于最佳状态的天线，因此独立可 控的多个波束，实际上发挥了多部雷达的作用。d b f 天线阵还可通过自适应波束形成技 术抑制干扰源的影响，使系统具有强的抗干扰能力。 图2 1 是一维直线型天线阵列，接收天线一共有n 个阵元，各个阵元之间均匀分布且 各向同性，相邻两个阵元间距为d 。各个阵元的加权因子( 权重系数) 分别为彬，暇，眠。 信号为窄带信号，入射波长为九。信号的入射方向与天线阵列的法线方向构成的夹角为 0 ，天线阵列接收的信号经过加权处理后，输出到后面进行信号处理。对于发射天线， 信号的流向相反，原理相似，所以就以接收天线为例进行分析。 图2 1 d b f 原理框图 2 数7 - 波束形成技术 硕士论文 当天线接收的信号相对于法线有个0 的入射角时，会造成天线的各个阵元接收的信 号之间有一个相位差，图中第一个阵元接收到的信号会比第二个阵元接收到的信号在相 位上延迟2 _ e d 母s i n 0 。 九 对于均匀直线阵，其方向性矢量为： v = 1 ，p _ - d s i n o ，铲j 等( 删s n 。】 加权后天线阵列的输出为： y ( t ) = w r x ( t ) 此时，均匀直线阵的方向函数表达式为： 厂( 。) = 嵋+ p 歹等d s i n o + + g j 等( - 1 ) 心n 。 = 嵋+ p 邝( o ) + + p ，( 一1 ) p ( o ) = w k e 人扣d 瞰o = = w r b 其中，p ( e ) = 芸d s i n o ，w = ，w 2 9 ooo ，】1 ，b = 1 ，p 删0 1 ，p - 1 9 】7 从上面的公式可以看出相邻阵元接收到信号的相位差的大小与入射信号的角度有 直接关系，d b f 技术就是利用这一特点，在对信号进行数字化之后，对期望方向上的信 号进行相位补偿，使得天线的各个阵元的信号能够同向相加，从而加强期望信号；对干 扰方向上的信号，进行相位的补偿后，使得天线的各个阵元的信号能够相互抵消，从而 削弱甚至去除干扰信号对期望信号的影响。 2 2 数字波束形成的优越性 阵列天线的方向图= 阵元的方向图阵因子，表示成数学公式为： g ( 。，( p ) = f ( 。，叩) f ( e ，( p ) ( 2 4 ) 当阵元的单元方向图、阵元间距、阵元数目固定好后，改变阵因子，( e ，q ) 中的权 重系数矿的幅度和相位，就可达到改变阵列天线的形状和指向。 根据波束形成的实现方式的不同，一般分为模拟波束形成( a n a l o g o u sb e a m f o r m i n g ) 和数字波束形成( d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) 。 早在数字波束形成技术出现之前，先出现的是模拟波束形成，这种技术一般是在射 6 ) ) ) 1 2 3 2 2 2 ( ( ( 硕士论文分块并行d b f 算法及其实现 频或中频( r f i f ) 部分实现对模拟信号进行波束形成。利用模拟波束形成技术进行多 个用户的波束形成时，每个阵元的权重系数的设定是通过固定的硬件结构来实现的，最 常用的多波束形成矩阵b u t l e r 矩阵是一种较为简单有效的模拟波束形成网络倥1 。由于模 拟波束形成各通道的一致性不理想，所以导致模拟波束形成能够实现的精度不高n 钔。 近十几年来，数字波束形成技术作为一种新的雷达技术逐渐发展了起来，这种技术 强有力的提高了雷达系统的天线性能。现在和将来的雷达系统将越来越充分的利用天线 接收到所有信息，所以对天线的性能要求也将越来越高，而数字波束形成技术将能很好 的满足这一要求。由于数字波束形成的权重系数是由软件计算出来的，所以它具有很高 的灵活性和可扩展性，具有较高的精度。 数字波束形成有时被看作是“最佳天线 或“极限天线 ，因为天线的所有信息都 被捕捉下来，转换成数字信号。数字波束形成的优点主要体现在以下几方面： 1 从理论上而言，数字波束形成可以实现任意算法； 2 数字波束形成是在硬件平台上通过编程实现的，很容易进行扩展，灵活性很高； 3 数字波束形成可以充分利用天线阵接收的所有信息优化系统性能； 4 数字波束形成系统能够实时地实现阵列单元方向图的校准和超低副瓣，可获得 超分辨率： 5 数字波束形成可以在不降低信噪比的条件下，产生多个高增益波束，使系统可 以同时跟踪多个目标； 2 3 雷达数字波束形成处理系统 2 3 1d b f 雷达系统组成 d b f 技术在雷达的发射模式和接收模式下都可以应用。图2 2 所示为数字波束形成接 收阵系统的基本组成。d b f 接收阵的组成主要包括：天线单元、通道接收机、a d 变换及 数字下变频、d b f 处理器等部分，具体如图2 2 所示n 副。 其中天线单元将到达阵元的信号接收下来( 模拟信号) ，然后出传送到通道接收机。 通道接收机通过射频混频、滤波、放大后，得到中高频信号，然后再经过中频混频、滤 波、放大后，得到中频信号，中心频率为3 0 m h z 。