贾立哲,魏利辉
(中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄050081)
摘 要 相关干涉仪算法是一种设计实现非常简便的测向方法,使用FPGA设计技术可以解决处理速度比较慢的问题。介绍了相关干涉仪测向算法的原理和技术特点,对设计中采用的5阵元圆形天线阵相关干涉仪测向系统的硬件平台组成结构和处理过程进行了简述,并且详细说明了使用FPGA所实现的主要功能和FPGA设计所采用的设计工具。对设计中采用的关键技术和采用FPGA实现相关干涉仪测向处理后测向处理速度的提高进行了分析比较。
关键词 FPGA;相关干涉仪;测向;FFT;相位;协同仿真
中图分类号 TN914 文献标识码 A
0 引言
干涉仪是比较成熟的测向方法,在电子对抗领域有非常广泛的应用,与其他传统测向方法相比具测向灵敏度高、准确度高和速度快的特点,但由于存在相位模糊、天线一致性差等技术难点,相关干涉仪方法采用相关计算的方法来解决这些问题,设计实现简单,但数据运算量比较大,而且测向精度越高,运算量越大,测向速度限制了其应用范围。随着FPGA技术的高速发展,通过FPGA来实现高速、高精度的相关干涉仪测向成为了可能,我们在这方面做了一些工作,用FPGA硬件初步设计实现了相应的功能。
1 相关干涉仪测向原理
干涉仪测向体制的原理是:依据无线电波在行进中,从不同方向来的电波到达测向天线阵时,各测向天线单元接收信号的相位不同,因而相互间的相位差也不同,通过测定来波的相位,就可以确定来波的方向。在传统干涉仪测向方法中,由于种种原因,如天线阵元之间互耦、天线之间或天线阵载体的响使波阵面发生畸变,使入射波相位和幅度的分布生失真,从而导致测向误差,很难完全消除这些畸变或失真。
“相关干涉仪测向”可以理解为:通过比较来波的相位分布与事先已存的各方位来波相位分布的相似性来得到来波方向的测向方法。由于已经将天线畸变和失真的影响存入了样本中,通过相关处理,实际上相当于弱化了畸变和失真对测向精度的不利影响。
由于不可能将频率范围内所有方向上的信号在测向天线阵上的相位分布都存入样本中,所以实际使用时,是按一定规律设点,同时在频率和方位上,建立样本群,在测向时,将所测得的数据与样本群进行插值处理和相关运算就可以获得来波信号的方向,频率间隔和方位间隔越小,测量的样本群数据就测控遥感与导航定位越多,测向的精确度也就越高。
2 设计实现
通过对相关干涉仪测向算法的分析可以发现:虽然运算量很大,但是算法本身比较简单,适合用FPGA来实现,在原有测向设备的基础上,设计实现了由FPGA硬件完成处理功能的高速测向系统。
2.1 硬件平台介绍
天线阵接收外界的无线电电波信号,经信道部分变频为中频信号,再由5路A/D进行同步采样,采样数据做FFT处理后,计算出信号的相位,最后进行相关干涉仪测向处理得到信号的方位角。测向系统组成如图1所示。
2.2 FPGA实现的主要功能
为了提高处理速度,从得到采样数据到完成方位角计算这一系列处理过程由多片FPGA完成,如图2所示。FPGA实现的主要功能包括:加窗、FFT处理、幅度/相位计算、相位补偿、相位差计算、“相关”处理等,计算方位角的“相关”处理过程如下:
读取1组相位数据(p1、p2、p3、p4、p5);
②分别计算p1与p2、p3、p4、p5的相位差,得到数据(a1、a2、a3、a4);
③根据信号的频率从样本预存SRAM读取与角度d相应的样本数据(b1、b2、b3、b4);
角度d在0~360°范围内变化,重复步骤,样本数据与相位差数据相关性最好的角度d(n),就是计算所得到的方位角。
2.3 设计工具介绍
在设计过程中,选用XILINX公司的FPGA集成开发工具ISE进行FPGA设计开发,采用VHDL语言来编程,使用MENTOR公司的Modelsim进行FPGA功能和时序的仿真,并使用MathWorks公司的Matlab配合Modelsim进行协同仿真来对整个设计进行了验证。
3 关键技术
3.1 FFT处理的FPGA实现
