CN115586501B - 一种基于fpga多通道基带数据幅相补偿的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波束形成技术领域，公开了一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，包括：S1、接收多通道基带数据并判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，若是，则跳转至S3，否则，跳转至S2；S2、按照原幅度补偿系数和原相位补偿系数对所述多通道基带数据的幅度值和相位值进行补偿；S3、在FPGA内计算所述多通道基带信号的瞬时幅度和瞬时相位以更新幅度补偿系数和相位补偿系数，通过相位旋转的方式完成所述多通道基带信号的相位补偿，以通道最小幅度为基准，将所述多通道基带信号通过乘以更新后的幅度系数，以完成幅度的补偿。本发明通过FPGA并行计算能力和丰富的计算资源，满足多通道并行幅相补偿的实现。

Description

一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法
技术领域
本发明涉及波束形成技术领域，具体涉及一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法。
背景技术
随着计算技术不断进步、射频组件成本不断降低、相控阵雷达的应用日益广泛，通过波束合成，可以实现接收和发射波束的灵活控制。数字波束形成是相控阵雷达的关键技术、但波束形成的前提条件是参与合成的通道幅度、相位要保持一致性。目前波束形成的通道数、频点数较多，如何实现快速、简单的实现多通道基带数据幅相补偿，是波束形成的关键环节。而目前对于多通道基带数据幅相补偿的实现，需要DSP芯片参与数字计算，计算步骤繁琐、计算时间长，而且不具有并行处理能力。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，利用FPGA并行处理能力和丰富的计算资源，满足基于阵列信号处理的多通道基带数据幅相补偿。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，包括：
S1、接收多通道基带数据并判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，若是，则跳转至S3，否则，跳转至S2；
S2、按照原幅度补偿系数和原相位补偿系数对所述多通道基带数据的幅度值和相位值进行补偿，并输出补偿后的所述多通道基带数据；
S3、在FPGA内计算所述多通道基带数据的瞬时幅度和瞬时相位以更新幅度补偿系数和相位补偿系数，并基于更新后的相位补偿系数通过相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿，同时，以通道最小幅度为基准，将所述多通道基带数据通过乘以更新后的幅度系数，以完成幅度的补偿。
作为优化，S1中，判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，具体根据1bit的校准控制信号逻辑电平完成判断，高电平表示处理校准状态，低电平表示正常补偿状态。
作为优化，S3的具体步骤为：
S3.1、求出校准阶段所述多通道基带数据的幅度和相位；
S3.2、求出所述多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值；
S3.3、判断多通道采样或者硬件连线是否有问题，若是，则对多通道采样或者硬件连线进行检查，否则，跳转至S3.4；
S3.4、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有相位差，并对所述相位差进行归一化得到更新后的相位补偿系数，并通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿。
S3.5、以幅度最小值为基准，依次除以除幅度最小值对应的通道以外的所有通道的幅度值，得到更新后的幅度补偿系数，并通过更新后的幅度补偿系数对所述多通道基带数据的进行幅度补偿；
作为优化，S3.1的具体步骤为：
通过在FPGA中的Cordic IP核，设置为Coridc Translation算法，完成下述公式：
Figure GDA0004054167670000021
Phase(n)＝arctan(Q(n)/I(n))；
其中，I(n)、Q(n)分别表示第n个通道的I信号和Q信号，Amp(n)表示第n个通道的基带信号的幅度，Phase(n)表示第n个通道的I信号和Q信号的相位。
作为优化，S3.2的具体步骤为：
通过冒泡比较法，找出多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值，分别记为Ampmin、Ampmax。
作为优化，S3.3的具体判断步骤为：
判断多通道基带数据的幅度最大值是否大于幅度最小值的4倍且幅度最大值对应的通道功率与幅度最小值对应的通道功率的差值是否大于第一阈值，或者幅度最大值是否小于第二阈值，若是，则判定多通道采样或者硬件连线有问题。
作为优化，S3.4中，求取更新后的相位补偿系数的具体步骤为：
S3.4.1、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有的相位差Δphak(n)：
Δphak(n)＝Phasek(n)-Phase(n)，k＝1，…，M；
Phase(n)代表选取的基准通道相位，M代表除该基准通道对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该基准通道对应的通道以外的通道；
