CN103136165B

CN103136165B - 一种基于fpga的自适应旁瓣对消权值的方法

Info

Publication number: CN103136165B
Application number: CN201310034328.0A
Authority: CN
Inventors: 徐伟; 罗丁利
Original assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Current assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: CN103136165A

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法，使用FPGA硬件平台加速处理，缩短处理延迟。算法中根据干扰数据和辅助波束权值及目标波束权值，估计辅助波束自相关矩阵，及辅助波束与目标波束互相关矩阵。并在FPGA器件内完成矩阵求逆、矩阵乘法等运算得到自适应旁瓣对消权值。整个处理的延迟主要由矩阵估计和矩阵运算两部分决定。矩阵估计运算量较小，处理延迟较小,运行时间受采样点数量影响。矩阵运算计算量较大，主要受辅助波束数量影响，对于N个辅助波束（N＜60），该部分处理延迟大约为60N+N(N-1)个时钟周期。

Description

一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体涉及一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法。

背景技术

自适应旁瓣对消技术目前已在阵列信号处理机中有所使用。自适应旁瓣对消技术的关键问题是，自适应旁瓣对消权值的计算。目前信号处理机中，大多采用DSP器件完成自适应权值的计算。但随着阵元数量的增加和权值更新速度的提高，自适应权值计算量显著增加，会导致处理延迟随之增大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法，使用FPGA硬件平台加速处理。该方法根据干扰数据、辅助波束权值、目标波束权值来计算出自适应对消权值，其中使用理论上比较成熟的矩阵求逆算法。

技术方案

一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将将外部输入的多路阵元干扰数据和波束权值分别存放在干扰数据存储区和波束权值存储区，M个采样时刻的N个阵元的干扰数据的存储区容量为M×N×32bit，A个辅助波束和T个目标波束的波束权值存储区容量为（A+T）×N×32bit；所述波束权值包括辅助波束权值和目标波束权值；

步骤2：对干扰数据进行加权处理，顺序形成同一采样时刻的多个数字波束，得到第k个辅助波束输出的第m个采样值为：得到第k个目标波束输出的第m个采样值为：其中：x(m,n)为m时刻第n个阵元干扰数据，w_a(k,n)为辅助波束第k个波束第n个阵元权值，w_t(k,n)为目标波束第k个波束第n个阵元权值；

步骤3：将辅助数字波束形成A×A维自相关矩阵Raa

辅助数字波束和目标数字波束共同形成A×T维互相关矩阵Rat：

步骤4：计算自相关矩阵Raa的逆矩阵，步骤如下：

步骤a：将自相关矩阵的元素从定点数转换为浮点数；

步骤b：初始化阶段，存储区A写入自相关矩阵和一个单位阵

所述存储区A是将两个双口RAM的写地址、写数据、写使能端口连在一起形成3端口存储器，写操作完全相同，包含2×A×A个地址，其中两个读端口地址和一个写地址端口独立可控；

步骤c：从存储区A中取出[RaaI]中一行元素和一个主对角线元素，以行元素依次除以主对角线元素，运算结果同时写入存储区B和存储区A中这一行元素所在的位置；

步骤d：从存储区A中取出对[RaaI]中的某一行元素减去存储区B的元素乘以[RaaI]中的某一个元素，结果再写回存储区A中原来位置；

步骤e：重复操作步骤c进行A次，重复步骤操d进行A×（A－1）次，原输入自相关矩阵变为单位矩阵，原单位矩阵变为自相关矩阵的逆矩阵；存储区A中数据表示为：

步骤f：从存储区A中读出矩阵Raa^-1的元素，将浮点数转换为定点数，得到自相关矩阵Raa的逆矩阵；

步骤5：将自相关矩阵的逆矩阵与互相关矩阵相乘得到对消权值Wp。Wp＝Raa^-1Rat。

有益效果

本发明提出的一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法，使用FPGA硬件平台加速处理，缩短处理延迟。算法中根据干扰数据和辅助波束权值及目标波束权值，估计辅助波束自相关矩阵，及辅助波束与目标波束互相关矩阵。并在FPGA器件内完成矩阵求逆、矩阵乘法等运算得到自适应旁瓣对消权值。整个处理的延迟主要由矩阵估计和矩阵运算两部分决定。矩阵估计运算量较小，处理延迟较小,运行时间受采样点数量影响。矩阵运算计算量较大，主要受辅助波束数量影响，对于N个辅助波束（N＜60），该部分处理延迟大约为60N+N(N-1)个时钟周期。

