一種基于fpga的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，利用FPGA硬件并行運行特性，通過算法優(yōu)化實現(xiàn)迭代配相算法，提高迭代配相算法的運算速度和運算精度。本發(fā)明的運算速度由計數(shù)器時鐘頻率決定，通過優(yōu)化FPGA設計，計數(shù)器時鐘頻率可以做到200MHz（與采用的FPGA硬件平臺相關），即完成一個移相單元的接收、發(fā)送配相碼的配相迭代計算時間為5ns。運算精度由擴大倍數(shù)2Q決定，擴大倍數(shù)越大，則四舍五入誤差噪聲越小，運算結果精度越高，天線波束指向精度也越高。但擴大倍數(shù)增大會影響計數(shù)器時鐘頻率的優(yōu)化效果，降低運算速度。在實際設計過程中需兼顧運算速度和運算精度要求。
【專利說明】—種基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于相控陣天線領域，涉及一種基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，應用于提高迭代配相算法的運算速度和運算精度。
【背景技術】
[0002]迭代配相算法是相控陣天線領域使用的一種配相碼計算方法。在這種算法中，將當前移相單元計算出的理論相移值量化后產生的量化誤差帶入下一移相單元的配相碼計算，這樣有利于降低移相系統(tǒng)量化噪聲，可有效提高天線波束指向精度。這種算法與普通配相算法的區(qū)別在于移相單元配相碼計算之間存在迭代關系，欲計算出當前單元配相碼，則需要獲知前一單元的量化誤差。這種迭代算法必然要求其實現(xiàn)方法基于順序執(zhí)行方式。在順序執(zhí)行的計算中，運算耗時與順序執(zhí)行步數(shù)成正比。在迭代配相算法中運算耗時則直接正比于移相單元數(shù)量。具體針對某一移相單元，其配相運算中存在三角函數(shù)運算、除法運算、乘法運算、加法運算、模運算及邏輯判斷分支。配相運算是一種較為復雜的運算過程，其中的三角函數(shù)運算、乘除法運算以及模運算在所有硬件平臺中耗時都較多。配相碼運算速度直接決定相控陣天線波束掃描速度。若配相運算速度過慢，將導致天線單元性能無法滿足系統(tǒng)需求。例如在詢問機這類特殊的應用場合中，要求天線波束進行快速切換(通常要求天線波束在IOOus內完成切換)，若所有移相單元配相碼未能在規(guī)定時間內完成計算和發(fā)送，則天線指標無法滿足系統(tǒng)應用需求。目前配相運算常用的硬件平臺主要是DSP芯片，但針對移相單元數(shù)量較多的有源相控陣天線，其配相運算速度已經無法滿足要求。由于有源器件TR組件的制造工藝帶來的發(fā)射、接收通道不一致問題，天線波束在發(fā)射和接收過程中需要使用不同的配相碼，這就將配相運算分為發(fā)射配相計算和接收配相計算。例如在包含200個TR組件的有源相控陣天線中，配相計算過程包含400次迭代配相運算。若要求運算過程在IOOus內完成，常用的浮點型DSP芯片存在極大困難。同時，配相碼運算精度決定天線波束指向精度。常用的DSP硬件平臺，其數(shù)據(jù)總線位寬有限，必然限制運算精度。隨著相相掃天線的深入推廣，天線移相單元數(shù)量越來越多，而且都向有源化方向發(fā)展。這對配相運算過程提出了更高的要求，必然推動算法實現(xiàn)的硬件平臺出現(xiàn)新變化并要求對算法進行優(yōu)化。
[0003]迭代配相算法的數(shù)學表達式為:
【權利要求】
1.一種基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、計算天線單元理想相位:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_MULT，設置輸入?yún)?shù)為頻率信息預運算數(shù)據(jù)和波位信息預運算數(shù)據(jù)進行乘積操作；在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_COUNTER，設置其計數(shù)時鐘為fN，并將其計數(shù)模式設置為Modulus (Num)，其中Num為天線通道數(shù)，以其計數(shù)輸出的i作為當前天線單元通道號；將頻率信息預運算數(shù)據(jù)與波位信息預運算數(shù)據(jù)乘積結果和當前天線單元號i作為新調用的參數(shù)化模塊庫LPM_MULT輸入?yún)?shù)，LPM_MULT乘積輸出結果為當前天線單元理想相位； 步驟2、計算接收支路配相碼和發(fā)射支路配相碼: 接收支路配相碼的計算步驟: 初始條件:第一接收天線單元量化殘差ESO; ①求取當前接收天線單元理想相位與上一接收天線單元量化殘差E之和:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器，操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為當前接收天線單元理想相位和上一接收天線單元量化殘差，LPM_ADD_SUB輸出得到二者之和Add_Templ ； ②求取當前接收天線單元通道初相與Add_Templ之和:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器、操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為當前接收天線單元通道初相和Add_TempI，LPM_ADD_SUB輸出得到二者之和Add_Temp2 ； ③一次取模操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_AND，將數(shù)據(jù)Add_Temp2和常數(shù)236(1/In+Q-1進行邏輯與操作，即實現(xiàn)對數(shù)據(jù)Add_Temp2的符號判斷處理及模360操作，得到數(shù)據(jù)Data—Modl ； ④四舍五入預操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器、操作數(shù)據(jù)類型為無符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為Data_Modl和2Q_1 ；LPM_ADD_SUB求和輸出結果為Data_PreRound ； ⑤二次取模操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_AND，將數(shù)據(jù)Data_PreRound和常數(shù)23_η+Μ進行邏輯與操作，即實現(xiàn)對數(shù)據(jù)Data_PreR0Und的模360操作，獲取數(shù)據(jù)Data_Mod2 ； ⑥移位操作獲取接收支路配相碼:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_CLSHIFT，設置其工作模式為邏輯右移，將數(shù)據(jù)Data_Mod2右移48bit，獲取接收支路配相碼R_Code ； ⑦當前接收天線單元量化殘差預運算:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_CLSHIFT，設置其工作模式為邏輯左移，將數(shù)據(jù)R_Code左移48bit，獲取量化殘差預運算數(shù)據(jù)E_Pre ； ⑧求取當前接收天線單元量化殘差:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為減法器、操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型；被減數(shù)設置為初次模取模操作后獲取的數(shù)據(jù)Data_Modl，減數(shù)設置為量化殘差預運算數(shù)據(jù)E_Pre ；LPM_ADD_SUB作減法操作后，獲取當前接收天線單元量化殘差E，以備下一接收天線單元配相碼計算時使用；重復步驟①~⑧，直到所有接收天線單元配相碼計算完成； 發(fā)射支路配相碼的計算步驟: 初始條件:第一發(fā)射天線 單元量化殘差ESO; ①求取當前發(fā)射天線單元理想相位與上一發(fā)射天線單元量化殘差E之和:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器、操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為當前發(fā)射天線單元理想相位和上一發(fā)射天線單元量化殘差，LPM_ADD_SUB輸出得到二者之和Add_Templ ； ②求取當前發(fā)射天線單元通道初相與Add_Templ之和:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器、操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為當前發(fā)射天線單元通道初相和AdcLTemp I，LPM_ADD_SUB輸出得到二者之和Add_Temp2 ； ③一次取模操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_AND，將數(shù)據(jù)Add_Temp2和常數(shù)236(1/In+Q-1進行邏輯與操作，即實現(xiàn)對數(shù)據(jù)Add_Temp2的符號判斷處理及模360操作，得到數(shù)據(jù)Data—Modl ； ④四舍五入預操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為加法器、操作數(shù)據(jù)類型為無符號整型，其輸入?yún)?shù)分別設置為Data_Modl和2Q_1 oLPiLADD—SUB求和輸出結果為Data_PreRound ； ⑤二次取模操作:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_AND，將數(shù)據(jù)Data_PreRound和常數(shù)23_η+Μ進行邏輯與操作，即實現(xiàn)對數(shù)據(jù)Data_PreR0Und的模360操作，獲取數(shù)據(jù)Data_Mod2 ； ⑥移位操作獲取發(fā)射支路配相碼:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_CLSHIFT，設置其工作模式為邏輯右移，將數(shù)據(jù)Data_Mod2右移48bit，獲取發(fā)射支路配相碼R_Code ； ⑦當前發(fā)射天線單元量 化殘差預運算:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_CLSHIFT，設置其工作模式為邏輯左移，將數(shù)據(jù)R_Code左移48bit，獲取量化殘差預運算數(shù)據(jù)E_Pre ； ⑧求取當前發(fā)射天線單元量化殘差:在FPGA中調用參數(shù)化模塊庫LPM_ADD_SUB，設置其工作模式為減法器、操作數(shù)據(jù)類型為有符號整型；被減數(shù)設置為初次模取模操作后獲取的數(shù)據(jù)Data_Modl，減數(shù)設置為量化殘差預運算數(shù)據(jù)E_Pre ；LPM_ADD_SUB作減法操作后，獲取當前發(fā)射天線單元量化殘差E，以備下一發(fā)射天線單元配相碼計算時使用；重復步驟①~⑧，直到所有發(fā)射天線單元配相碼計算完成。
2.根據(jù)權利要求1所述基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述頻率信號查找表的建立，在Altera公司FPGA開發(fā)軟件QuartusII中調用參數(shù)化模塊庫ROM: 1-PORT,建立頻率信號查找ROM R0M_Freq ；R0M_Freq在例化過程中調用其對應的MIF文件，完成ROM存儲單元與頻率信號數(shù)據(jù)映射； 所述MIF文件的內容:設置MIF文件的表格數(shù)據(jù)為有符號整型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為天線工作總頻率點數(shù)η,數(shù)據(jù)內容為round(-k/InX2aXf)。其中round()為四舍五入函數(shù)；k為天線陣元分布常數(shù)，數(shù)據(jù)形式為浮點型常數(shù)；In為移相器最小步進量；a為頻率信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)為頻率值，其單位為GHz ； 所述MIF文件的產生方法:在Office Excel中編輯round(_k/InX2aXf)計算公式，其中k、In、2a皆為常數(shù)，以頻率f為變量列計算獲得頻率信息預運算數(shù)據(jù)列。直接將該數(shù)據(jù)列拷貝進入MIF文件粘貼，完成MIF文件建立； 所述R0M_Freq的查找方法:R0M_Freq例化后，其存儲內容為MIF文件對應的存儲信息，以頻率點作為R0M_Freq的地址索引輸入，即可查找獲取相應的頻率信息預運算數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求1所述基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述波位信號查找表的建立:在FPGA開發(fā)軟件QuartusII中調用參數(shù)化模塊庫ROM: 1-PORT,建立波位信號查找ROM R0M_Beam。R0M_Beam在例化過程中調用其對應的MIF文件，完成ROM存儲單元與波位信號數(shù)據(jù)映射； 所述MIF文件的內容:設置MIF文件表格數(shù)據(jù)為有符號整型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為天線工作總波位數(shù)m,數(shù)據(jù)內容為round(Sin( Θ ) X2b)。其中round O為四舍五入函數(shù)；SinO為正弦函數(shù)；Θ為天線波位對應的指向角；b為波位信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)；
所述MIF文件的產生方法:在Office Excel中編輯round (Sin ( Θ ) X 2b)計算公式,其中2b為常數(shù)，以指向角Θ為變量列計算獲得波位信息預運算數(shù)據(jù)列。直接將該數(shù)據(jù)列拷貝進入MIF文件粘貼，完成MIF文件建立； 所述R0M_Beam的查找方法:R0M_Beam例化后，其存儲內容為MIF文件對應的存儲信息，以波位號作為R0M_Beam的地址索引輸入，即可查找獲取相應的波位信息預運算數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求1所述基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述接收初相查找表的建立:在Altera公司FPGA開發(fā)軟件QuartusII中調用參數(shù)化模塊庫ROM: 1-PORT,建立接收初相查找ROM R0M_R_In_Phase。