CN113219434B - 一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计提出了一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统和方法，包括上位机、Zynq芯片模块、AD/DA转换模块；上位机与Zynq芯片模块连接，用于发送工作模式指令并接收回传的监测数据，所述Zynq芯片模块与AD/DA转换模块相连，用于形成波束并将波束数据送入AD/DA转换模块，生成调零电路中频信号，传输至后续电路；所述AD/DA转换模块用于将经过AD采用后的中频信号输入Zynq芯片模块并接收Zynq芯片模块生成的波束数据。本发明在小规模阵列背景下可代替以往成本昂贵的FPGA+DSP架构，两个单元独立并行、协同工作，通过Zynq内部的AXI‑GP接口与AXI总线实现高速的数据交互功能，进一步提高系统的整体性能，高效地实现了自适应宽带数字调零电路设计。

Description

一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统和方法
技术领域
本发明属于数字阵列信号处理领域，特别涉及一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统和方法。
背景技术
近年来阵列信号处理在雷达、声纳、通信、地震勘探、天文以及医学诊断等多个国民经济和国防技术领域均得到了应用，目前窄带阵列信号处理的研究工作较为广泛，但随着阵列信号处理应用的范围逐渐扩大，越来越多宽带信号的处理问题不容忽视，比如声纳系统中，为了获得高距离分辨率和高多普勒分辨率，提高目标的分辨能力和系统抗干扰能力，需要运用到宽带信号；另外近年来通信领域也越来越需要大量使用宽带信号，显然仅仅依赖窄带阵列信号处理技术研究已经无法满足应用需求，因此宽带阵列信号处理技术应运而生。
宽带数字波束形成技术作为阵列信号处理的重要组成部分，用于控制阵列各阵元在通带范围内形成不同形状的波束。对接收到的宽带信号进行波束形成时，根据干扰与期望信号的来波方向不同，对阵列采集到的数据进行先期组合处理，得到一个标量波束输出，使波束对准期望信号方向，在干扰方向产生零陷，以起到有效地增强宽带期望信号、抑制宽带干扰信号的作用。
伴随着阵列信号处理以及FPGA和DSP为代表的一系列数字信号处理芯片的快速发展，雷达信号处理技术也得到了飞速发展，包括高性能数字信号处理器件的广泛使用以及各种信号处理架构的实现。就目前而言，典型的阵列信号处理架构一般采用基于FPGA信号处理平台、基于DSP信号处理平台以及基于FPGA+DSP架构平台。
对于目前小规模阵列背景下典型的自适应宽带数字调零电路设计的FPGA+DSP架构而言，采用分立式架构实现复杂、成本相对较高；实现数据交互时DSP与FPGA之间通过片外总线进行交互，受干扰影响较大，系统可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统和方法，在小规模阵列背景下代替成本昂贵的FPGA+DSP架构，仅通过一块Zynq芯片就可以完整的实现自适应宽带数字波束形成功能。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，包括上位机、Zynq芯片模块、AD/DA转换模块；
所述上位机与Zynq芯片模块连接，用于发送工作模式指令并接收回传的监测数据，所述Zynq芯片模块与AD/DA转换模块相连，用于形成波束并将波束数据送入AD/DA转换模块，生成调零电路中频信号，传输至后续电路。
所述AD/DA转换模块用于将经过AD采用后的中频信号输入Zynq芯片模块并接收Zynq芯片模块生成的波束数据。
一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零方法，包括以下步骤：
步骤1、Zynq芯片的PS单元内，上电复位后启动主处理器核CPU0，在CPU0初始化后，通过软件编程唤醒处理器核CPU1，根据软件编程配置的参数将配置数据通过AXI接口传输至Zynq芯片的PL单元进行参数配置；
步骤2：处理器核CPU1被唤醒后，分别进行初始化中断控制器及系统中断、注册中断服务函数工作后接收到来自上位机的工作模式选择指令，选择通道均衡模式；
步骤3：Zynq芯片的PL单元接收AD/DA模块传输的来波数据，通过数据下变频模块将采样的中频信号下变频至零中频信号，并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内，计算相应的通道均衡权系数，并将GPIO中断指令传输至PS单元；
步骤4：PS单元内中处于通道均衡模式下循环等待状态的处理器核CPU1收到来自PL单元的GPIO中断指令后，读取相应地址的通道均衡计算数据，读取完成后进行数据重排，并根据时域通道均衡模式方法计算出均衡权系数；并将计算结果通过AXI总线回传至PL单元；