发明针对现有信号处理技术中，自适应旁瓣对消技术计算量大不便于工程应用的问题提出一种解决方案，具有通用性强、效率高的特点，可广泛应用于数字阵列信号处理机产品领域。

本发明与现有技术相比较，具有如下特点：

1、在FPGA内部实现了自适应旁瓣对消权值的计算，缩短了处理延迟。提高了自适应旁瓣对消算法对干扰环境变化的适应性。

2、采用了基于FPGA器件的复数矩阵求逆运算处理方法，具有结构简单、效率高的特点，可广泛应用于其他阵列信号处理机。

附图说明

图1：为FPGA顶层模块框图；

图2：为矩阵估计模块框图；

图3：为矩阵求逆模块框图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参见图1，外部输入的多路阵元干扰数据和波束权值分别存放在干扰数据存储区和波束权值存储区，其中波束权值包括辅助波束权值和目标波束权值。M个采样时刻的N个阵元的干扰数据的存储区容量为M×N×32bit，A个辅助波束和T个目标波束的波束权值存储区容量为（A+T）×N×32bit.

波束形成器采用串行计算方式，对干扰数据进行加权处理，顺序形成同一采样时刻的多个数字波束。辅助波束权值与干扰数据加权求和得到第k个辅助数字波束，第m个采样值为：

y_{a} (k, m) = Σ_{n = 1}^{N} x (m, n) w_{a} (k, n);

目标波束权值与干扰数据加权求和得到第k个目标数字波束，第m个采样值为：

y_{t} (k, m) = Σ_{n = 1}^{N} x (m, n) w_{t} (k, n);

其中：x(m,n)为m时刻第n个阵元干扰数据，w_a(k,n)为辅助波束第k个波束第n个阵元权值，w_t(k,n)为目标波束第k个波束第n个阵元权值；

矩阵估计模块根据辅助数字波束形成自A×A维自相关矩阵Raa：

辅助数字波束和目标数字波束共同形成A×T维互相关矩阵Rat：

计算自相关矩阵Raa的逆矩阵，将自相关矩阵的逆矩阵与互相关矩阵相乘得到对消权值Wp＝Raa^-1Rat。在以上运算操作处理中，无特殊说明情况下，干扰数据和波束权值均用定点复数表示。由于矩阵求逆运算数值动态范围较大，为保证数学运算处理精度，这里采用了复数单精度浮点表示，并且给出了错误标记。

参见图2，矩阵估计模块主要包括：数据准备、两个波束相乘、多个时刻数据累计、延迟器和输出控制5个子模块。每当一个采样点的多个数字波束数据到来，数据准备子模块依次从中选取两个波束数据相乘。相乘结果与延迟器输出的数据进行相加，再次送给延迟器子模块，从而实现了多个采样点数据的累加。当干相关矩阵需要重新计算时，延迟器子模块存储数据需要清零。延迟器子模块存储深度为相关矩阵的元素数量之和。输出控制逻辑将有效的相关矩阵按顺序输出。自相关矩阵估计和互相关矩阵估计处理结构基本相同，主要在数据准备子模块有所差别，延迟器存储深度有所差别。

