CN109921861A - 多通道数字抗干扰sip模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多通道数字抗干扰SIP模块，旨在提供一种可以有效减小系统尺寸，提高系统集成度的SIP模块。本发明通过下述技术方案予以实现：模数转换芯片组、数字抗干扰算法芯片顺次串联，通过数字抗干扰算法芯片输出端连接数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2组成多通道数字抗干扰SIP模块，模数转换芯片组ADCs将多通道输入的模拟信号送入数字抗干扰算法芯片，分为两路进行处理，一路通过数模转换芯片_No.1进行数字波束形成，另一路通过数模转换芯片_No.2进行自适应抗干扰处理，根据外部计算机输出控制信号提供的模块工作所需要的角度，频率信息，将自适应抗干扰处理后的干扰数字信号转换为模拟信号输出。

Description

多通道数字抗干扰SIP模块

技术领域

本发明涉及无线通讯领域的多通道自适应抗干扰技术、多通道波束形成技术和SIP封装技术。

背景技术

在无线通讯领域，对于功能传输效率、噪声、体积、重量以及成本等多方面要求越来越高，迫使无线通讯向低成本、便携式、多功能和高性能等方向发展。SiP是理想的解决方案。汽车电子是SiP的重要应用场景。汽车电子里的SiP应用正在逐渐增加。SiP在其他消费类电子中也有很多应用。这其中包括了ISP(图像处理芯片)、蓝牙芯片等。以发动机控制单元(ECU)举例，ECU由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。各类型的芯片之间工艺不同，目前较多采用SiP的方式将芯片整合在一起成为完整的控制系统。另外，汽车防抱死系统(ABS)、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统、轮胎低气压报警系统等各个单元，采用SiP的形式也在不断增多。芯片堆叠技术在SiP中应用的非常普遍,通过芯片堆叠可以有效降低SiP基板的面积,缩小封装体积。根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义：SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。从架构上来讲，SiP是将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。SIP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内，组成一个系统级的芯片，而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体，可以解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。SiP不仅是简单地将芯片集成在一起。SiP还具有开发周期短；功能更多；功耗更低，性能更优良、成本价格更低，体积更小，质量更轻等优点。SiP的应用非常广泛，主要包括：无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、电子等。随着SIP技术的发展，通过将多个裸芯片封装在同一个管壳内，可有效提高系统的集成度，减小系统尺寸。数据采集的模拟通道是将需要采集的数据经传感器转换为电压或者是电流信号输出，之后再经过调理电路将其调理成电压信号，调理之后送入到A/D转换器中。模拟通道的核心是信号调理电路。多功能数据采集卡具有16路单端模拟输入、12位模数转换器、高达100KHz采样率、1024k采样FIFO缓冲器、116路数字量输入及16路数字量输出、自动通道/增益扫描。模拟通道的核心是信号调理电路，主要为放大或是衰减电路，把采集的模拟信号放大或衰减到ADC满量程电压相对应的电平值。在数据采集的整个过程中，传感器以及电路中元器件都会产生不可避免的噪声干扰。在数据采集的过程中，环境中不可避免地存在一些高频干扰信号，干扰信号混杂在有用的信号中。当这些干扰信号频率超过了纳奎斯特频率时，数字信号中就会出现一些不可预料的干扰信号，即频率混叠现象。由于干扰信号进入数据采集系统的频谱很宽而且随机性较强，硬件抗干扰措施只能抑制某个特定频段的干扰。系统中有许多因素会影响数据测量的准确性和系统的可靠性，外界残留的干扰信号总会多多少少地侵入到智能化系统内部。常见的数据采集干扰信号有周期性的干扰信号和非周期性的不规则干扰信号两种。对于不同的干扰信号，软件滤波相应的对策也是不同的。实际上A/D转换器在转换时都会存在量化误差、噪声、漂移与增益误差等一些无法确定的因素，使得在实际应用中A/D器件的位数一般都会低于标称位数，其中噪声影响是最严重的。在数字电子系统(如计算机和利用微处理器的设备)中数据快速传输和处理产生的信号有很高的重复频率和脉冲上升时间，因此高频谐波非常显著短导线和电缆以及印制电路上的导体都是有效的辐射体，另外被控功率器件也产生能量较大的空问干扰其，它设备产生的电磁辐射作用于电缆以及印制电路上的导体也可产生干扰。通常的相控阵雷达是通过微波馈电网络来形成发射和接收波束不具有根据外部环境来自适应调整加权系数而抑制干扰的能力这显然不能适应现代复杂电磁环境。此外对常规相控阵雷达如果要同时形成多个波束则其馈电网络的设备量将成倍增加变得十分复杂。随着计算机技术、大规模集成电路和数字信号处理技术的发展，采用数字处理方法在基带实现形成相控阵雷达接收波束成为可能，这就是所谓的数字波束形成(DBF)技术。采用DBF技术较模拟方式在微波和中频上合成波束技术具有更大的灵活性和可控制性，可以同时形成多波束及赋形波束，并且可以根据外部干扰环境来自适应调整权系数，从而达到抑制干扰的目的是一种先进的雷达技术手段。这种新的相控阵体制为信号处理向更高层次发展提供了需求。空时二维杂波滤除问题就是随之产生有待解决的问题。但自适应处理往往需要系统灵活形成多波束和在线实时计算自适应权，从而涉及较大的运算量。数字波束形成(DBF)技术及超大规模集成电路(VLSI)的迅速发展为精确控制空时自适应权值和加快处理速度提供了保障，从而为空时二维自适应处理的实际应用提供了有利的条件。然而空时二维最佳处理所需的运算量是极大的，需要对大维数的杂波相关矩阵进行估计和求逆，所以其应用只限于非常小的阵列规模，而对于较大的阵列其运算量很大实时运算是相当困难的。数字波束形成(DBF)和自适应波束形成(ADBF)等。ADBF技术又称为自适应空域滤波,通过对各阵元输入信号自适应加权以实现空域自适应滤波,ADBF技术可以有效增强有用信号,抑制干扰和噪声信号。多通道数字抗干扰系统是一种空域滤波器，由多通道同时接收信号，通过特定的抗干扰算法，对通道进行不同的幅相加权，实现有用信号的叠加和干扰信号的对消。当阵列规模很大时，随着FPGA的资源需求指数级增加，数模转换器数量的增多，设备的尺寸会非常大，极大的增加了系统的成本和复杂度。空域滤波是用一定形状的波束来通过有用信号或需要方向的信号并抑制不需要方向的干扰，因而又称为波束形成。其实质是一个多通道的阵列信号处理系统，既不同于通常信号的时域处理也不同于频域处理，是一个空域滤波的概念。因为叠加在一起(时间上同时到达)的几个信号占有相同的频带时，通常的时域滤波和频域滤波己不能将它们分开，但是这些信号通常来自不同的方向，波束形成就是利用这种空域的分离性来实现信号的空域处理的。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种可以有效减小系统尺寸，提高系统集成度，实现系统级综合的自适应抗干扰功能的多通道数字抗干扰SIP模块。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种多通道数字抗干扰SIP模块，包括：模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片、数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2，其特征在于：模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片顺次串联，通过数字抗干扰算法芯片输出端连接数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2组成多通道数字抗干扰SIP芯片，其中，模数转换芯片组ADCs将多通道输入的模拟信号，包括有用信号和干扰信号转换为数字信号，并送入数字抗干扰算法芯片将输入的数字信号分为两路进行处理，一路通过数模转换芯片_No.1进行数字波束形成，将数字波束形成后的数字信号转换为模拟信号，另一路通过数模转换芯片_No.2进行自适应抗干扰处理，保留有用信号，根据外部计算机输出控制信号提供的模块工作所需要的角度，频率信息，将自适应抗干扰处理后的干扰数字信号转换为模拟信号输出。