将此中频信号送至i j a d 变换器进行模数 变换后，将数字化的数据送到数字下变频芯片中，进行数字混频、内插、滤波、抽取。 完成数字下变频后，输出数字基带信号。这些基带的数字信号就可以送到后面的d b f 处 理平台，进行权重系数的计算，并实现数字波束形成。 7 2 数字波束形成技术 硕上论文 阵元1阵元2阵元| n 。1阵元n 图2 2d b f 接收阵的组成 数字的基带信号是通过光纤传送至i j d b f 处理平台，d b f 信号处理平台主要分为两大部 分：权系数计算和波束形成。波束形成后的数据通过光纤传输给后面的系统，进行目标 的检测。具体结构如图2 3 所示： 8 天 线 阵 列 彳光纤v 彳光纤人 波束形成 弋8 “j 目标检测 i 、q矿 习 a d i 及 i 数 权系对k 据d n i 字 i l 下 f i 变信 习 频 权重系数计算 号 处 i 理 平 厶 口 图2 3d b f 处理系统 硕士论文分块并行d b f 算法及其实现 图2 3 中，d b f 处理平台接收到数字下变频芯片送来的i q 两路数字基带信号后，立 即将这些数据传送到权重计算部分，权重计算部分的程序是根据相应的自适应权重计算 算法而编写的，程序得至u i q 两路数字信号后，就可以进行循环的迭代计算，最终计算 出满足要求的权重系数。这些权重系数又被送：至i j d b f 处理平台的波束形成部分，对天线 的阵元接收信号进行权重处理，得到各个天线波束的输出信号，最终实现波束扫描和自 适应干扰抑制。 2 3 2d b f 信号处理平台 d b f 信号处理平台由v p x 机箱，d b f 预处理模块、通用信号处理模块组成。d b f 预处理 模块用于光纤数据接入，完成超高速实时运算，以形成波束的“部分和 或“全部和 。 也可以通过f p g a 的设计完成高速信号处理的滤波、检测等处理。通用信号处理模块主要 完成d b f 权系数的计算。d b f 预处理模块和通用信号处理模块都是按照v p x 标准进行设计 的。 d b f 信号处理平台包括3 个d b f 预处理模块和1 个通用信号处理模块。4 个模块插在一 个5 槽的v p x 机箱中，v p x 机箱底板的p l 接口的网络拓扑关系结构可以保证任意两个模块 都能够进行数据传输。 图2 4 任意两个模块之间都能进行数据传输 图2 5p 1 口的网络拓扑结构 d b f 预处理模块： d b f 预处理模块基于f m c 标准进行板卡设计。板卡上包括两个f m c 插座，通过插上不 同的f m c 子卡，来实现不同类型的信号输入，这样设计大大增加了模块的通用性和灵活 性。d b f 预处理模块的板卡上主要的构成包括两片高性能的f p g a - x c s v s x 2 4 0 t ，f m c 子卡， p o w e r p c 8 6 4 0 d ，以及r a p i d i os w i t c h 。 9 2 数字波束形成技术 硕士论文 图2 6d b f 预处理模块 通用信号处理模块： 通用信号处理模块主要完成d b f 权系数的计算。板卡上主要包含4 片8 6 4 1 dp o w e r p c ， 每片8 6 4 1 d 之间通过4r a p i d i o 与r a p i ds w i t c h 连接，r a p i ds w i t c h 弓i 出4 组x4r a p i d i o 连接到p 1 口，用于板间数据通信。 1 0 图2 7 通用信号处理模块 硕上论文分块并行d b f 算法及其实现 3 自适应数字波束形成算法 3 1 经典算法n 3 m 6 1 常用的自适应波束形成算法有最小均方算法( l m s ) ，样本相关矩阵直接求逆法 ( s m i ) ，递归最小二乘算法( r l s ) 等，下面分别简单介绍： 1 最小均方算法( l m s ) 最小均方算法是应用最广的一种波束形成算法，它是在己知期望信号的参考信号d 的条件下，利用随机梯度法最小化误差p ( 七) ： e ( k ) = d w7 ( 后) x ( 后) ( 3 1 ) 从而得到权向量的迭代公式： g ( k + 1 ) = 形( 足) + “x ( 足) p ( 后) ( 3 2 ) 其中，p 为步长因子，它决定了算法的收敛速度。最小均方算法的收敛性态取决于 相关矩阵灭的特征结构，当其特征值散布很大时，算法收敛速度较慢。 2 样本相关矩阵直接求逆方法( s m i ) 样本相关矩阵直接求逆的算法是利用某一段时间内的接收数据构造对相关矩阵r 的估计r ，即 r = x ( k ) x h ( 尼) ( 3 3 ) k = t ，1 通过接收数据和参考信号形成互相关矩阵，的估计： = d ( 后) x ( 尼) ( 3 4 ) z 一 、7 k = n i 从而得到最佳权向量的估计： 一i w = r ，( 3 5 ) 自相关和互相关矩阵的估计是基于最大似然原理的，它给出了最小方差的无偏估 计。样本相关矩阵直接求逆的算法是分块迭代的，即在一段时间内，接收数据保持不变， 每隔一定的时间，更新接收数据块，故称分块迭代。