基于FPGA的数字波束形成技术的工程实现
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2020-10-19
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基于基于FPGA的数字波束形成技术的工程实现的数字波束形成技术的工程实现
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
1 数字波束形成系统的基本结构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。
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FPGA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FPGA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。
本文选用Altera公司的STRATIX器件，及其仿真软件QuartusⅡ4.1，运用VHDL语言与Altera的megafun-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。
2 基于基于FPGA和和ADSP器件的数字波束形成器的实现器件的数字波束形成器的实现
2.1硬件组成硬件组成
数字波束形成器由3片FPGA和1片ADSP-21060器件来实现，其中第一片和第二片FPGA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FPGA完成整个系统的的时序和模式控制并将前两片FPGA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。ADSP-21060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。
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FPGA传输控制信号给前两片FPGA；
3：前两片FPGA乘法累加运算结果输出到第三片FPGA；
4，5，6：ADSP-21060与FPGA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。
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