本发明的有益效果是：

本发明采用模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片顺次串联，通过数字抗干扰算法芯片输出端连接数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2组成多通道数字抗干扰SIP芯片模块，通过将模数转换芯片组，数字抗干扰算法芯片和数模转换芯片进行芯片级集成，有效的提高系统的集成度，减小了传统数字抗干扰系统的尺寸。可以将传统数字抗干扰模块(尺寸约100mm×100mm×16mm)集成为一个器件(尺寸为23mm×23mm×4.6mm)。

本发明采用模数转换芯片组ADCs，将多通道输入的模拟信号，包括有用信号和干扰信号转换为数字信号，并送入数字抗干扰算法芯片将输入的数字信号分为两路进行处理，一路通过数模转换芯片_No.1进行数字波束形成，将数字波束形成后的数字信号转换为模拟信号，另一路通过数模转换芯片_No.2进行自适应抗干扰处理，保留有用信号，可以避免传统数字抗干扰系统必须依赖进口FPGA器件的问题。

附图说明

图1是多通道自适应抗干扰波束形成模块的电路组成框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种多通道数字抗干扰SIP模块，包括：模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片、数模转换芯片_No.1)和数模转换芯片_No.2。模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片顺次串联，通过数字抗干扰算法芯片输出端连接数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2组成多通道数字抗干扰SIP芯片，其中，模数转换芯片组ADCs将多通道输入的模拟信号，包括有用信号和干扰信号转换为数字信号，并送入数字抗干扰算法芯片将输入的数字信号分为两路进行处理，一路通过数模转换芯片_No.1进行数字波束形成，DAC1将数字波束形成后的数字信号转换为模拟信号，另一路通过数模转换芯片_No.2进行自适应抗干扰处理，保留有用信号，根据外部计算机输出控制信号提供的正常工作所需要的角度，频率信息，将自适应抗干扰处理后的数字信号转换为模拟信号输出。

其中模数转换芯片组包括若干个(≥1)采样通道的ADC芯片；

数字抗干扰算法芯片包括微处理器PowerPC,PowerPC是一种RISC架构的CPU，串行外设接口SPI(SerialPeripheralInterface,),Flash等IP核(IntellectualPropertycore)构成，

