CN110398756A - 基于vivado+hls的北斗b3抗干扰天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，涉及天线技术领域，该抗干扰天线包括北斗一号S频点接收天线、L频点发射天线、北斗二号B3频点接收天线(四阵元)以及数字信号处理模块，数字信号处理模块的功能在FPGA中实现，该模块包括标准化处理模块和LCMV计算模块这两个主要运算模块，这两个模块均采用Xilinx官方软件VIVADO HLS软件开发，可以有效缩短开发时间，同时便于移植且能够实现高精度处理，在原有抗干扰天线的基础上进一步提升了抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线。
背景技术
空时自适应调零天线技术是从空、时二维分析输入信号的特征，在不增加阵元个数的情况下，大大增加了天线阵的自由度，从而能够增加抑制干扰信号的数量，尤其是提高了卫星接收端抵抗多个宽带干扰的能力。由于空时自适应处理需要对庞大的矩阵数据进行处理，因此在保证高精度处理和运算效率的同时减少资源消耗，缩短设计开发周期就至关重要。
现有的空时抗干扰处理设计均基于FPGA设计，但由于verilogHDL/VHDL自身语法限制，数据处理不能像MATLAB或C/C++一样保证全精度运算，因为在FPGA数字运算中，每个数据位都需要相应的寄存器存储，参与运算的数据越多，占用的资源也就越多。因此在设计开发过程中，开发者可能为了节约资源而牺牲部分精度，亦或是保证精度而浪费不少资源，若需要减少资源并且保证精度，则需要大量时间设计修正。而且抗干扰天线设计通过matlab设计开发仿真，再人为转化为RTL级代码(verilogHDL\VHDL)，设计周期较长，出错概率较大。
发明内容
本发明实施例提供了基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，所述抗干扰天线接收的信号依次经过前端射频模块、调理电路、ADC模块、FPGA、DAC模块处理后，再由后端射频模块输出，所述前端射频模块对天线接收的北斗B3频点卫星信号进行下变频处理后形成四路模拟中频信号，该四路模拟中频信号连同时钟信号一同输入到调理电路中进行处理，调理后的信号输入到两片双通道的ADC模块进行模数转换处理，得到的数字中频信号传输给FPGA，FPGA对数字中频信号进行抗干扰处理后将处理后的信号通过DAC模块转换为模拟中频信号，最终输出至后端射频模块进行上变频处理；
所述数字信号处理模块的功能在FPGA中实现，对抗功率压制型干扰采用自适应阵列信号处理，其中所述数字信号处理模块包括标准化处理模块和LCMV计算模块这两个运算模块，所述标准化处理模块用于对解调后的基带数字信号进行幅相校准，所述LCMV计算模块用于采用线性约束最小方差准则动态计算自适应滤波系数，所述FPGA利用该自适应滤波系数对校准后的信号进行自适应滤波处理，进而完成抗干扰处理，所述标准化处理模块和LCMV计算模块均采用Xilinx软件VIVADO HLS进行开发。
本发明中的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，具有以下优点：
1、突破北斗B3抗干扰天线低功耗技术，保证抗干扰性能的同时降低功耗、简化电路、节约面积；
2、可以抗3个宽带、窄带压制式干扰，抗干扰处理模块采用VIVADO HLS高层次综合工具，开发过程无需手动创建RTL，缩短了开发时间；设计可直接调用C/C++函数库，创建IP支持ISE和VIVADO设计环境，便于移植；支持浮点运算，可实现高精度处理，在原有抗干扰天线的基础上提升抗干扰性能；
3、北斗B3抗干扰天线除支持B3频点外，也支持北斗一代S频点和L频点，连接导航板实现卫星定位的同时也可以进行北斗一代短报文收发。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的抗干扰天线结构示意图；
图2为天线的硬件模块框图；
图3为天线的软件模块框图；
图4为天线的工作流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，该抗干扰天线包括北斗一号S频点接收天线、L频点发射天线、北斗二号B3频点接收天线(图1中的四阵元)以及数字信号处理模块。本发明的抗干扰天线采用分体式设计，各天线与数字信号处理模块之间采用射频连接器连接。
参照图2，北斗二号B3频点信号经过四阵元的接收天线输入后进入到前端射频模块，前端射频模块对北斗B3频点卫星信号进行下变频处理后形成四路模拟中频信号(46.52MHz±10MHz)，该四路模拟中频信号连同时钟信号一同输入到调理电路中进行处理，调理电路主要包括单端转差分、阻抗匹配等电路，调理后的信号输入到两片双通道的ADC模块进行模数转换处理，得到的数字中频信号(15.48MHz±10MHz)传输给FPGA，FPGA对数字中频信号进行下变频、抗干扰、滤波、数字上变频等处理后，最后将处理后的信号通过DAC模块转换为模拟中频信号，输出至后端射频模块进行上变频处理。
参照图3和图4，所述数字信号处理模块的功能主要在FPGA中实现，对抗功率压制型干扰采用自适应阵列信号处理，主要包括时钟生成模块、DDC模块、标准化处理模块、LCMV计算模块、抗干扰处理模块、抗干扰合路输出模块和接口模块。时钟生成模块对输入的时钟信号进行倍频和分频处理后生成数据处理过程中需要的工作时钟信号，DDC模块包括下变频模块和低通滤波器，所述下变频模块将输入的数字中频信号下变频至基带信号，经所述低通滤波器(采用35阶FIR滤波器，3dB截止频率为14.26MHz)完成信号的解调，具体来说是将数字中频信号与本地载波信号混频处理，再经过低通滤波器滤除高频分量，完成信号的解调。