S3.4.2、对所述相位差进行归一化：采用Cordic IP核中的Translation算法得到的相位范围为[-pi，pi]，对应的量化值为[-25736，25736]，归一化条件为：当相位差大于PI，减去2*pi；当相位差小于-PI，加上2*pi；相位差在[-pi，pi]范围内，不作改变，通过下述归一化公式得到相位补偿系数pha′k(n)：
Figure GDA0004054167670000031
作为优化，S3.4中，通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿的具体公式如下：
I′k(n)＝Ik(n)*cos(pha′k(n))-Qk(n)*sin(pha′k(n))；
Q′k(n)＝Ik(n)*sin(pha′k(n))+Qk(n)*cos(pha′k(n))；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，通过调用FPGA中的Cordic IP核，设置Cordic Rotation功能算法以完成相位补偿公式。
作为优化，S3.5中，求取更新后的幅度补偿系数的具体步骤为：
通过调用FPGA的Divider Generator IP核完成下述公式计算：
Δampk＝Ampmin/Ampk(n)，K＝1，…，M；
其中，Δampk为更新后的幅度补偿系数，M代表除该幅度最小值对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该幅度最小值对应的通道以外的通道；
完成上述公式计算，得到商Quotient和小数Fractional，当Ampmin为被除数Ampmin＜Ampk(n)，商Quotient为零，商Quotient与小数Fractional的数据位数为多通道基带数据的位数X，取商Quotient的最低位Quotient[0]与小数Fractional组成Δampk，该Δampk的数据位数为多通道基带数据的位数多1位。
作为优化，S3.5中，通过更新后的幅度补偿系数对所述多通道基带数据的进行幅度补偿具体为：
I″k(n)＝I′k(n)*Δampk；
Q″k(n)＝Q′k(n)*Δampk；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，Δampk为更新后的幅度补偿系数，I″k(n)、Q″k(n)分别为完成幅度相位补偿后的IQ数据；最后截取I″k(n)、Q″k(n)前X位数的数据作为补偿后的多通道基带数据，X为多通道基带数据的位数。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明通过FPGA并行计算能力和丰富的计算资源，满足多通道并行幅相补偿的实现；
2.本发明无DSP芯片参与数字计算，无需FPGA芯片与DSP芯片交互，计算时间短；
3.本发明实现的FPGA程序通道数量可支持重构，配置灵活，开发周期短；
4.本发明实现的FPGA程序可配置为网表文件，可灵活集成到FPGA工程中，集成性和实时性优。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
图1为本发明所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，包括：
S1、接收多通道基带数据并判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，若是，则跳转至S3，否则，跳转至S2；
本实施例中，S1中，判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，具体根据1bit的校准控制信号逻辑电平完成判断，高电平表示处理校准状态，低电平表示正常补偿状态。
S2、按照原幅度补偿系数和原相位补偿系数对所述多通道基带数据的幅度值和相位值进行补偿，并输出补偿后的所述多通道基带数据；
S3、在FPGA内计算所述多通道基带数据的瞬时幅度和瞬时相位以更新幅度补偿系数和相位补偿系数，并基于更新后的相位补偿系数通过相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿，同时，以通道最小幅度为基准，将所述多通道基带数据通过乘以更新后的幅度系数，以完成幅度的补偿。
本实施例中，S3的具体步骤为：
S3.1、求出校准阶段所述多通道基带数据的幅度和相位，例如多通道基带数据的数据位数为16bit；
本实施例中，通过在FPGA中的Cordic IP核，设置为Coridc Translation算法，完成下述公式：
Figure GDA0004054167670000041
Phase(n)＝arctan(Q(n)/I(n))；
其中，I(n)、Q(n)分别表示第n个通道的I信号和Q信号，Amp(n)表示第n个通道的基带信号的幅度，Phase(n)表示第n个通道的I信号和Q信号的相位。
S3.2、求出所述多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值；具体的，通过冒泡比较法，找出多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值，分别记为Ampmin、Ampmax。
S3.3、判断多通道采样或者硬件连线是否有问题，若是，则对多通道采样或者硬件连线进行检查，否则，跳转至S3.4；
本实施例中，通过S3.3进行补偿前提判断，具体判断步骤如下：
判断多通道基带数据的幅度最大值是否大于幅度最小值的4倍且幅度最大值对应的通道功率与幅度最小值对应的通道功率的差值是否大于第一阈值，或者幅度最大值是否小于第二阈值，若是，则判定多通道采样或者硬件连线有问题。