虽然从理论上讲，样本相关矩阵直 接求逆的算法比最小均方算法的收敛速度快，但是其最大的缺点是运算量大，计算复杂 度高n 8 1 。 3 递归最小二乘算法( r l s ) 在样本相关矩阵直接求逆算法中，如果采用递归方法估计相关矩阵足和互相关矩阵 1 1 3 自适应数宁波束形成算法 硕士论文 ，就形成了递归最小二乘算法n 引，其权向量的递归迭代公式为： 1 l w ( n ) = 缈( 万一1 ) + g ( 聆) id ( 聆) 一w ( r l - o x ( n ) i ( 3 6 ) lj 其中，增益向量g ( ，z ) 为： 咖，= 青蔫 7 ， 其中的o 0 ，这样做的目的是给产生一个高电平信号。s t a r t 信号是连接到 v h d l 程序的，当v h d l 程序接收到这一个高电平信号，v h d l 程序就将寄存器中保存的上一 轮的数据进行清零等操作，然后就是进行新一轮的迭代操作。而与此同时，p o w e r p c 程 序也在接收p c 机发送来的数据，然后计算，用作下一轮迭代的数据。v h d l 程序和p o w e r p c 程序相互配合，同时进行的。 4 4p o w e r p c 与f p g a 之间的数据通信的实现m 1 p o w e r p c 4 0 5 本身要与外界进行数据交换就要通过p l b ( p r o c e s s o rl o c a lb u s ) 总线。 p o w e r p c 4 0 5 与f p g a 进行数据传输就要通过在挂在p l b 总线上的诸多外围设备来实现。e d k 软件提供的外围设备非常丰富，包括r s 2 3 2 、g p i o ( g e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t ) 、 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外设组件互连) 、t i m e r ( 定时器) 等等。这 些外围设备的使用很方便，在使用s d k 软件创建p o w e r p c 的硬件平台时，将需要使用到的 外围设备也添加进去，然后将这些设备的信号线连接至u p l b 总线上，给它们分配好各自 的地址空间，设置好这些外围设备的相关属性，生成硬件平台就可以了。 本设计中要使用到的外围设备是r s 2 3 2 、g p i o 、p l bb r a mi n t e r f a c ec o n t r o l l e r 。 r s 2 3 2 是用来与p c 机传输数据的串口设备，g p i o 是用来与f p g a 进行控制信号和数据信号 的传输的，由于p o w e r p c 与f p g a 有很多信号需要传输，所以本设计一共使用了2 个g p i o # b 设。p l bb r a mi n t e r f a c ec o n t r o l l e r 一端连接在p l b 总线上，另一端的控制线、地址线、 硕j 论z分块并行d b f 算法厦其窑观 数据线直接连接到f p g a 程序的r a m 上，通过它可以将p o w e r p c 计算好的数据直接输出到 f p g a 的r a m 中，相反也m 嗍f p g a 的r a m 中读出数据到p o w e r p c 中。本设计巾需要对3 块的 r a m 进行读写操作，所以使用y 3 个p l bb r a mi n t e r f a c ec o n t r o l l e t ，彼l t z l , * l r l 不干 扰。本设计的p o w e r p c t 厦什平台生成后，e d k 软件自动生成酐j p o w e r p c 硬件平台的结构图 如下所不： - _ 黪霉! 墨：z 拦i 2 j ! 黑岂 一童固 匣日 曲 胪墨! 二：? 岍 圈一1 砷一、： s l r b o r h l 一一 _ i ； 。= 鲁? 饶。z 譬盘，”6 i 等? 船l j abci il- 一 图41 6p o w e r p c 硬件平台结构图 r 图中p p c 4 0 5 就是处理器，它内部包含了d s o c m 、i s o c m 、j t a g 、d p l b 、i p l b ，分别 是数据o c d 控制器、指令o e m 控制器、调试接口、p l b 总线。 ( 】c m 控制器既能提供6 d 位的指令b r a m ( i s b r a m ) 的接口，又能提供3 2 位的数掘b r a m ( d s b r a m ) 的接i 】，虽多能寻址1 6 m 的d s b r a m 和1 g m 的i s b r a m 。o c m 控制器的最大优点足能够 保持一个固定的执行时延保证了处理器获得指令与操作的连续性。在处理器的左右两 侧备连接了一个b r a m 模块，左边的足d s o c m b r a m ，是数据空间，右边的是ls o c mb r a m ，是 固 堇；1_ l i ： 信i 4 分块并行的白适应l c m v 算法的硬件实现 硕上论文 指令空间。 