R0M_R_In_Phase在例化過程中調用其對應的MIF文件，完成ROM存儲單元與接收初相數(shù)據(jù)映射； 所述MIF文件的內容:設置MIF文件表格數(shù)據(jù)為有符號整型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為天線接收通道數(shù)與天線工作頻點總數(shù)之積Num_rXn,數(shù)據(jù)內容為round(Initial_Ph_R/InX2Q)。其中round O為四舍五入函數(shù)；In為移相器最小步進量；Q為系統(tǒng)數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)，為頻率信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)a與波位信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)b之和；Initial_Ph_R是天線單元接收通道初始相位，每個天線單元接收通道在不同頻率下具有不同初始相位，其值通過掃頻方式的通道初相測試獲??； 所述MIF文件的產生方法:在Off ice Excel中編輯round(Initial_Ph_R/InX2Q)計算公式，其中In、2Q為常數(shù)，以測試獲取的接收初始相位Initial_Ph_R為變量列計算獲得接收初相數(shù)據(jù)列。直接將該數(shù)據(jù)列拷貝進入MIF文件粘貼，完成MIF文件建立； 所述R0M_R_In_Phase的查找方法:R0M_R_In_Phase例化后，其存儲內容為MIF文件對應的存儲信息，以天線工作頻點為行索引參數(shù)，以天線通道單元號為列索引參數(shù)。以當前頻率點號XNum_r+i作為R0M_R_In_Phase的地址索引輸入，即可查找獲取當前天線單元當前頻率點下相應的接收初始相位預運算數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1所述基于FPGA的相控陣天線迭代配相算法的實現(xiàn)方法，其特征在于:所述發(fā)射初相查找表的建立:在Altera公司FPGA開發(fā)軟件QuartusII中調用參數(shù)化模塊庫ROM: 1-PORT,建立發(fā)射初相查找ROM R0M_T_In_Phase。R0M_T_In_Phase在例化過程中調用其對應的MIF文件，完成ROM存儲單元與發(fā)射初相數(shù)據(jù)映射； 所述MIF文件內容:設置MIF文件表格數(shù)據(jù)為有符號整型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為天線發(fā)射通道數(shù)與天線工作頻點總數(shù)之積Num_TXη,數(shù)據(jù)內容為round(Initial_Ph_T/InX2Q)。其中round O為四舍五入函數(shù)；In為移相器最小步進量；Q為系統(tǒng)數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)，為頻率信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)a與波位信號數(shù)據(jù)放大倍數(shù)參數(shù)b之和；Initial_Ph_T是天線單元發(fā)射通道初始相位，每個天線單元發(fā)射通道在不同頻率下具有不同初始相位，其值通過掃頻方式的通道初相測試獲取； 所述MIF文件的產生方法:在Off ice Excel中編輯round(Initial_Ph_T/InX2Q)計算公式，其中In、2Q為常數(shù)，以測試獲取的發(fā)射初始相位Initial_Ph_T為變量列計算獲得發(fā)射初相數(shù)據(jù)列。直接將該數(shù)據(jù)列拷貝進入MIF文件粘貼，完成MIF文件建立； 所述ROM_T_In_Phase的查找方法:ROM_T_In_Phase例化后，其存儲內容為MIF文件對應的存儲信息，以天線工作頻點為行索引參數(shù)，以天線通道單元號為列索引參數(shù)。以當前頻率點號XNum_T+i作為ROM_T_In_Phase的地址索引輸入，即可查找獲取當前天線單元當前頻率點下相應的發(fā)射初 始相位預運算數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06F17/50GK103810319SQ201310534070
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月31日 優(yōu)先權日:2013年10月31日
【發(fā)明者】江承財, 鄧龍波, 張軍, 李曉航, 張小虎, 李濤, 云龍, 陳君, 王凌 申請人:西安電子工程研究所