步骤4：PL单元内的通道均衡模块读取通道均衡权系数并对各通道实现均衡滤波处理；
步骤5：抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
步骤6：协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，并将GPIO中断指令传输至PS单元，计算自适应宽带波束形成权重系数；
步骤7：PS单元内的处理器核CPU1进入正常工作模式工作，收到来自PL单元的GPIO中断指令后，计算自适应宽带波束形成权重系数，并将计算结果通过AXI总线回传至Zynq芯片的PL单元；
步骤8：PL单元接收到GPIO指令后读取已计算完成的自适应权重系数存入随机存储器中，等待传输至波束形成模块；波束形成模块接收到来自抽取后的数据与计算完成的自适应权重系数，进行波束形成计算，最终波束形成数据，并通过DA单元传输至后续处理电路。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)本发明给出了一种基于全新架构且适合工程实现的数字处理电路，采用Zynq系列PL+PS平台实现自适应宽带数字调零电路，通过PL单元与PS单元并行、协同工作，完成了自适应数字波束形成在工程上的实现，在小规模阵列背景下可代替以往FPGA+DSP架构，有效降低了工程实现复杂性与实现成本；
(2)相较于以往FPGA+DSP架构中在FPGA中实现AD/DA模块参数配置的方式，本发明采用的Zynq芯片PL单元与PS单元具备软硬件协同工作的能力，通过在PS单元内的CPU0通过软件编程的模式配置AD/DA参数，在调试工作中实现实时快速修改；
(3)相较于FPGA与DSP的数据通信而言，Zynq芯片内部的PS单元与PL单元之间的通信由片外总线改为了片内总线，大大提高了抗干扰能力，从而提高了系统的可靠性；
(4)本发明在硬件电路板上，减少了一个DSP芯片的面积，也减少DSP与FPGA之间通信总线的面积，从而有效减少了硬件布板面积，有利于硬件电路板的小型化设计，且与传统分立式的DSP+FPGA架构相比，成本与功耗也大大降低。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明中基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统结构图。
图2为本发明中基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统的各模块详细框图。
图3为本发明中基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零方法中PS单元中双处理器核运行流程示意图。
图4为本发明中PS与PL单元数据交互结构示意图。
图5为本发明中的数字波束形成模块算法示意图。
图6为本发明中的协方差矩阵计算算法示意图。
图7为本发明中的协方差矩阵计算结构示意图。
具体实施方式
本发明针对突破目前已有雷达信号处理技术架构的想法，给出一种基于Zynq系列PL+PS平台的新型自适应宽带数字调零电路设计，在工程上设计了一种全新的雷达信号处理架构。
一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，包括上位机、Zynq芯片模块、AD/DA转换模块；
所述上位机与Zynq芯片模块连接，用于发送工作模式指令并接收回传的监测数据，所述Zynq芯片模块与AD/DA转换模块相连，用于形成波束并将波束数据送入AD/DA转换模块，生成调零电路中频信号，传输至后续电路。
所述AD/DA转换模块用于将经过AD采用后的中频信号输入Zynq芯片模块并接收Zynq芯片模块生成的波束数据。
所述Zynq芯片模块内包括PL单元与PS单元，PL单元与PS单元独立并行工作，同时进行数据交互和协同工作。
所述PL单元包括数字下变频模块、通道均衡模块、抽取模块、协方差矩阵计算模块和波束形成计算模块；
所述数字下变频模块用于将利用AD/DA转换模块中的AD单元采样后的中频信号下变频至零中频信号，数字下变频模块利用软件无线电原理，通过优化选择中心频率和采样频率，采用免混频数字正交下变频结构将来波数据转换成两路正交I/Q数据；并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内计算相应的通道均衡权系数；
所述通道均衡模块用于读取PS单元计算得出的通道均衡权系数，并对各通道实现均衡滤波处理，补偿各通道的幅度相位响应失配，抵消各通道之间幅度相位响应失配所带来的通道幅频响应不一致问题；
所述抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
所述协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，用于计算自适应宽带波束形成权重系数；
所述波束形成计算模块用于读取相应的自适应权重系数与抽取后的数据进行波束形成计算得到最终波束形成数据，将波束形成后数据送入AD/DA转换模块中的DA单元。
所述PS单元双处理器核通过软件编程模式实现参数配置与数据处理的功能，并完成工作模式选择以及通道均衡权系数与自适应权重系数的计算；
其中主处理器核CPU0配置各种工作参数，包括接收回波数据的AD/DA参数配置、PS平台初始化配置、唤醒处理器核CPU1；
处理器核CPU1根据上位机通过串口发送的工作模式指令选择进入通道均衡模式或者正常工作模式，分别完成读取来自PL单元的均衡计算数据或协方差矩阵数据、进行通道均衡权系数计算或自适应宽带波束形成权重系数计算工作以及将计算结果回传至PL单元。
所述通道均衡模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1收到PL单元的GPIO中断指令后后进入中断服务函数，首先开始读取均衡计算数据，读取完成后对接收到的数据进行重新排列，还原数据维度，再通过时域通道均衡算法计算出通道均衡权系数写入相应的AXI接口地址中，并回传至PL单元；
所述正常工作模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1在收到PL单元的GPIO中断指令后后进入中断服务函数，首先开始读取协方差矩阵上三角或下三角元素，在数据读取完成后进行数据重排、添加约束向量、求解权重系数的处理，之后将计算得到的自适应宽带波束形成权重系数回传至PL单元。
所述协方差矩阵计算模块采用快速协方差矩阵计算方法，由于协方差矩阵存在共轭对称的性质，故只需计算协方差矩阵中的上、下三角元素中的其中一个，即可减少一半计算量；
另外由于来波数据经过抽取模块降低了数据率后再进行协方差矩阵计算，因此可以通过合理选择抽取倍数来协调数据率与工作时钟的关系，在计算协方差矩阵时采用时分复用的形式进行，有效的提高资源利用率，考虑到总计算量复杂性与时效性，在采用时分复用方式的同时，设计多个相同结构的子模块并行工作，有效地提高了计算时效性；
计算协方差矩阵数据时采用时分复用的形式，并采用多个相同的子模块同时并行处理抽取后数据。
所述PL单元与PS单元之间通过AXI接口和AXI总线进行双向数据交互；
首先PS单元中的主处理器核CPU0将通过软件编程模式配置的参数数据传送至AXI_GP接口，随后经过AXI总线传输至AXI互联核后分配至单独的AXI接口再连接至PL单元的AXI_SPI核，转换出AD配置参数传输至AD_DA配置接口部分，其中AXI互联核是实现一个主设备与多个从设备连接之间的映射分配工作；
AD/DA配置完成后，PL单元内各模块开始工作，当PL单元计算出均衡计算数据/协方差矩阵数据后将计算结果存入随机存取存储器中等待传输，之后数据通过AXI_bram_ctrl核转换成AXI总线数据格式传输至PS单元中，同时PL发出GPIO中断指令至AXI_GPIO核再通过AXI总线、AXI互联核传送至PS单元，PS单元中的处理器核CPU1收到GPIO指令进入中断，开始读取数据并进行相应的计算处理；当处理器核CPU1计算出相应的均衡权系数/自适应权重系数后，产生GPIO指令通过AXI总线、AXI_GPIO核传输至PL单元，通知PL单元接收回传数据，同时将计算好的数据写入AXI_GP接口对应的地址中，并通过AXI总线与AXI互联核以及AXI_bram_ctrl核传送至PL单元的随机存储器中，等待后续处理。
一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零方法，包括以下步骤：
步骤1、Zynq芯片的PS单元内，上电复位后启动主处理器核CPU0，在CPU0初始化后，通过软件编程唤醒处理器核CPU1，根据软件编程配置的参数将配置数据通过AXI接口传输至Zynq芯片的PL单元进行参数配置；
步骤2：处理器核CPU1被唤醒后，分别进行初始化中断控制器及系统中断、注册中断服务函数工作后接收到来自上位机的工作模式选择指令，选择通道均衡模式；
步骤3：Zynq芯片的PL单元接收AD/DA模块传输的来波数据，通过数据下变频模块将采样的中频信号下变频至零中频信号，并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内，计算相应的通道均衡权系数，并将GPIO中断指令传输至PS单元；
步骤4：PS单元内中处于通道均衡模式下循环等待状态的处理器核CPU1收到来自PL单元的GPIO中断指令后，读取相应地址的通道均衡计算数据，读取完成后进行数据重排，并根据时域通道均衡模式方法计算出均衡权系数；并将计算结果通过AXI总线回传至PL单元；