具体的，如果Ampmax＞4*Ampmin，幅度最大值对应的通道功率比幅度最小值对应的通道功率大12dB，报补偿幅度相位失败结果，检查多通道采样或者硬件连线是否有问题；如果Ampmax小于规定的第二阈值，说明多通道数据异常，报补偿幅度相位失败结果，检查多通道采样或者硬件连线是否有问题
S3.4、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有相位差，并对所述相位差进行归一化得到更新后的相位补偿系数，并通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿。
本实施例中，求取更新后的相位补偿系数并通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿的具体步骤为：
S3.4.1、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有的相位差Δphak(n)：
Δphak(n)＝Phasek(n)-Phase(n)，k＝1，…，M；
Phase(n)代表选取的基准通道相位，M代表除该基准通道对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该基准通道对应的通道以外的通道；
例如，以通道一的相位为基准，求出其他通道与通道一的相位差，M为除通道一以外的其他通道的数量，k为除通道一以外的其他通道的其中一个通道。
S3.4.2、对所述相位差进行归一化：采用Cordic IP核中的Translation算法得到的相位范围为[-pi，pi]，对应的量化值为[-25736，25736]，归一化条件为：当相位差大于PI，减去2*pi；当相位差小于-PI，加上2*pi；相位差在[-pi，pi]范围内，不作改变，通过下述归一化公式得到相位补偿系数pha′k(n)：
Figure GDA0004054167670000061
S3.3、通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿的具体公式如下：
I′k(n)＝Ik(n)*cos(pha′k(n))-Qk(n)*sin(pha′k(n))；
Q′k(n)＝Ik(n)*sin(pha′k(n))+Qk(n)*cos(pha′k(n))；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，通过调用FPGA中Cordic IP核，设置为Cordic Rotation功能算法，完成上述公式中的计算。
S3.5、以幅度最小值为基准，依次除以除幅度最小值对应的通道以外的所有通道的幅度值，得到更新后的幅度补偿系数，并通过更新后的幅度补偿系数对所述多通道基带数据的进行幅度补偿；
本实施例中，S3.5中，求取更新后的幅度补偿系数的具体步骤为：
通过调用FPGA的Divider Generator IP核完成下述公式计算：
Δampk＝Ampmin/Ampk(n)，K＝1，…，M；
其中，Δampk为更新后的幅度补偿系数，M代表除该幅度最小值对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该幅度最小值对应的通道以外的通道；
完成上述公式计算，得到商Quotient和小数Fractional，当Ampmin为被除数Ampmin＜Ampk(n)，商Quotient为零，商Quotient与小数Fractional的数据位数为多通道基带数据的位数X，取商Quotient的最低位Quotient[0]与小数Fractional组成Δampk，该Δampk的数据位数为多通道基带数据的位数多1位。接本实施例，Quotient与Fractional数据位数为16bit，取Quotient的最低位Quotient[0]与Fractional组成Δampk，数据位数为17bit。
通过更新后的幅度补偿系数利用如下公式对所述多通道基带数据的进行幅度补偿具体为：
I″k(n)＝I′k(n)*Δampk；
Q″k(n)＝Q′k(n)*Δampk；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，Δampk为更新后的幅度补偿系数，I″k(n)、Q″k(n)分别为完成幅度相位补偿后的IQ数据，最后截取I″k(n)、Q″k(n)前X位数的数据作为补偿后的多通道基带数据，X为多通道基带数据的位数。例如，I′k(n)、Q′k(n)的数据位数为16bit，Δampk的数据位数为17bit，乘积结果位数为33bit，I′k(n)、Q′k(n)最终截位为16bit，为完成幅度相位补偿后的IQ数据，在此基础上，完成基带后续基带运算处理。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，包括：
S1、接收多通道基带数据并判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，若是，则跳转至S3，否则，跳转至S2；
S2、按照原幅度补偿系数和原相位补偿系数对所述多通道基带数据的幅度值和相位值进行补偿，并输出补偿后的所述多通道基带数据；
S3、在FPGA内计算所述多通道基带数据的瞬时幅度和瞬时相位以更新幅度补偿系数和相位补偿系数，并基于更新后的相位补偿系数通过相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿，同时，以通道最小幅度为基准，将所述多通道基带数据通过乘以更新后的幅度系数，以完成幅度的补偿；
