一種基于music算法的譜峰搜索方法及其硬件電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于MUSIC算法中譜峰搜索的硬件電路及其實現(xiàn)方法，包括：1設(shè)計譜峰搜索的流程；2設(shè)計方向向量計算模塊；3設(shè)計譜函數(shù)計算模塊；4設(shè)計極值檢驗?zāi)K；5設(shè)計譜峰搜索的整體硬件電路。本發(fā)明所設(shè)計的硬件電路可以實現(xiàn)MUSIC算法中的譜峰搜索功能，并且硬件電路復(fù)雜度低，資源消耗少，任務(wù)執(zhí)行速度快。
【專利說明】
一種基于MUSIC算法的譜峰搜索方法及其硬件電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及陣列信號處理領(lǐng)域，具體地說是一種基于MUSIC算法的譜峰搜索方法 及其硬件電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 陣列信號處理屬于現(xiàn)代信號處理的重要研究內(nèi)容，在移動通信、電子對抗、參數(shù)估 計、信號識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。一般來講，陣列信號處理是將多個傳感器設(shè)置 在空間的不同位置來組成傳感器陣列，通過對接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用各個信號 在空間位置上的差異，提取信號源的特征信息。這些特征信息包括:空間信號源的方向、數(shù) 目、頻率、相位、調(diào)制形式等。
[0003] MUSIC算法是基于特征結(jié)構(gòu)分析的空間譜估計方法，是空間譜估計技術(shù)的典型代 表，是陣列信號處理領(lǐng)域的一個重要分支。其基本原理是對陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進(jìn) 行特征分解，將信號空間分解為噪聲子空間和信號子空間，利用噪聲子空間與陣列的方向 矩陣正交的性質(zhì)，估計出信號源的方向等信息。
[0004] MUISC算法中很重要的一步就是譜峰搜索，通過將方向向量矩陣和噪聲矩陣做矩 陣乘法運算得到空間譜函數(shù)值，繼而對空間譜函數(shù)值做極值搜索，得到信號源的方位信息， 譜峰搜索的一個重要特點就是隨著精度要求的提高，運算量變得十分龐大。
[0005] 已有的研究提出的方案大多數(shù)基于將方向向量矩陣提前算好，相關(guān)數(shù)值直接固化 在存儲器中，在進(jìn)行譜峰搜索的時候，不需要計算方向向量，可以直接從存儲器中讀取方向 向量的值來計算空間譜函數(shù)，隨著精度要求的提高，尤其是在進(jìn)行二維空間方位估計時，這 種方法需要消耗大量的存儲資源，其局限性十分明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了避免上述技術(shù)不足之處，提出了一種基于MUSIC算法的譜峰搜索方法 及其硬件電路，以期能降低存儲資源的消耗，加快任務(wù)執(zhí)行速度，從而在硬件電路中高效地 實現(xiàn)譜峰搜索。
[0007] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明一種用于MUSIC算法的譜峰搜索方法的特點是按如下步驟進(jìn)行：
[0009] 步驟1、利用式(1)獲得方向向量AA:
[0011 ]式（1)中，pi tch表示輸入的俯仰角的弧度值，az imuth表示輸入的方位角的弧度 值，s表示譜峰搜索步長的弧度值
，M表示 陣元數(shù)目，r表示陣元半徑，λ表示波長，drl表示波長半徑比；
[0012] 步驟2、利用式(2)獲得空間譜函數(shù)Pmusic(iJ):
[0013] Pmusic(i，j)=AA(i，j，：）XUUXUUTXAA(i，j，：） T (2)
[0014]式(2)中，UU表不輸入的噪聲向量矩陣，矩陣的規(guī)模為Μ行(M-K)列，K表不信號源個 數(shù)；
[0015]步驟3、利用式(3)對空間譜函數(shù)PmUSic(i，j)做極值檢驗，求得能滿足式(3)中所 有條件的空間譜函數(shù)Pmus i c (i，j)的極小值點（i〇，j〇);從而獲得以方向角輸入值az imuth (i〇)和俯仰角輸入值pitch(jo)所構(gòu)成的譜峰搜索結(jié)果：
[0017] 本發(fā)明一種用于MUSIC算法中譜峰搜索的硬件電路的特點是包括:方向向量計算 模塊AA_gen、空間譜函數(shù)計算模塊Pmus i c_ca 1、極值檢驗?zāi)KPeak_check;
[0018] 所述方向向量計算模塊AA_gen包括：2個加法器、1個乘法器mul、
個寄存 器
個多路選擇器.
