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1、第7卷第5期空军工程大学学报(自然科学版)Vol.7No.52006年10月JOURNALOFAIRFORCEENGINEERINGUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION)Oct.2006基于FPGA的智能天线数字波束的形成与实现陈玉峰,左继章,彭芳(空军工程大学工程学院,陕西西安710038)摘要:提出了数字波束形成的方法,该方法是利用FPGA进行空域滤波,通过DSP浮点运算,高效地实现权值估计,避免高位加法进位影响计算速度。同时使用软件方式完成自适应算法的更新,增强了系统灵活性,是一种简便易行的实现方法。关键词:智能天线;数字波
2、束形成;FPGA;空域滤波中图分类号:TN82文献标识码:A文章编号:1009-3516(2006)05-0033-03智能天线技术自提出以来一直受到广泛而持续的关注,它优异的性能使其在通信系统中具有非常大的[1]应用前景。数字波束的形成方法是智能天线核心的技术,其阵列天线方向图是求解各阵列激励的加权值后形成期望的波束形式。对于权值估计问题,文献[2]提出以均匀线形阵列估计,文献[3]又进一步提出了加权L2平均最优化,其算法理论精度较高,但具体的实现细节未涉及。基于此,我们从系统角度出发,考虑到性能和复杂度较好的折衷,提出一种易于工程化的数字波束实现方法,并
3、详细分析了影响速度和资源消耗的原因,采用并行相与相加结合流水线的技术,加快了树形乘法器的计算速度,提高数字波束的形成效率,满足智能天线数字波束指向的实时性。1智能天线数字波束的形成智能天线阵列的基本原理是根据接收准则自动地调节天线阵元的幅度和相位加权,达到最佳接收效果。智能天线所处理的信号是在时域、频域上完全重叠,只在空域上分离来自不同方向的多路用户信号,从空间[4]响应来看,智能天线所起的作用实质是一个空域滤波器,采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束,使主波束对准用户信号方向,而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向图增益,达到抑制干扰
4、的目的。虽然阵列天线的方向图是全方向的,但阵列的输出经过加权求和后,可以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,这就是波束形成的物理意义所在。由于线阵阵元数很多时,线阵口径将变得很大,会给实际使用带来困难,尤其是在频率低端,对应的波长长,天线口径将很大,所以在实际使用中多用圆形阵。圆形阵是指其阵元在半径为R的周围上等间隔排列的天线阵(见图1)。设信号入射方向与0号天线的夹角为θm,以圆心为相位参考点,则可求出第n根天线与圆心之间的相位差见式(1)。圆形阵的归一化方向图函数见式(2)。N-1Фnm=2πRcos(2πn/N-θm)/λm(1
5、)1j2πR[cos(2πn/N-θm)-cos(2πn/N-θ)]/λm
6、2Fm(θ)=
7、∑e(2)Nn=0当θ=θm时,Fm(θ)取最大值。圆形天线阵的波束形成器的复加权权值为Wnm=exp(-jФnm)=exp[-j2πRcos(2πn/N-θm)/λm]这种圆形阵波束形成天线可以在360°范围内形成任意方向的波束。当N=8,R=λm/2时,Wnm=exp[-πjcos(πn/4-θm)]的方向图见图2。收稿日期:2005-10-27基金项目:国防预研基金资助项目(413220347)作者简介:陈玉峰(1969-),男,黑龙江哈尔滨人,博士生,主要从事
8、通信信号处理、智能天线等研究;左继章(1939-),男,天津人,教授,博士生导师,主要从事通信与信号处理等研究.34空军工程大学学报(自然科学版)2006年[5]智能天线的数字处理部分一般由2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,另外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。波束形成算法是智能天线的核心和理论基础,波束形成算法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。2数字波束形成设计与实现图18元圆阵天线示意图智能天线将采用数字方法实现
9、波束成形,即数字波束形成DBF(DigitalBeam-forming)天线。使用软件设计完成自适应算法更新,可以在不改变系统硬件配置前提下,增加系统灵活性。智能天线的波束形成算法通过自适应信号处理器实现,一般均采用高速DSP完成,其最终的波束形成加权运算可以采用DSP、专用ASIC芯片或FPGA实现。图28元圆形阵的方向图本文利用ALTERA公司的EPF10KE系列器件以及该公司提供的Max+plusⅡ10.0开发软件实现了智能天线系统中的波束形成网络。阵列天线由8元圆形阵组成,自适应信号处理器由TI公司的TMS320C6701完成,而波束形成网络由3片F
10、PGA来实现。阵列天线接收信号经过AD和下变频器件后