步骤4：PL单元内的通道均衡模块读取通道均衡权系数并对各通道实现均衡滤波处理；
步骤5：抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
步骤6：协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，并将GPIO中断指令传输至PS单元，计算自适应宽带波束形成权重系数；
步骤7：PS单元内的处理器核CPU1进入正常工作模式工作，收到来自PL单元的GPIO中断指令后，计算自适应宽带波束形成权重系数，并将计算结果通过AXI总线回传至Zynq芯片的PL单元；
步骤8：PL单元接收到GPIO指令后读取已计算完成的自适应权重系数存入随机存储器中，等待传输至波束形成模块；波束形成模块接收到来自抽取后的数据与计算完成的自适应权重系数，进行波束形成计算，最终波束形成数据，并通过DA单元传输至后续处理电路。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例
如图1和图2所示，一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，包括上位机、Zynq芯片模块、AD/DA转换模块；
所述上位机与Zynq芯片模块连接，用于发送工作模式指令并接收回传的监测数据，所述Zynq芯片模块与AD/DA转换模块相连，用于形成波束并将波束数据送入AD/DA转换模块，生成调零电路中频信号，传输至后续电路。
所述AD/DA转换模块用于将经过AD采用后的中频信号输入Zynq芯片模块并接收Zynq芯片模块生成的波束数据。
所述Zynq芯片模块内包括PL单元与PS单元，PL单元与PS单元独立并行工作，同时进行数据交互和协同工作。
所述PL单元包括数字下变频模块、通道均衡模块、抽取模块、协方差矩阵计算模块和波束形成计算模块；
所述数字下变频模块用于将利用AD/DA转换模块中的AD单元采样后的中频信号下变频至零中频信号，数字下变频模块利用软件无线电原理，通过优化选择中心频率和采样频率，采用免混频数字正交下变频结构将来波数据转换成两路正交I/Q数据；并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内计算相应的通道均衡权系数；
所述通道均衡模块用于读取PS单元计算得出的通道均衡权系数，并对各通道实现均衡滤波处理，补偿各通道的幅度相位响应失配，抵消各通道之间幅度相位响应失配所带来的通道幅频响应不一致问题；
所述抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
所述协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，用于计算自适应宽带波束形成权重系数；
所述波束形成计算模块用于读取相应的自适应权重系数与抽取后的数据进行波束形成计算得到最终波束形成数据，将波束形成后数据送入AD/DA转换模块中的DA单元。
如图3所示，所述PS单元双处理器核通过软件编程模式实现参数配置与数据处理的功能，并完成工作模式选择以及通道均衡权系数与自适应权重系数的计算；
其中主处理器核CPU0配置各种工作参数，包括接收回波数据的AD/DA参数配置、PS平台初始化配置、唤醒处理器核CPU1；
处理器核CPU1根据上位机通过串口发送的工作模式指令选择进入通道均衡模式或者正常工作模式，分别完成读取来自PL单元的均衡计算数据或协方差矩阵数据、进行通道均衡权系数计算或自适应宽带波束形成权重系数计算工作以及将计算结果回传至PL单元。
所述通道均衡模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1收到PL单元的GPIO中断指令后进入中断服务函数，首先开始读取均衡计算数据，读取完成后对接收到的数据进行重新排列，还原数据维度，再通过时域通道均衡算法计算出通道均衡权系数写入相应的AXI接口地址中，并回传至PL单元；
所述正常工作模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1在收到PL单元的GPIO中断指令后进入中断服务函数，首先开始读取协方差矩阵上三角或下三角元素，在数据读取完成后进行数据重排、添加约束向量、求解权重系数的处理，之后将计算得到的自适应宽带波束形成权重系数回传至PL单元。
所述协方差矩阵计算模块采用快速协方差矩阵计算方法，由于协方差矩阵存在共轭对称的性质，故只需计算协方差矩阵中的上、下三角元素中的其中一个，即可减少一半计算量；
另外由于来波数据经过抽取模块降低了数据率后再进行协方差矩阵计算，因此可以通过合理选择抽取倍数来协调数据率与工作时钟的关系，在计算协方差矩阵时采用时分复用的形式进行，有效的提高资源利用率，考虑到总计算量复杂性与时效性，在采用时分复用方式的同时，设计多个相同结构的子模块并行工作，有效地提高了计算时效性；