個減法器和
I.個cordic計算單元；
[0019]
和寄存器azimuth中存儲的數(shù)值r0作為第一加法器add_l的輸入，經(jīng)過
所述第一加法器addj運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器azimuth中進(jìn)行存儲；所述寄存器 azimuth將所存儲的數(shù)值rO分別傳輸至（ ）個減法器的輸入端和第一多路選擇器的輸入 端；
[0020] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)
-作為第1減法器的輸入，經(jīng)過所述 第1減法器subl運算后的結(jié)果al輸出至第二多路選擇器的輸入端；
[0021] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)
作為第2減法器的輸入，經(jīng)過所述 第2減法器sub2運算后的結(jié)果a2輸出至第三多路選擇器的輸入端；
[0022] ……
[0023] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)
減法器的輸
入
運算后的 ·多路選擇器 的輸入端；
[0024]
?和寄存器pitch中存儲的數(shù)值rl作為第二加法器add_2的輸入，經(jīng)過所 述第二加法器add_2運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器pitch中進(jìn)行存儲;所述寄存器pitch 將所存儲的數(shù)值rl傳輸至
τοη??χ計算單元的輸入端;經(jīng)過所述
計算單元的運算后的結(jié)果
個多路選擇器的輸入端；
[0025]?個寄存器中分別所存儲的數(shù)值R1，R2,…，i?-傳遞到第個多路選擇器 中；


[0026]
個多路選擇器和第
個多路選擇器的輸出端與乘法器mul的輸入
端相連;經(jīng)過所述乘法器mul的運算獲得的結(jié)果r2分別輸出給所述第 個多路選擇器的 另一個輸入端以及
t多路選擇器的另一個輸入端；
[0027]
個多路選擇器的輸出端分別與
個cordic計算單元的輸入端相連；
[0028] 所述第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值r0并進(jìn)行運算后得 到計算結(jié)果cos (azimuth)并傳輸至第1個寄存器中；所述第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的 多路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果
和AA(1);
[0029] 所述第2個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值al并進(jìn)行運算后得
并傳輸至第2個寄存器中；所述第2個cordic計算單元從所對應(yīng) 的多路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果
[0030] ……
[0031 ]
__fcordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)
運算后得到計算
cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果AA
[0032] 所述空間譜函數(shù)計算模塊Pmusic_cal包括：1個乘法器Mul、l個加法器Add、（M-K) 個寄存器、4個多路選擇器；
[0033] 噪聲向量矩陣UU(k，n)分別作為第·
個多路選擇器的輸入值;k=l，2.…，M;n
= 1，2····，Μ-Κ;
[0034] 所述向向量計算模塊AA_gen的輸出結(jié)果AA(k)作為第 -多路選擇器的輸入


值；
[0035] 多路選擇器的輸出值作為第 多路選擇器和第 多路選 擇器的另一個輸入值；
[0036]
[個多路選擇器的輸出值分別作為乘法器 Mul輸入值，經(jīng)過乘法器Mul的運算后的結(jié)果作為加法器Add的一個輸入值；
[0037] 以數(shù)值0和加法器Add的輸出值作為
多路選擇器的輸入值；所述第
個多路選擇器的輸出值作為加法器Add的另一個輸入值；
[0038] 所述乘法器Mul分別從
-多路選擇器中讀取噪
聲向量矩陣UU(k，n)和輸出結(jié)果AA(k)并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給所述加法器Add進(jìn)行 計算，所述加法器Add的計算結(jié)果分別傳遞給所述(M-K)個寄存器進(jìn)行存儲，所述 個多路選擇器的輸入端與所述所述(M-K)個寄存器相連；
[0039] 所述乘法器Mul分別從
個多路選擇器中讀取所
多路選擇器的輸出值并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給所述加法器Add進(jìn)行計 算，由所述加法器Add獲得計算結(jié)果Pmusic并輸出；
[0040] 所述極值檢驗?zāi)KPeak_CheCk包括：12個寄存器、2個存儲器、1個多路選擇器、1個 比較器和1個邏輯"與"運算單元；
[0041 ]以所述計算結(jié)果Pmusic作為第三寄存器temp3的輸入值;所述第三寄存器temp3的 輸出值傳輸至所述第二寄存器temp2中；所述第二寄存器temp2的輸出值傳輸至第一寄存器 tempi 中；