快速傅里叶变换(FFT)在信号处理领域应用广泛,是获得频域信息的一种常用方法,由于算法比较复杂,一般多使用DSP处理器或专用FFT处理芯片来完成。随着FPGA技术的发展,使用FPGA来实现FFT功能就成了一种将灵活性与处理速度很好结合的方法,XILINX公司在其设计工具ISE中提供了FPGA实现FFT功能的免费IP核,它使用起来非常方便,具有基4流水线、基4促发和基2最小资源等多种工作模式,FFT点数有8~65 536等多种选择,最多可支持24位的输入数据,处理速度非常快(1 024点FFT处理时间小于20μs)。在设计中使用这一IP核完成了基4促发模式下512/1 024/2 048/4 096点可变的FFT处理功能。
3.2 FPGA时序分析与调整
为了保证处理速度,在相关干涉仪测向处理过程中,在设计中使用了多个“相关”处理单元,由于资源占用多,时钟速度高,整个设计的时序要求非常苛刻,对设计的要求非常高,设计难度很大。
XILINX公司提供了功能强大的FPGA设计开发工具ISE和多种辅助的设计工具。在使用ISE进行设计时可以在各个阶段增加约束条件,以便对整个流程进行控制来满足设计时序的要求,例如:可以定义时钟信号的周期,对指定信号线的布线延迟进行控制,用FROM…TO对不同GROUP之间的时延进行控制等,还可以设置优化的目的(面积优化/速度优化)、优化影响(正常/高)、是否资源共享、是否允许寄存器复制、设置MAP/PLACE&ROUTE的级别等。当设计比较复杂,或由一个团队共同完成设计时,在设计开始阶段和设计过程中安排管脚和设置区域是非常重要的,在设计中使用了布局规划器(Floorplanner)和管脚及面积约束编辑器(PACE)预先对FPGA所需的管脚和各部分功能占用的区域进行了安排,这样既保证了与管脚相连的FPGA内部信号走线距离比较短,又可以将高速部分和低速部分分开,使FPGA内部各部分位置比较合理,减小了FPGA布局难度,提高了布线效率。
3.3 协同仿真技术
在FPGA设计过程中,对于复杂的设计实现,尤其是其所包含的算法比较复杂时(比如自适应滤波、神经网络处理等),要对FPGA设计进行验证是非常困难的,即使设计人员编写了大量的VHDL的仿真激励文件,也不能完全发现设计实现中的错误。Matlab帮助解决了对复杂算法FPGA设计进行验证的难题,它提供了全新的协同仿真工具:Link forModelSim。
一般在方案设计阶段,用Matlab对具体功能和指标进行设计和仿真,在应用设计的实现阶段用Modelsim对FPGA硬件设计进行功能和时序仿真,而Link for ModelSim将原来在设计过程的不同阶段分别使用的2个工具连接起来,通过这个工具,允许你将设计应用和开始阶段的模型进行协同仿真,通过这一方法来简化了验证过程。
在具体的FPGA设计中,Link for ModelSim可以完成以下功能:①用MATLAB或Simulink为HDL编码产生测试信号或测试激励软件;②用MATLAB或Simulink为HDL仿真提供行为级的模型;③使MATLAB具有对HDL设计应用进行实时/可视化的分析能力。
在本设计中,采用Link for ModelSim工具后,不用编写复杂而不完善的VHDL测试激励文件,直接在Matlab中根据各种不同应用条件,产生测试数据送给ModelSim进行仿真,仿真的结果和中间过程数据都可以通过Matlab的各种工具进行分析、对比和显示,非常容易发现和解决问题,不但提高了设计验证的效率,而且保证了设计的正确性。
原有的相关干涉仪测向处理是采用DSP处理和PC计算机来实现的,完成一个频点的计算一般需要几百个μs以上的处理时间,而现在采用FPGA设计实现后,完成一个频点的计算时间不超过1μs,测向速度提高了上百倍,完全可以做到实时测向处理,极大地扩展了相关干涉仪测向方法的使用范围。
4 结束语
随着FPGA技术的不断发展,不论是从芯片的容量和速度提高,还是设计工具功能的完善,FPGA已经可以承担越来越多以前依靠DSP和PC才能完成的工作,尤其在高速数字信号处理领域有着极好的应用前景。
参考文献
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[5]杜龙先.单信道相关干涉仪测向原理[J].中国无线电管理,2000(2):40-41.
作者简介
贾立哲 男,(1974-),中国电子科技集团公司第54研究所高工。主要研究方向:高速数字信号处理算法的研究与实现。魏利辉 男,(1973-),中国电子科技集团公司第54研究所工程师。主要研究方向:高速数字信号处理算法的设计与FPGA实现。测控遥感与导航定位