计算协方差矩阵数据时采用时分复用的形式，并采用多个相同的子模块同时并行处理抽取后数据。
如图4所示，所述PL单元与PS单元之间通过AXI接口和AXI总线进行双向数据交互；
首先PS单元中的主处理器核CPU0将通过软件编程模式配置的参数数据传送至AXI_GP接口，随后经过AXI总线传输至AXI互联核后分配至单独的AXI接口再连接至PL单元的AXI_SPI核，转换出AD配置参数传输至AD_DA配置接口部分，其中AXI互联核是实现一个主设备与多个从设备连接之间的映射分配工作；
AD/DA配置完成后，PL单元内各模块开始工作，当PL单元计算出均衡计算数据/协方差矩阵数据后将计算结果存入随机存取存储器中等待传输，之后数据通过AXI_bram_ctrl核转换成AXI总线数据格式传输至PS单元中，同时PL发出GPIO中断指令至AXI_GPIO核再通过AXI总线、AXI互联核传送至PS单元，PS单元中的处理器核CPU1收到GPIO指令进入中断，开始读取数据并进行相应的计算处理；当处理器核CPU1计算出相应的均衡权系数/自适应权重系数后，产生GPIO指令通过AXI总线、AXI_GPIO核传输至PL单元，通知PL单元接收回传数据，同时将计算好的数据写入AXI_GP接口对应的地址中，并通过AXI总线与AXI互联核以及AXI_bram_ctrl核传送至PL单元的随机存储器中，等待后续处理。
本实施例中阵元数为4，时延抽头数为8，中频信号频率为125MHz，工作时钟为100MHz，本实施例中自适应宽带数字波束形成frost结构如图5所示；
一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零方法，包括以下步骤：
步骤1、Zynq芯片的PS单元内，上电复位后启动主处理器核CPU0，在CPU0初始化后，通过软件编程唤醒处理器核CPU1，根据软件编程配置的参数将配置数据通过AXI接口传输至Zynq芯片的PL单元进行参数配置；
步骤2：处理器核CPU1被唤醒后，分别进行初始化中断控制器及系统中断、注册中断服务函数工作后接收到来自上位机的工作模式选择指令，选择通道均衡模式；
步骤3：Zynq芯片的PL单元接收AD/DA模块传输的来波数据，通过数据下变频模块将采样的中频信号下变频至零中频信号，并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内，计算相应的通道均衡权系数，并将GPIO中断指令传输至PS单元；
步骤4：PS单元内中处于通道均衡模式下循环等待状态的处理器核CPU1收到来自PL单元的GPIO中断指令后，读取相应地址的通道均衡计算数据，读取完成后进行数据重排，并根据时域通道均衡模式方法计算出均衡权系数；并将计算结果通过AXI总线回传至PL单元；
步骤4：PL单元内的通道均衡模块读取通道均衡权系数并对各通道实现均衡滤波处理；
步骤5：抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度，本实施例中对均衡滤波后的数据采取4倍抽取的方式，降低了数据率，此时数据率变为了25MHz；
步骤6：协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，并将GPIO中断指令传输至PS单元，计算自适应宽带波束形成权重系数；
步骤7：PS单元内的处理器核CPU1进入正常工作模式工作，收到来自PL单元的GPIO中断指令后，计算自适应宽带波束形成权重系数，并将计算结果通过AXI总线回传至Zynq芯片的PL单元；
快速协方差矩阵计算方法的具体实施如下所示：
设阵元1对应的滤波抽取输出信号为x1(k)，阵元2对应的滤波抽取输出信号为x2(k)，阵元3对应的滤波抽取输出信号为x3(k)，阵元4对应的滤波抽取输出信号为x4(k)，共包含四路复数信号。
定义信号x(k)：
x(k)＝[x1(k),x2(k),x3(k),x4(k),x1(k-1),x2(k-1)……x3(k-7),x4(k-7)]
x(k)为复数矩阵，大小为32×1，空时协方差矩阵的计算公式：
Figure BDA0003041334800000111
其中，Rx表示大小为32×32的复数矩阵，为很多次采样快拍计算结果累加后的结果，x(k)H表示x(k)的共轭转置，是大小为的1×32的复数矩阵，SNAP表示采样快拍总个数。从计算公式可以看出对于每一个采样快拍x(k)，均需要做1024次复数乘法，同时需要不断累加不同采样快拍的计算结果。
滤波抽取后输出信号的数据率为25MHz，协方差计算模块的工作时钟为100MHz，时域抽头数为8，空时协方差矩阵大小为32×32；
考虑到硬件资源有限，每连续八个采样快拍数算一次协方差，即实际有效数据率降为3.125MHz，通过仿真验证到简化后的方式对抗干扰性能没有影响。