[0042] 所述第一寄存器tempi的輸出值傳輸至第一存儲器;所述第一存儲器的輸出值傳 遞給第二存儲器;所述第二存儲器的輸出值傳遞給中心寄存器temp_ C〇re;
[0043]
多路選擇器的輸入端分別與第一存儲器的輸出端、第二存儲器的輸出 端、第三寄存器temp3的輸出端、第二寄存器temp2的輸出端、第一寄存器tempi的輸出端相 連；
[0044]
?多路選擇器的輸出端與比較器的輸入端相連;所述比較器的另一 個輸入端與所述中心寄存器temp_core的輸出端相連；
[0045] 所述比較器的輸出端分別與8個結(jié)果寄存器相連；
[0046] 所述8個結(jié)果寄存器的輸出端與所述邏輯"與"運算單元相連，并經(jīng)過邏輯"與"運 算單元的計算后輸出極值檢驗結(jié)果peak_vaild。
[0047] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0048] 1、本發(fā)明提出的基于MUSIC算法的譜峰搜索方法，其方向向量是通過實時計算得 出，而不是提前固化在存儲器中，從而節(jié)省了大量的存儲資源，隨著譜峰搜索精度的提高， 尤其是在應(yīng)用于二維空間譜峰搜索的場合中，優(yōu)勢十分明顯；
[0049] 2、本發(fā)明通過方向向量計算模塊、空間譜函數(shù)計算模塊和極值檢驗?zāi)K可以實現(xiàn) 流水線操作，極大地縮短了任務(wù)的執(zhí)行時間，實時性很高；
[0050] 3、本發(fā)明的方向向量計算模塊，是通過對乘法器實行分時復(fù)用，節(jié)省了較多的運 算資源；
[0051] 4、本發(fā)明的空間譜函數(shù)計算模塊，是通過對乘法器和加法器實行分時復(fù)用，節(jié)省 了較多的運算資源；
[0052] 5、本發(fā)明是極值檢驗?zāi)K，是通過對比較器實行分時復(fù)用，節(jié)省了較多的邏輯資 源。
【附圖說明】
[0053]圖1為本發(fā)明方向向量計算模塊的硬件電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖2為本發(fā)明空間譜函數(shù)計算模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055] 圖3為本發(fā)明極值檢驗?zāi)K的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056] 圖4為本發(fā)明譜峰搜索的硬件電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0057] MUSIC算法在實際運用當(dāng)中，根據(jù)陣列天線的排列方式，可以分為圓形陣列和線形 陣列;通過算法既可以進(jìn)行一維空間的方向估計，又可以進(jìn)行二維空間的方向估計。本實施 例中提出的譜峰搜索的硬件電路和實現(xiàn)方法是針對圓形陣列并且搜索空間為二維空間的 應(yīng)用條件，需要估計的參數(shù)既包括俯仰角又包括方位角。具體的說，
[0058] 一種用于MUSIC算法的譜峰搜索方法是按如下步驟進(jìn)行：
[0059]步驟1、利用式(1)獲得方向向量AA:
[0061 ]式（1)中，pi tch表示輸入的俯仰角的弧度值，az imuth表示輸入的方位角的弧度
值，s表示譜峰搜索步長的弧度值， 陣元數(shù)目，r表示陣元半徑，λ表示波長，drl表示波長半徑比；
[0062] 步驟2、利用式(2)獲得空間譜函數(shù)Pmusic(iJ):
[0063] Pmusic(i，j)=AA(i，j，：）XUUXUUTXAA(i，j，：） T (2)
[0064] 式(2)中，UU表示輸入的噪聲向量矩陣，矩陣的規(guī)模為Μ行(M-K)列，K表示信號源個 數(shù)；
[0065]步驟3、利用式(3)對空間譜函數(shù)PmUSic(i，j)做極值檢驗，求得能滿足式(3)中所 有條件的空間譜函數(shù)Pmus i c (i，j)的極小值點（i〇，j〇);從而獲得以方向角輸入值az imuth (i〇)和俯仰角輸入值pitch(jo)所構(gòu)成的譜峰搜索結(jié)果：

[0067]本實施例中，一種用于MUSIC算法中譜峰搜索的硬件電路包括:方向向量計算模塊 AA_gen、空間譜函數(shù)計算模塊Pmus i c_ca 1、極值檢驗?zāi)KPeak_check;
[0068] 方向向量計算模塊AA_gen包括：2個加法器、1個乘法器mul. 個寄存器、
'cordic計算單元；
[0069]
和寄存器azimuth中存儲的數(shù)值r0作為第一加法器add_l的輸入，經(jīng)過 第一加法器add_l運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器azimuth中進(jìn)行存儲；所述寄存器 azimuth將所存儲的數(shù)值rO分別傳輸至（
：個減法器的輸入端和第一多路選擇器的輸 入端；
[0070] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)
作為第1減法器的輸入，經(jīng)過所述 第1減法器subl運算后的結(jié)果al輸出至第二多路選擇器的輸入端；
[0071] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)