数字抗干扰算法芯片通过金丝键合与模数转换芯片组相连。数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2各包含至少一个通过金丝键合与数字抗干扰算法芯片(2)相连的DAC芯片。

通过多通道数字抗干扰SIP模块上的串行外设接口SPI与外部计算机相连，给数字抗干扰算法芯片提供正常工作所需要的角度，频率信息。

采样通道数量≥1模数转换芯片组将输入的多通道模拟信号采样，得到数字信号X，数据格式为：

其中，N为采样通道数量，m为第m个采样点，x_Nm表示第N个通道，第m个采样点的数据。

数字抗干扰算法芯片接收到前级模数转换芯片组输出的多通道数字信号X后，进行数字波束形成和自适应抗干扰两种算法运算：数字波束形成运算是依据阵列波束合成方法，通过控制信号提供的扫描角度，计算出每个通道的加权向量W＝[w₁,w₂,w_N]，并将其与数字信号X相乘后得到合成信号Y₁：Y₁＝X·W＝X₁·w₁+…+X_N·w_N。

数字抗干扰算法芯片依据线性约束最小方差准则自适应抗干扰运算通过控制信号提供的扫描角度，计算出每个通道的加权向量W′＝[w′₁,w′₂ w′_N]，并将其与数字信号X相乘后得到合成信号Y₂：Y₂＝X·W′＝X₁·w′₁+…+X_N·w′_N，数模转换芯片_No.1将前级数字抗干扰算法芯片输出的数字信号Y₁转换成模拟信号，并输出；数模转换芯片_No.2将前级数字抗干扰算法芯片输出的数字信号Y₂转换成模拟信号，并输出。

以上描述的本发明的实施例是以预定形式的本发明的元素和特征的组合。元素或特征可以被看作选择性的，除非另外说明。每一个元素或特征可以不与其他元素或特征组合地被实施。而且，可以通过组合元素和/或特征的部分来构造本发明的实施例。可以重新排列在本发明的实施例中描述的操作顺序。任何一个实施例的一些构造可以被包括在另一个实施例中，并且可以被替换为另一个实施例的对应的构造。

Claims (10)

1.一种多通道数字抗干扰SIP模块，包括：模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片、数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2，其特征在于：模数转换芯片组ADCs、数字抗干扰算法芯片顺次串联，通过数字抗干扰算法芯片输出端连接数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2组成多通道数字抗干扰SIP芯片，其中，模数转换芯片组ADCs将多通道输入的模拟信号，包括有用信号和干扰信号转换为数字信号，并送入数字抗干扰算法芯片将输入的数字信号分为两路进行处理，一路通过数模转换芯片_No.1进行数字波束形成，将数字波束形成后的数字信号转换为模拟信号，另一路通过数模转换芯片_No.2进行自适应抗干扰处理，保留有用信号，根据外部计算机输出控制信号提供的模块工作所需要的角度，频率信息，将自适应抗干扰处理后的干扰数字信号转换为模拟信号输出。

2.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：模数转换芯片组包括：若干个≥1采样通道的ADC芯片。

3.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数字抗干扰算法芯片包括微处理器CPU，串行外设接口，FlashIP核(IntellectualPropertycore)构成。

4.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数字抗干扰算法芯片通过金丝键合与模数转换芯片组相连。

5.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数模转换芯片_No.1和数模转换芯片_No.2各包含至少一个通过金丝键合与数字抗干扰算法芯片相连的DAC芯片。

6.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：模数转换芯片组将输入的多通道模拟信号采样，得到数字信号X，数据格式为：

其中，N为采样通道数量，m为第m个采样点，x_Nm表示第N个通道，第m个采样点的数据。

7.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数字抗干扰算法芯片接收到前级模数转换芯片组输出的多通道数字信号X后，进行数字波束形成和自适应抗干扰两种算法运算。

8.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数字波束形成运算依据阵列波束合成，通过控制信号提供的扫描角度，计算出每个通道的加权向量W＝[w₁，w₂，w_N]，并将其与数字信号X相乘后得到合成信号Y₁：Y₁＝X·W＝X₁·w₁+ …+X_N·w_N。

9.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数字抗干扰算法芯片依据线性约束最小方差准则和控制信号提供的扫描角度信息，通过自适应抗干扰运算，计算出每个通道的加权向量W′＝[w′₁，w′₂w′_N]，并将其与数字信号X相乘后得到合成信号Y₂：Y₂＝X·W′＝X₁·w′₁+…+X_N·w′_N。

10.如权利要求1所述的多通道数字抗干扰SIP模块，其特征在于：数模转换芯片_No.1将前级数字抗干扰算法芯片输出的数字信号Y₁转换成模拟信号，并输出，数模转换芯片_No.2将前级数字抗干扰算法芯片输出的数字信号Y₂转换成模拟信号，并输出。