又因为协方差矩阵是共轭对称的，故上三角元素和下三角元素只需要计算其中之一即可，主对角元素共有32个，整个矩阵共包含1024个元素，故实际中只需要计算上三角元素和主对角元素即可，共包含528个元素。
实际工作中采用时分复用的方式，由于有效数据率只有3.125MHz，故资源可以采用32周期时分复用的方式，这样17个复数乘法器在32个时钟周期内即可完成544次复数乘法，而实际只需要计算528个协方差矩阵元素，因此最后16次复数乘法可以对最后一个元素反复计算16次。整个计算模块共分为17个子模块并行处理，每一个子模块负责计算544个结果中的32个结果，即第1个子模块负责计算协方差矩阵的前32个元素；第2个子模块负责计算协方差矩阵的依次32个元素，…第17个子模块负责计算协方差矩阵的最后16个矩阵元素且最后一个元素反复计算16次，具体的元素顺序如图6所示。
并行子模块的设计结构如图7所示，具体处理流程如下：
第一步、将4个阵元时域上每连续8个采样快拍数据存储在32个复数寄存器中，用于接下来的协方差矩阵计算，数据组成一个大小为32×1的复数矩阵。
第二步、按照如上协方差矩阵的计算公式，采用时分复用的形式，取出第一步中32个寄存器的值送至对应的复数乘法器用于计算，每一个复数乘法器负责计算协方差矩阵中的32个矩阵元素。
第三步、对第二步的计算结果进行累加，采用复数加法器和随机存储器的结构，当计满目标次数的采样快拍数据时，即完成了协方差矩阵的计算，由于此时需要将上述随机存储器中协方差矩阵结果清零，所以将最终的协方差矩阵计算结果写入另外的随机存储器中等待与PS单元进行数据交互。
步骤8：PL单元接收到GPIO指令后读取已计算完成的自适应权重系数存入随机存储器中，等待传输至波束形成模块；波束形成模块接收到来自抽取后的数据与计算完成的自适应权重系数，进行波束形成计算，最终波束形成数据，并通过DA单元传输至后续处理电路。
本发明给出了一种基于全新架构且适合工程实现的数字处理电路，采用Zynq系列PL+PS平台实现自适应宽带数字调零电路，通过PL单元与PS单元并行、协同工作，完成了自适应数字波束形成在工程上的实现，有效降低了工程实现复杂性与实现成本。

Claims (6)

1.一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，其特征在于，包括上位机、Zynq芯片模块、AD/DA转换模块；
所述上位机与Zynq芯片模块连接，用于发送工作模式指令并接收回传的监测数据，所述Zynq芯片模块与AD/DA转换模块相连，用于形成波束并将波束数据送入AD/DA转换模块，生成调零电路中频信号，传输至后续电路；
所述AD/DA转换模块用于将经过AD采用后的中频信号输入Zynq芯片模块并接收Zynq芯片模块生成的波束数据；
所述Zynq芯片模块内包括PL单元与PS单元，PL单元与PS单元独立并行工作，同时进行数据交互和协同工作；
所述PL单元包括数字下变频模块、通道均衡模块、抽取模块、协方差矩阵计算模块和波束形成计算模块；
所述数字下变频模块用于将利用AD/DA转换模块中的AD单元采样后的中频信号下变频至零中频信号，并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内计算相应的通道均衡权系数；
所述通道均衡模块用于读取PS单元计算得出的通道均衡权系数，并对各通道实现均衡滤波处理，抵消各通道之间幅度相位响应失配所带来的通道幅频响应不一致问题；
所述抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
所述协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，用于计算自适应宽带波束形成权重系数；
所述波束形成计算模块用于读取相应的自适应权重系数与抽取后的数据进行波束形成计算得到最终波束形成数据，将波束形成后数据送入AD/DA转换模块中的DA单元。
2.根据权利要求1所述的基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，其特征在于，所述PS单元双处理器核实现参数配置与数据处理的功能，其中主处理器核CPU0配置各种工作参数，包括接收回波数据的AD/DA参数配置、PS平台初始化配置、唤醒处理器核CPU1；
处理器核CPU1根据上位机通过串口发送的工作模式指令选择进入通道均衡模式或者正常工作模式，分别完成读取来自PL单元的均衡计算数据或协方差矩阵数据、进行通道均衡权系数计算或自适应宽带波束形成权重系数计算工作以及将计算结果回传至PL单元。
3.根据权利要求2所述的基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，其特征在于，所述通道均衡模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1收到PL单元的GPIO中断指令后开始读取均衡计算数据，再通过时域通道均衡算法计算出通道均衡权系数并回传至PL单元；