作為第2減法器的輸入，經(jīng)過所述 第2減法器sub2運算后的結(jié)果a2輸出至第三多路選擇器的輸入端；
[0072] ……
[0073] 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和
減法器的輸
-多路選擇 器的輸入端；
[0074]
和寄存器pitch中存儲的數(shù)值rl作為第二加法器add_2的輸入，經(jīng)過所 述第二加法器add_2運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器pitch中進(jìn)行存儲;所述寄存器pitch 將所存儲的數(shù)值r 1傳輸至
hC〇rdi c計算單元的輸入端;經(jīng)過所述第-
計算單元的運算后K
多路選擇器的輸入端；
[0075]
個寄存器中分別所存儲的數(shù)值多路選擇器 中；
[0076]
?多路選擇器的輸出端與乘法器mul的輸入端相
連;經(jīng)過乘法器mul的運算獲得的結(jié)果r2分別輸出給 、多路選擇器的另一個輸入端
?多路選擇器的另一個輸入端；
[0077]
-個多路選擇器的輸出端分別與
個cordic計算單元的輸入端相連；
[0078] 第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值rO并進(jìn)行運算后得到計 算結(jié)果cos (azimuth)并傳輸至第1個寄存器中；第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇 器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果
[0079] 第2個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值al并進(jìn)行運算后得到計
并傳輸至第2個寄存器中；所述第2個cordic計算單元從所對應(yīng)的多 路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果
[0080] ……
[0081 ]
、cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值
后得到計算
_cordic計算 單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果AA(M)和
[0082] 本實施例中，
_陣元數(shù)M = 8,所設(shè)計的方向向量計算模塊如圖 1所示，其中包括2個加法器、3個減法器、1個乘法器、6個寄存器、6個多路選擇器和5個 cordic計算單元，具體運算流程如下：
[0083] 步驟&、將寄存器&2；[1]1111:11、口;[1：(311、(308_1'1、(308_12、(308_13、(308_14中存儲的數(shù)值進(jìn) 行初始化賦值，分別是 r0 = 0、rl=0、Rl=0、R2 = 0、R3 = 0、R4 = 0;

[0084] 步驟b、
和寄存器azimuth中存儲的數(shù)值r0進(jìn)入加法器add_l，完成運 算，并把運算結(jié)果rO輸出到寄存器azimuth中；
[0085] 步驟c、減法器subl分別讀取azimuth中存儲的數(shù)值r0和常數(shù)，完成運算 并且把運算結(jié)果al輸出至第二多路選擇器的輸入端；
[0086] 步驟d、減法器sub2分別讀取azimuth中存儲的數(shù)值r0和常數(shù)_，完成運算 并且把運算結(jié)果a2輸出至第三多路選擇器的輸入端；
[0087] 步驟e、減法器sub3分別讀取azimuth中存儲的數(shù)值r0和常數(shù)
，完成運算
，并且把運算結(jié)果a3輸出至第四多路選擇器的輸入端；
[0088] 步驟f、第1到第4個cordic計算單元分別從多路選擇器的輸出端讀取源操作數(shù)r0、al、 a2、a3，分別完成運算cos (azimuth) 并把運算結(jié)果R1、1?2、1?3、1?4輸出到寄存器(3〇8_1'1、(3〇8」"2、(3〇8」"3、(3〇8」"4中；
[0089]
和寄存器pitch中存儲的數(shù)值rl進(jìn)入加法器add_2,完成運算， 并把運算結(jié)果rl輸出到寄存器pitch中；
[0090] 步驟h、從第五多路選擇器和第六多路選擇器的輸出端讀取rl和常數(shù)π進(jìn)入乘法器 mul，完成運算，并且把運算結(jié)果ml輸出到第五多路選擇器的輸入端；
[0091] 步驟i、從第五多路選擇器中讀取ml作為乘法器mul的1個輸入，依次從第六多路選 擇器讀取Rl、R2、R3、R4作為乘法器的另一個輸入，依次完成運算，運算結(jié)果m2、m3、m4、m5分 別輸出到第一到第四多路選擇器的輸入端；
[0092] 步驟j、第1個cordic計算單元讀取源操作數(shù)m2,完成運算，運算結(jié)果作為方向向量 運算的兩個輸出AA(5)和AA(1);
[0093] 步驟k、第2個cordic計算單元讀取源操作數(shù)m3,完成運算，運算結(jié)果作為方向向量 運算的兩個輸出AA(6)和AA(2);
[0094] 步驟1、第3個cordic計算單元讀取源操作數(shù)m4,完成運算，運算結(jié)果作為方向向量 運算的兩個輸出輸出AA(7)和AA(3);
[0095] 步驟m、第4個cordic計算單元讀取源操作數(shù)m5,完成運算，運算結(jié)果作為方向向量 運算的兩個輸出輸出AA(8)和AA(4);