处理器的p l b 总线上一共有四个器件：3 个p l b _ b r a m i f c n t r l 和p l b 2 0 p b _ b r i d g e 。3 个p l b b r a m i f c n t r l 器件分别与v h d l 程序中的3 个r a m 相连。p l b 2 0 p b _ b r i d g e 是p l b 总线 转成o p b 总线的桥接器件。由于软件免费提供的可使用的r s 2 3 2 的接口是o p b 的( p l b 接口 的r s 2 3 2 是需要付费购买的) ，所以要连接至i j p l b 总线上就需要使用这样的转换器件。p l b 总线是p o w e r p c 4 0 5 独有的总线，它有如下的特点： 1 具有3 2 位地址总线，寻址空间达4 g ； 2 具有6 4 位数据总线，支持3 2 6 4 位主从操作； 3 支持4 级动态请求，仲裁时间小于3 个时钟周期； 4 自带看门狗计时器。 上图中o p b 总线上又一共连接了三个器件：2 1 g p i o 和一个r s 2 3 2 。r s 2 3 2 用作与p c 机 相连，g p i o 与v h d l 的信号线相连。 p l b 总线的效率要比0 p b 总线的效率高，所以较大吞吐量的外设就需要连接至u p l b 总 线上，本设计中的3 个p l b b r a m i f c n t r l 要求对r a m 反复读取很多数据，故连接在p l b 总 线上。r s 2 3 2 本身就属于低速器件，故连接在o p b 总线上。而2 个g p i o 器件由于主要用作 控制，速度要求不高，所以也连接在o p b 总线上。p o w e r p c 硬件平台各设备的参数如表4 3 所示： 表4 3p o w e r p c 硬件平台各设备的参数 设备名称基地址高地址地址空间连接总线 ( b a s ea d d r e s s ) ( h i g ha d d r e s s ) ( s i z e )( b u sc o n n e c t i o n ) r s 2 3 2o x 4 0 6 0 0 0 0 0o x 4 0 6 0 f f f f6 4 ko p b p l b b r a m i f c n t l r 1 0 x 0 0 0 0 0 0 0 00 x 0 0 0 0 3 f f f1 6 kp l b p lb b r a m if c n tl r 2 o x 0 0 0 0 c 0 0 0o x o o o o f f f f 1 6 kp l b p l b b r a m i f c n t l r 3 0 x 0 0 0 0 8 0 0 00 x 0 0 0 0 bf f f 1 6 kp l b g p i o0 x 4 0 0 0 0 0 0 00 x 4 0 0 0 f f f f6 4 ko p b g p i o1o x 4 0 0 2 0 0 0 00 x 4 0 0 2f f f f6 4 ko p b d o c mc n t i ro x 2 1 8 0 0 0 0 0o x 2 1 8 0 7 f f f3 2 kd o c m i o c mc n t i r0 x f f f f 8 0 0 0q x t _ t 王t t i3 2 k1 0 c m p l b 2 0 p b o x 4 0 0 0 0 0 0 00 x 7f f f f f f f1 gp l b 所有的这些外围器件与处理器一起构成一个p o w e r p c 的硬件平台，p o w e r p c 通过这些 外围器件连接到p c 机和v h d l 程序的相应部分，从而建立一个数据传输的通道。这个 p o w e r p c 硬件平台与f p g a 、p c 机一起构成了本设计的整个硬件平台，该硬件平台的示意 图如下所示： 3 8 硕十论文分块并行d b f 算法及其实现 图4 1 7 整个硬件平台 4 4 1g e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t g p l 0 ( g e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t ) 是一个连接在0 p b 总线上的3 2 b i t 外设。每个 g p l 0 所需要的逻辑资源很少，如下表所示： 表4 4g p i o 使用的f p g a 资源 m i nm a x s l i c e s 2 21 0 4 l u t 客84 9 f f s3 119 3 b l o c kr a m so0 表中：m i n 、m a x 分别表示g p l 0 位宽为最小值( 1 ) 、最大值( 3 2 ) 时所占用的资源。 g p l 0 的结构并不复杂，其结构图如下所示： g p i o _ t r i o 图4 1 8g p l 0