标准化处理模块包括校准模块和校准控制模块，由于器件的非理想性通道间存在幅相误差，因此首次上电时需要对四路通道进行校准，向抗干扰天线的B3接收天线发射-40dBm的单载波信号，校准控制模块通过调试控制接口接收串口助手发送的控制指令开启所述校准模块，该校准模块生成通道校准系数并对解调后的基带信号进行幅相校准，同时计算得到的通道校准系数存入到EEPROM中进行掉电保护，以供下一次上电读取。
抗干扰处理模块包括可编程滤波模块、低通滤波器和有效段选取模块，LCMV计算模块采用线性约束最小方差(LCMV：Linearly Constrained Minimum Variance)准则动态计算自适应滤波系数，可编程滤波模块根据该自适应滤波系数对校准后的基带信号进行滤波处理，具体来说是将校准后的基带信号与自适应滤波系数相乘以进行滤波处理，滤波处理后的信号经过低通滤波器(采用88阶FIR滤波器，3dB截止频率为10.6MHz)滤除高频分量，再输出至所述有效段选取模块截取有效数据段，经过抗干扰处理后的I、Q支路有效信号经过所述抗干扰合路输出模块进行合路，再输出至外部的DAC模块进行数模转换后得到模拟中频信号，最终输出到后端射频模块。接口模块主要用于实现FPGA与外围芯片的交互通信，功能包括接收串口助手校准指令和配置DAC芯片工作模式(本发明配置为正交调制模式)等。
本发明中，标准化处理模块和LCMV计算模块均采用Xilinx官方软件VIVADO HLS进行开发，该软件能够将C/C++语言直接编译为可综合的逻辑，并且实现可根据不同的优化策略实现不同的资源与速度平衡，同时可以采用double数据类型实现高精度运算，因此本发明的抗干扰天线能够减少资源浪费、缩短开发时间，并保证数据的高精度处理。同时，由于VIVADO HLS软件可以生成ISE和VIVADO均可使用的IP核，具备灵活性和可移植性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，该抗干扰天线包括接收天线、发射天线和数字信号处理模块，其特征在于，所述抗干扰天线接收的信号依次经过前端射频模块、调理电路、ADC模块、FPGA、DAC模块处理后，再由后端射频模块输出，所述前端射频模块对天线接收的北斗B3频点卫星信号进行下变频处理后形成四路模拟中频信号，该四路模拟中频信号连同时钟信号一同输入到调理电路中进行处理，调理后的信号输入到两片双通道的ADC模块进行模数转换处理，得到的数字中频信号传输给FPGA，FPGA对数字中频信号进行抗干扰处理后将处理后的信号通过DAC模块转换为模拟中频信号，最终输出至后端射频模块进行上变频处理；
所述数字信号处理模块的功能在FPGA中实现，对抗功率压制型干扰采用自适应阵列信号处理，其中所述数字信号处理模块包括标准化处理模块和LCMV计算模块这两个运算模块，所述标准化处理模块用于对解调后的基带信号进行幅相校准，所述LCMV计算模块用于采用线性约束最小方差准则动态计算自适应滤波系数，所述FPGA利用该自适应滤波系数对校准后的信号进行自适应滤波处理，进而完成抗干扰处理，所述标准化处理模块和LCMV计算模块均采用Xilinx软件VIVADO HLS进行开发。
2.如权利要求1所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述抗干扰天线包括北斗一号S频点接收天线、L频点发射天线和北斗二号B3频点接收天线，所述接收天线和发射天线与数字信号处理模块之间采用射频连接器连接。
3.如权利要求1所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述数字信号处理模块还包括时钟生成模块、DDC模块、抗干扰处理模块和抗干扰合路输出模块，所述时钟生成模块对输入时钟进行倍频分频处理生成后续信号处理需要的工作时钟，所述DDC模块包括下变频模块和低通滤波器，所述下变频模块将输入的数字中频信号下变频至基带信号，经所述低通滤波器完成信号的解调，所述标准化处理模块包括校准控制模块和校准模块，所述校准控制模块通过调试控制接口接收串口助手发送的控制指令开启所述校准模块，校准模块生成通道校准系数并对基带信号进行幅相校准；
所述抗干扰处理模块包括可编程滤波模块、低通滤波器和有效段选取模块，所述LCMV计算模块生成自适应滤波系数，所述可编程滤波模块根据该自适应滤波系数对校准后的基带信号进行滤波处理，滤波处理后的信号经过所述低通滤波器滤除高频分量，再输出至所述有效段选取模块截取有效数据段，经过抗干扰处理后的I、Q支路有效信号经过所述抗干扰合路输出模块进行合路，再输出至外部的DAC模块进行数模转换后得到模拟中频信号，最终输出到后端射频模块进行上变频处理。
4.如权利要求3所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述数字信号处理模块还包括接口模块，所述接口模块用于实现FPGA与外围芯片的交互通信，用于接收串口助手校准指令和配置DAC芯片工作模式。
5.如权利要求3所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述校准模块计算得到的通道校准系数存入到EEPROM中进行掉电保护，以供下一次上电读取。
6.如权利要求3所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述可编程滤波模块将校准后的基带信号与滤波系数相乘以进行滤波处理。
7.如权利要求3所述的基于VIVADO+HLS的北斗B3抗干扰天线，其特征在于，所述DDC模块将数字信号与本地载波信号进行混频处理，完成信号的解调。
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