[0096] 步驟η、如果寄存器az imuth中存儲的值r0 = 2π，寄存器pi tch中存儲的 方向向量的運算結(jié)束，否則進(jìn)入步驟1;
[0097] 步驟〇、如果寄存器pitch中存儲的值 ，則返回步驟b，并且將寄存器pitch中 的值置為〇;
則返回步驟d;
[0098]具體實施中，空間譜函數(shù)計算模塊Pmusic_cal包括：1個乘法器Mul、1個加法器 Add、(M-K)個寄存器、4個多路選擇器；
[0099]噪聲向量矩陣UU(k，n)分別作為第
個多路選擇器的輸入值;k = l，2.…，M;
[0100]向向量計算模塊AA_gen的輸出結(jié)果AA(k)作為第
-多路選擇器的輸入值；
[0101]
^路選擇器的輸出值作為
多路選 擇器的另一個輸入值；
[0102]
個多路選擇器的輸出值分別作為乘法器Mul輸 入值，經(jīng)過乘法器Mul的運算后的結(jié)果作為加法器Add的一個輸入值；
[0103] 以數(shù)值0和加法器Add的輸出值作為 路選擇器的輸出值作為加法器Add的另一個輸入值；
[0104] 乘法器Mul分別從
·多路選擇器中讀取噪聲向 量矩陣UU(k)和輸出結(jié)果AA(k)并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給加法器Add進(jìn)行計算，加法器 Add的計算結(jié)果分別傳遞給(M-K)個寄存器進(jìn)行存儲
、多路選擇器的輸入端與(M- K)個寄存器相連；
[0105] 乘法器Mul分別從
個多路選擇器的輸出值并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給加法器Add進(jìn)行計算，由加法器Add 獲得計算結(jié)果Pmusic并輸出；
[0106] 本實施例中，假設(shè)陣元數(shù)目M = 8,信號源數(shù)目K = 3,設(shè)計的譜函數(shù)計算模塊如圖2 所示，包括1個乘法器、1個加法器、5個寄存器、3個多路選擇器;具體運算流程如下：
[0107] 步驟a、讀取源操作數(shù)UU(k，l)和AA(k)進(jìn)入乘法器Mul，k=l，2,…8,完成運算，并 且把運算結(jié)果m6輸出給加法器Add;
[0108] 步驟b、從乘法器的輸出端讀取數(shù)值m6和從
多路選擇器的輸出端另一個 源操作數(shù)，完成8次加法運算，將得到的運算結(jié)
|輸出到寄存器wwl中；
[0109] 步驟c、讀取源操作數(shù)UU(k，2)和AA(k)進(jìn)入乘法器Mul，完成運算，并且把運算結(jié)果 m7輸出給加法器Add;
[0110] 步驟d、從乘法器的輸出端讀取數(shù)值m7和從
多路選擇器的輸出端另一個 源操作數(shù)，完成8次加法運算，將得到的運算結(jié)
H/(..v,2)輸出到寄存器ww2中；
[0111] 步驟e、讀取源操作數(shù)UU(k，3)和AA(k)進(jìn)入乘法器Mul，完成運算，并且把運算結(jié)果 m8輸出給加法器Add;
[0112] 步驟f、從乘法器的輸出端讀取數(shù)值m8和從
多路選擇器的輸出端另一個 源操作數(shù)，完成8次加法運算，將得到的運算
^(λ·,3)輸出到寄存器胃3中；
[0113] 步驟g、讀取源操作數(shù)UU(k，4)和AA(k)進(jìn)入乘法器Mul，完成運算，并且把運算結(jié)果 m9輸出給加法器Add;
[0114] 步驟h、從乘法器的輸出端讀取數(shù)值m9和從
多路選擇器的輸出端另一個 源操作數(shù)，完成8次加法運算，將得到的運算
mv，4)輸出到寄存器WW4中；
[0115] 步驟i、讀取源操作數(shù)UU(k，5)和AA(k)進(jìn)入乘法器Mul，完成運算，并且把運算結(jié)果 ml 0輸出給加法器Add;
[0116] 步驟j、從乘法器的輸出端讀取數(shù)值mlO和從
多路選擇器的輸出端另一 個源操作數(shù)，完成8次加法運算，將得到的運算
輸出到寄存器WW5中；
[0117] 步驟k、依次讀取寄存器wwl、'\^2、'\^3、'\^4和￥￥5中存儲的值￥1、'\￥2、'\￥3、'\￥4和￥5進(jìn)入 乘法器Mul，依次完成平方運算《12、《22、《32、《42、《5 2，運算結(jié)果輸出到加法器六(1(1中；
[0118] 步驟1、加法器依次從乘法器Mul的輸出端讀取《12、《22、《32、《4 2、《52，完成累加運算 Pmus i c=wl 2+w22+w32+w42+w52，作為譜函數(shù)計算模塊的輸出。
[0119] 極值檢驗?zāi)KPeak_CheCk包括：12個寄存器、2個存儲器、1個多路選擇器、1個比較 器和1個邏輯"與"運算單元；
[0120]以計算結(jié)果Pmusic作為第三寄存器temp3的輸入值;第三寄存器temp3的輸出值傳 輸至第二寄存器temp2中；第二寄存器temp2的輸出值傳輸至第一寄存器tempi中；
[0121]第一寄存器tempi的輸出值傳輸至第一存儲器;第一存儲器的輸出值傳遞給第二 存儲器;第二存儲器的輸出值傳遞給中心寄存器temp_C〇re;
[0122]
多路選擇器的輸入端分別與第一存儲器的輸出端、第二存儲器的輸出 端、第三寄存器temp3的輸出端、第二寄存器temp2的輸出端、第一寄存器tempi的輸出端相 連；
[0123]
多路選擇器的輸出端與比較器的輸入端相連；比較器的另一個輸入端 與中心寄存器temp_core的輸出端相連；