所述正常工作模式具体为：处于循环等待状态的处理器核CPU1在收到PL单元的GPIO中断指令后开始读取协方差矩阵上三角元素，在数据读取完成后进行数据重排、添加约束向量、求解权重系数的处理，之后将计算得到的自适应宽带波束形成权重系数回传至PL单元。
4.根据权利要求1所述的基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，其特征在于，所述协方差矩阵计算模块采用快速协方差矩阵计算方法，只计算协方差矩阵中的上、下三角元素中的其中一个；
计算协方差矩阵数据时采用时分复用的形式，并采用多个相同的子模块同时并行处理抽取后数据。
5.根据权利要求3所述的基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零系统，其特征在于，所述PL单元与PS单元之间通过AXI接口和AXI总线进行双向数据交互；
首先PS单元中的主处理器核CPU0将通过软件编程模式配置的参数数据传送至AXI_GP接口，随后经过AXI总线传输至AXI互联核后分配至单独的AXI接口再连接至PL单元的AXI_SPI核，转换出AD配置参数传输至AD_DA配置接口部分；
AD/DA配置完成后，PL单元内各模块开始工作，当PL单元计算出均衡计算数据/协方差矩阵数据后将计算结果存入随机存取存储器中等待传输，之后数据通过AXI_bram_ctrl核转换成AXI总线数据格式传输至PS单元中，同时PL发出GPIO中断指令至AXI_GPIO核再通过AXI总线、AXI互联核传送至PS单元，PS单元中的处理器核CPU1收到GPIO指令进入中断，开始读取数据并进行相应的计算处理；当处理器核CPU1计算出相应的均衡权系数/自适应权重系数后，产生GPIO指令通过AXI总线、AXI_GPIO核传输至PL单元，通知PL单元接收回传数据，同时将计算好的数据写入AXI_GP接口对应的地址中，并通过AXI总线与AXI互联核以及AXI_bram_ctrl核传送至PL单元的随机存储器中，等待后续处理。
6.一种基于Zynq芯片的自适应宽带数字调零方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、Zynq芯片的PS单元内，上电复位后启动主处理器核CPU0，在CPU0初始化后，通过软件编程唤醒处理器核CPU1，根据软件编程配置的参数将配置数据通过AXI接口传输至Zynq芯片的PL单元进行参数配置；
步骤2：处理器核CPU1被唤醒后，分别进行初始化中断控制器及系统中断、注册中断服务函数工作后接收到来自上位机的工作模式选择指令，选择通道均衡模式；
步骤3：Zynq芯片的PL单元接收AD/DA模块传输的来波数据，通过数据下变频模块将采样的中频信号下变频至零中频信号，并将下变频后的数据通过AXI总线送入PS单元内，计算相应的通道均衡权系数，并将GPIO中断指令传输至PS单元；
步骤4：PS单元内中处于通道均衡模式下循环等待状态的处理器核CPU1收到来自PL单元的GPIO中断指令后，读取相应地址的通道均衡计算数据，读取完成后进行数据重排，并根据时域通道均衡模式方法计算出均衡权系数；并将计算结果通过AXI总线回传至PL单元；
步骤4：PL单元内的通道均衡模块读取通道均衡权系数并对各通道实现均衡滤波处理；
步骤5：抽取模块用于将通道均衡模块输出的均衡后的数据进行抽取，降低数据率，为后续数据处理降低计算复杂度；
步骤6：协方差矩阵计算模块根据抽取后的数据计算出协方差矩阵元素，并将协方差矩阵元素通过AXI总线传输至PS单元，并将GPIO中断指令传输至PS单元，计算自适应宽带波束形成权重系数；
步骤7：PS单元内的处理器核CPU1进入正常工作模式工作，收到来自PL单元的GPIO中断指令后，计算自适应宽带波束形成权重系数，并将计算结果通过AXI总线回传至Zynq芯片的PL单元；
步骤8：PL单元接收到GPIO指令后读取已计算完成的自适应权重系数存入随机存储器中，等待传输至波束形成模块；波束形成模块接收到来自抽取后的数据与计算完成的自适应权重系数，进行波束形成计算，最终波束形成数据，并通过DA单元传输至后续处理电路。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115809634B (zh) * 2023-01-04 2023-05-02 飞腾信息技术有限公司 一种顶层物理设计的方法、层次化物理设计的方法及芯片
CN116566450B (zh) * 2023-07-10 2023-09-12 成都华兴大地科技有限公司 一种基于zynq的波束控制算法实现方法