参见图3，矩阵求逆模块主要包括：定点浮点转换、存储区A、实数除法、复数乘法、复数减法、存储区B、浮点定点转换等子模块。本发明中矩阵求逆算法具体采用了线性行列变换法，通过逐次线性消元，把输入矩阵变换为单位阵，同时得到其逆矩阵。因为采用了线性行列变换法，所以这里只涉及到除法、乘法和减法三种数学运算。存储区A是一个3端口存储器，要求其中两个读端口地址和一个写地址端口独立可控，具体可由两个双口RAM来实现。这样做是为了同时能够读取两个数据并写入一个数据，避免读写操作地址冲突、增加延迟。初始化阶段，存储区A写入输入矩阵和一个单位阵。经过处理后，原输入矩阵变为单位矩阵，原单位矩阵变为输出矩阵。需要说明的是，根据信号处理理论知识，复数采样数据自相关矩阵为厄米矩阵，其对角线元素均为实数，所以线性变换中只需做实数除法。存储区B用来存储除法结果，深度为两倍的矩阵维数。复数乘法使用4个实数乘法器实现，复数减法使用2个实数乘法器实现。为了提高计算精度，矩阵求逆模块中均采用单精度浮点数进行数学运算。数学运算中处理延迟主要来自三个运算单元，其中浮点除法延时28个时钟周期，浮点复数乘法延迟20个时钟周期（包括一级实数乘法8个时钟周期和一级实数加法12个时钟周期），浮点复数减法运算12个运算周期。对于N维矩阵（N＜60），该方法求逆处理延迟大约为60N+N(N-1)个时钟周期。为防止数学运算错误引起的最终自适应权值计算错误，造成系统性能下降，还需要对错误标记进行记录。一次矩阵求逆运算过程中，只要出现一次计算错误（主要包括数据溢出和输入数据无效），错误标记会保留至下一次矩阵求逆运算开始。

最后自相关矩阵的逆乘以互相矩阵得到自适应旁瓣对消权值，目前的软件开发工具中已经提供了矩阵乘法的IPCORE，可以直接调用。实际应用中，如果干扰数据更新速度较目标波束权值更新速度慢，可相应减慢自相关矩阵及其逆矩阵的更新速度，减少运算。

本发明特别针对自适应阵列信号处理中旁瓣对消权值计算提出一种解决方法，具有通用性强、效率高的特点。目前应采用本发明软件信号处理机以某军用地面雷达系统中进行了测试，同时该技术还将应用于某外贸雷达系统中，预计未来将带来更大的经济效益、军事效益和社会效益，并具有更加广阔的应用前景。

Claims

1.一种基于FPGA的自适应旁瓣对消权值的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将外部输入的多路阵元干扰数据和波束权值分别存放在干扰数据存储区和波束权值存储区，M个采样时刻的N个阵元的干扰数据的存储区容量为M×N×32bit，A个辅助数字波束和T个目标数字波束的波束权值存储区容量为(A+T)×N×32bit；所述波束权值包括辅助数字波束权值和目标数字波束权值；

步骤2：对干扰数据进行加权处理，顺序形成同一采样时刻的多个数字波束，得到第k个辅助数字波束输出的第m个采样值为：得到第k个目标数字波束输出的第m个采样值为：其中：x(m,n)为m时刻第n个阵元干扰数据，wa(k,n)为辅助数字波束第k个波束第n个阵元权值，wt(k,n)为目标数字波束第k个波束第n个阵元权值；

步骤3：将辅助数字波束形成A×A维自相关矩阵Raa

辅助数字波束和目标数字波束共同形成A×T维互相关矩阵Rat：

步骤4：计算自相关矩阵Raa的逆矩阵，步骤如下：

步骤a：将自相关矩阵的元素从定点数转换为浮点数；

步骤b：初始化阶段，存储区A写入自相关矩阵和一个单位阵

步骤d：先将存储区B的一行元素乘以[RaaI]的某一个元素得到一个结果，从存储区A中取出[RaaI]中的某一行元素减去上述结果，将最后结果再写回存储区A中原来位置；

步骤e：重复操作步骤c进行A次，重复操作步骤d进行A×(A－1)次，原输入自相关矩阵变为单位矩阵，原单位矩阵变为自相关矩阵的逆矩阵；存储区A中数据表示为：

步骤f：从存储区A中读出矩阵Raa_- ¹的元素，将浮点数转换为定点数，得到自相关矩阵Raa的逆矩阵；

步骤5：将自相关矩阵的逆矩阵与互相关矩阵相乘得到对消权值Wp，Wp＝Raa^-1Rat。