[0124] 比較器的輸出端分別與8個結(jié)果寄存器相連；
[0125] 8個結(jié)果寄存器的輸出端與邏輯"與"運算單元相連，并經(jīng)過邏輯"與"運算單元的 計算后輸出極值檢驗結(jié)果P eak_va i 1 d。
[0126] 本實施例中，假設(shè)搜索步
設(shè)計的極值檢驗?zāi)K如圖3所示，其中包括12 個寄存器、2個存儲器、1個多路選擇器、1個比較器和1個邏輯與運算單元，具體流程如下：
[0?27]步驟a、讀取譜函數(shù)計算模塊的輸出值Pmusic( i +1，j +1)，將其存入寄存器temp_ 3中；
[0128] 步驟b、從存儲器mem_down中讀取譜函數(shù)值Pmusic(i，j)，并將其存儲在寄存器 temp_core中，寄存器temp_core作為比較器comp的一個輸入端；
[0129] 步驟b、依次從mem_down中讀取譜函數(shù)值Pmusic(i，j-Ι)和Pmusic(i，j +1)進(jìn)入比 較器comp，做比較運算Pmusic(i，j)<Pmusic(i，j_l)和Pmusic(i，j)<Pmusic(i，j + 1)，比 較的結(jié)果f 1和f2分別存儲在寄存器lessl和less2中；
[0130] 步驟c、依次從mem_up中讀取譜函數(shù)值Pmusic(i_l，j_l)、Pmusic(i_l，j)和Pmusic (i-1，j+1)進(jìn)入比較器comp，做比較運算Pmusic(i，j)<Pmusic(i-l，j-l)、Pmusic(i，j)< Pmusic(i-1，j)和Pmusic(i，j)<Pmusic(i-l，j + 1)，比較的結(jié)果f3、f4和f5分別存儲在寄 存器 Iess3、less4 和 less5 中；
[0131 ] 步驟(1、依次從寄存器七611^1_14611^1_2和七611^1_3中讀取譜函數(shù)值?1]1118；^(丨+ 1，」-1)、 Pmusic(i+1，j)和Pmusic(i+1，j+Ι)進(jìn)入比較器comp，做比較運算Pmusic(i，j) <Pmusic(i+ 1，j-l)、Pmusic(i，j) <Pmusic(i + 1，j)和Pmusic(i，j) <Pmusic(i + 1，j +1)，比較的結(jié)果 r6、r7和r8分別存儲在寄存器f 6、f 7和f 8中；
[0132]步驟 e、從寄存器lessl、less2、less3、less4、less5、less6、less7和less8 中讀取 存儲在其中的值€14243 4445 46 47和€8進(jìn)入邏輯與運算單元4_，完成邏輯與運算 peak_valid = fl & f2 & f3 & f4 & f5 & f6 & f7 & f8,運算結(jié)果peak_valid作為極值 檢驗?zāi)K的輸出；
[0133] 步驟f、從存儲器mem_down中讀取譜函數(shù)值Pmusic(i，j-Ι)，將其存儲到存儲器 mem_up中對應(yīng)的地址空間；
[0134] 步驟g、從寄存器temp j中讀取譜函數(shù)值Pmusic(i + 1，j-Ι)，將其存儲到存儲器 mem_down中對應(yīng)的地址空間；
[0135] 步驟h、從寄存器temp_2中讀取函數(shù)值PmusiC(i + l，j)，將其存儲到存儲器寄存器 temp_l 中；
[0136] 步驟i、從寄存器temp_3中讀取函數(shù)值Pmusic(i +1，j +1)，將其存儲到存儲器寄 存器temp_2中；
[0137] 步驟j、如果i = 360，j = 90,則所有譜函數(shù)值的極值檢驗完成，否則，返回步驟a，繼 續(xù)進(jìn)行下一個譜函數(shù)值的極值檢驗；
[0138] 利用方向向量計算模塊、譜函數(shù)計算模塊和極值檢驗?zāi)K設(shè)計譜峰搜索的整體硬 件電路，讀取源操作數(shù)UU進(jìn)入譜峰搜索模塊，完成譜峰搜索任務(wù)，輸出信號源的方位信息， 包括方位角和俯仰角；
[0139] 本實施例中，假設(shè)搜索步長 ，設(shè)計的譜峰搜索的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所 示，它主要包括方向向量計算模塊、譜函數(shù)計算模塊和極值檢驗?zāi)K，具體流程如下：
[0?40] 步驟a、對方位角az imuth和俯仰角pi tch的取值進(jìn)行初始化，即az imuth = _2π， pitch = 0 ；
[0141 ] 步驟b、讀取源操作數(shù)azimuth和pitch，進(jìn)入方向向量計算模塊AA_gen，計算得到 方向向量的運算結(jié)果AA;
[0142] 步驟c、讀取源操作數(shù)AA和UU，進(jìn)入空間譜函數(shù)計算模塊，計算得到譜函數(shù)值 Pmusic；
[0143] 步驟d、讀取源操作數(shù)Pmusic，進(jìn)入步驟4中設(shè)計的極值檢驗?zāi)K，進(jìn)行極值檢驗， 如果極值有效信號拉高，則表明Pmusic為一個極小值點，步驟b中的方位角和俯仰角的取值 azimuth和pitch為譜峰搜索的其中一組結(jié)果；
[0144] 步驟e、如果azimuth = 2jt
則譜峰搜索任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，否則進(jìn)入步驟f;
[0145] 步驟f.