S3的具体步骤为：
S3.1、求出校准阶段所述多通道基带数据的幅度和相位；
S3.2、求出所述多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值；
S3.3、判断多通道采样或者硬件连线是否有问题，若是，则对多通道采样或者硬件连线进行检查，否则，跳转至S3.4；
S3.4、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有相位差，并对所述相位差进行归一化得到更新后的相位补偿系数，并通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿；
S3.4中，求取更新后的相位补偿系数的具体步骤为：
S3.4.1、以某一通道的相位为基准，求出除该通道以外的所有通道与该通道的所有的相位差Δphak(n)：
Δphak(n)＝Phasek(n)-Phase(n)，k＝1，…，M；
Phase(n)代表选取的基准通道相位，M代表除该基准通道对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该基准通道对应的通道以外的通道；
S3.4.2、对所述相位差进行归一化：采用Cordic IP核中的Translation算法得到的相位范围为[-pi，pi]，对应的量化值为[-25736，25736]，归一化条件为：当相位差大于PI，减去2*pi；当相位差小于-PI，加上2*pi；相位差在[-pi，pi]范围内，不作改变，通过下述归一化公式得到相位补偿系数pha′k(n)：
Figure QLYQS_1
S3.5、以幅度最小值为基准，依次除以除幅度最小值对应的通道以外的所有通道的幅度值，得到更新后的幅度补偿系数，并通过更新后的幅度补偿系数对所述多通道基带数据的进行幅度补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S1中，判断所述多通道基带数据是否处于校准状态，具体根据1bit的校准控制信号逻辑电平完成判断，高电平表示处理校准状态，低电平表示正常补偿状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.1的具体步骤为：
通过在FPGA中的CordicIP核，设置为Coridc Translation算法，完成下述公式：
Figure QLYQS_2
Phase(n)＝arctan(Q(n)/I(n))；
其中，I(n)、Q(n)分别表示第n个通道的I信号和Q信号，Amp(n)表示第n个通道的基带信号的幅度，Phase(n)表示第n个通道的I信号和Q信号的相位。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.2的具体步骤为：
通过冒泡比较法，找出多通道基带数据的幅度最小值和幅度最大值，分别记为Ampmin、Ampmax。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.3的具体判断步骤为：
判断多通道基带数据的幅度最大值是否大于幅度最小值的4倍且幅度最大值对应的通道功率与幅度最小值对应的通道功率的差值是否大于第一阈值，或者幅度最大值是否小于第二阈值，若是，则判定多通道采样或者硬件连线有问题。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.4中，通过更新后的相位补偿系数以相位旋转的方式完成所述多通道基带数据的相位补偿的具体公式如下：
I′k(n)＝Ik(n)*cos(pha′k(n))-Qk(n)*sin(pha′k(n))；
Q′k(n)＝Ik(n)*sin(pha′k(n))+Qk(n)*cos(pha′k(n))；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，通过调用FPGA中的CordicIP核，设置Cordic Rotation功能算法以完成相位补偿公式。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.5中，求取更新后的幅度补偿系数的具体步骤为：
通过调用FPGA的Divider GeneratorIP核完成下述公式计算：
Δampk＝Ampmin/Ampk(n)，K＝1，…，M；
其中，Δampk为更新后的幅度补偿系数，M代表除该幅度最小值对应的通道以外的通道的数量，k代表其中一个除该幅度最小值对应的通道以外的通道；
完成上述公式计算，得到商Quotient和小数Fractional，当Ampmin为被除数Ampmin＜Ampk(n)，商Quotient为零，商Quotient与小数Fractional的数据位数为多通道基带数据的位数N，取商Quotient的最低位Quotient[0]与小数Fractional组成Δampk，该Δampk的数据位数为多通道基带数据的位数多1位。
8.根据权利要求7所述的一种基于FPGA多通道基带数据幅相补偿的实现方法，其特征在于，S3.5中，通过更新后的幅度补偿系数利用如下公式对所述多通道基带数据的进行幅度补偿具体为：
I″k(n)＝I′k(n)*Δampk；
Q″k(n)＝Q′k(n)*Δampk；
其中，I′k(n)、Q′k(n)分别为进行相位补偿后的第n个通道的I信号和Q信号，Δampk为更新后的幅度补偿系数，I″k(n)、Q″k(n)分别为完成幅度相位补偿后的IQ数据；
最后截取I″k(n)、Q″k(n)前X位数的数据作为补偿后的多通道基带数据，X为多通道基带数据的位数。
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