CN117833935B (zh) * 2024-03-05 2024-05-07 成都航天通信设备有限责任公司 一种基于fpga的信号变频处理方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102404672A (zh) * 2011-10-27 2012-04-04 苏州上声电子有限公司 数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置
CN107202977A (zh) * 2017-05-10 2017-09-26 湖北航天技术研究院总体设计所 一种基于vpx平台的综合处理系统及软件设计方法
CN109155643A (zh) * 2016-03-07 2019-01-04 萨迪斯飞英国有限公司 数字波束形成系统和方法
CN110061719A (zh) * 2019-04-12 2019-07-26 东北大学 一种基于zynq-7010的自适应滤波器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10317518B2 (en) * 2015-07-20 2019-06-11 Brigham Young University (Byu) Phased array radar systems for small unmanned aerial vehicles
US10914830B2 (en) * 2017-10-12 2021-02-09 Honeywell International Inc. Digital active phased array radar
US10969467B1 (en) * 2018-04-13 2021-04-06 Kwesst Inc. Programmable multi-waveform RF generator for use as battlefield decoy
US10931241B2 (en) * 2019-02-06 2021-02-23 Raytheon Company Model-free sample-based approaches for power amplifier linearization in real-time
CN113131976A (zh) * 2021-03-11 2021-07-16 西安电子科技大学 一种分米波混合波束赋形方法、系统及应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102404672A (zh) * 2011-10-27 2012-04-04 苏州上声电子有限公司 数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置
CN109155643A (zh) * 2016-03-07 2019-01-04 萨迪斯飞英国有限公司 数字波束形成系统和方法
CN107202977A (zh) * 2017-05-10 2017-09-26 湖北航天技术研究院总体设计所 一种基于vpx平台的综合处理系统及软件设计方法
CN110061719A (zh) * 2019-04-12 2019-07-26 东北大学 一种基于zynq-7010的自适应滤波器

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
L. -H. Shen, T. -W. Chang, K. -T. Feng and P. -T. Huang.Design and Implementation for Deep Learning Based Adjustable Beamforming Training for Millimeter Wave Communication Systems.《IEEE Transactions on Vehicular Technology》.2021,2413 - 2427. *
S. Qin, X. Ma and W. Sheng.Design and measurement of channel calibration for digital array with orthogonal codes.《2012 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)》.2012,1-4. *
何宗苗 ; 姚远程 ; 秦明伟.基于Zynq-7000的高速实时自适应均衡器设计.《电视技术》.2014,88-91+97. *
张书瑞 ; 马晓峰 ; 盛卫星 ; 韩玉兵 ; 张仁李.零陷可控的低旁瓣频率不变宽带波束形成.《系统工程与电子技术》.2016,1243-1249. *

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