對方位角和俯仰角重新取值
pitch = 0,之后返回步驟b _
，僅僅對俯仰角重新取值 之后返回步驟b。
[0146] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種用于MUSIC算法中譜峰搜索的硬件電路及其實現(xiàn)方 法，所設(shè)計的硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，硬件實現(xiàn)的復(fù)雜度低并且消耗的存儲資源少，任務(wù)執(zhí)行速 度快，為譜峰搜索提供了 一種高效的硬件實現(xiàn)方法。
【主權(quán)項】
1. 一種用于MUSIC算法的譜峰搜索方法，其特征是按如下步驟進(jìn)行： 步驟1、利用式(1)獲得方向向量AA:式（1)中，pi tch表示輸入的俯仰角的弧度值，az imuth表示輸入的方位角的弧度值，S表 示譜峰搜索步長的弧度值表示陣元數(shù) 目，r表示陣元半徑，λ表示波長，drl表示波長半徑比； 步驟2、利用式(2)獲得空間譜函數(shù)PmusiC(i，j): Pmusic(i , j) =AA(i , j ,:) XUU XUUTX AA(i , j ,: )T (2) 式(2)中，UU表不輸入的噪聲向量矩陣，矩陣的規(guī)模為M行(M-K)列，K表不信號源個數(shù)； 步驟3、利用式(3)對空間譜函數(shù)PmusiC(i，j)做極值檢驗，求得能滿足式(3)中所有條 件的空間譜函數(shù)Pmus i c (i，j)的極小值點（i〇，jo);從而獲得以方向角輸入值az imuth (i 〇)和 俯仰角輸入值P i t ch (j ο)所構(gòu)成的譜峰搜索結(jié)果：2. -種用于MUSIC算法中譜峰搜索的硬件電路，其特征是包括:方向向量計算模塊AA_ gen、空間譜函數(shù)計算模塊Pmus i c_cal、極值檢驗?zāi)KPeak_check; 所述方向向量計算模塊AA_gen包括：2個加法器、1個乘法器+2)個寄存器、 (^+2)個多路選擇器、(|_-1)個減法器和.(|_+1)個(^(1;[(3計算單元； 以常數(shù)和寄存器azimuth中存儲的數(shù)值rO作為第一加法器add_l的輸入，經(jīng)過所述 第一加法器add_l運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器azimuth中進(jìn)行存儲；所述寄存器 azimuth將所存儲的數(shù)值rO分別傳輸至(|·-1)個減法器的輸入端和第一多路選擇器的輸入 端； 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)#作為第1減法器的輸入，經(jīng)過所述第1減 Μ 法器subl運算后的結(jié)果al輸出至第二多路選擇器的輸入端； 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)g作為第2減法器的輸入，經(jīng)過所述第2減 VI 法器sub2運算后的結(jié)果a2輸出至第三多路選擇器的輸入端； 以寄存器azimuth將所存儲的數(shù)值rO和常數(shù)作為第(^-1)減法器的輸入，經(jīng) Μ: .2 過所述第(f -1)減法器sub(f-l)運算后的結(jié)果a(f -1)輸出至第f個多路選擇器的輸 入端； 以常數(shù)^和寄存器pitch中存儲的數(shù)值rl作為第二加法器add_2的輸入，經(jīng)過所述第 二加法器add_2運算后的結(jié)果輸出至所述寄存器pitch中進(jìn)行存儲;所述寄存器pitch將所 存儲的數(shù)值rl傳輸至第^+.1個cordic計算單元的輸入端;經(jīng)過所述第個cordic計算 2 2 單元的運算后的結(jié)果傳輸至第4+1個多路選擇器的輸入端； V. ^ J 2 #個寄存器中分別所存儲的數(shù)值R1，R2,傳遞到第#+2個多路選擇器中； 2 2 2 所述第# + 1個多路選擇器和第4 + 2個多路選擇器的輸出端與乘法器mul的輸入端相 2 2 連;經(jīng)過所述乘法器mul的運算獲得的結(jié)果r2分別輸出給所述第f+Ι個多路選擇器的另一 個輸入端以及#個多路選擇器的另一個輸入端； .2 所述f個多路選擇器的輸出端分別與個cordic計算單元的輸入端相連； 所述第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值rO并進(jìn)行運算后得到計 算結(jié)果cos (azimuth)并傳輸至第1個寄存器中；所述第1個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路 Μ 選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果A4(y + 1)和AA(1); 所述第2個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值al并進(jìn)行運算后得到計 算結(jié)果(：0!：;(〃27'/〃〃〃)_~7)并傳輸至第2個寄存器中 ；所述第2個(3(^(1;[(3計算單元從所對應(yīng)的多 4 Μ 路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果A4(y+2)和AA(2); 所述第#個cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取數(shù)值a(#-l)并進(jìn)行運算 Σ.L· 后得到計算結(jié)果^并傳輸至第|個寄存器中；所述第f個 cordic計算單元從所對應(yīng)的多路選擇器中讀取結(jié)果r2并進(jìn)行運算后得到兩個輸出結(jié)果AA Μ (Μ)和/?/?(γ); 所述空間譜函數(shù)計算模塊Pmusic_cal包括：1個乘法器Mul、1個加法器Add、（Μ-Κ)個寄 存器、4個多路選擇器； 噪聲向量矩陣UU(k，n)分別作為第j+3個多路選擇器的輸入值;k = l，2.…，Μ;η = 1， 2·.·_，Μ-Κ; 所述向向量計算模塊AA_gen的輸出結(jié)果AA(k)作為第f+4個多路選擇器的輸入值； Μ MM 第γ + 6個多路選擇器的輸出值作為第γ + 3個多路選擇器和第γ + 4個多路選擇器 2. ：2 .2 的另一個輸入值； 所述第# + 3個多路選擇器和第#+4個多路選擇器的輸出值分別作為乘法器Mul輸入 2 2. 值，經(jīng)過乘法器Mul的運算后的結(jié)果作為加法器Add的一個輸入值； 以數(shù)值〇和加法器Add的輸出值作為第# + 5個多路選擇器的輸入值;所述第個多 2 2： 路選擇器的輸出值作為加法器Add的另一個輸入值； 所述乘法器Mul分別從第#+3個多路選擇器和第#+4個多路選擇器中讀取噪聲向量 .2 2 矩陣UU(k，n)和輸出結(jié)果AA(k)并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給所述加法器Add進(jìn)行計算，所 述加法器Add的計算結(jié)果分別傳遞給所述(M-K)個寄存器進(jìn)行存儲，所述第|-6個多路選 擇器的輸入端與所述所述(M-K)個寄存器相連； Μ Μ 所述乘法器Mul分別從第Υ + 3個多路選擇器和第γ + 4個多路選擇器中讀取所述第 2 1 # + 6個多路選擇器的輸出值并進(jìn)行計算，獲得的結(jié)果傳遞給所述加法器Add進(jìn)行計算，由 2 所述加法器Add獲得計算結(jié)果Pmusic并輸出； 所述極值檢驗?zāi)KPeak_check包括:12個寄存器、2個存儲器、1個多路選擇器、1個比較 器和1個邏輯"與"運算單元； 以所述計算結(jié)果Pmusic作為第三寄存器temp3的輸入值;所述第三寄存器temp3的輸出 值傳輸至所述第二寄存器temp2中；所述第二寄存器temp2的輸出值傳輸至第一寄存器 tempi 中； 所述第一寄存器tempi的輸出值傳輸至第一存儲器;所述第一存儲器的輸出值傳遞給 第二存儲器;所述第二存儲器的輸出值傳遞給中心寄存器temp_C〇re; 第4 + 7個多路選擇器的輸入端分別與第一存儲器的輸出端、第二存儲器的輸出端、第 三寄存器temp3的輸出端、第二寄存器temp2的輸出端、第一寄存器tempi的輸出端相連； 所述第1 + 7個多路選擇器的輸出端與比較器的輸入端相連;所述比較器的另一個輸 2 入端與所述中心寄存器temp_core的輸出端相連； 所述比較器的輸出端分別與8個結(jié)果寄存器相連； 所述8個結(jié)果寄存器的輸出端與所述邏輯"與"運算單元相連，并經(jīng)過邏輯"與"運算單 元的計算后輸出極值檢驗結(jié)果P eak_va i 1 d。
【文檔編號】G01S3/12GK105866730SQ201610184994
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】張多利, 張斌, 宋宇鯤, 杜高明
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)