当前基本采用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)来实现一维多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,为了使MUSIC算法更适合应用于实际环境中入射信号的波达方向(direction of arrival,DOA)估计,本文采用FPGA来实现二维MUSIC算法的谱峰搜索。然而采用二维MUSIC算法进行DOA估计时,实现算法的谱峰搜索部分所用的时间最长,并且该部分对MUSIC算法的实时性影响最大,而且二维MUSIC算法同一维MUSIC算法的区别大多体现在谱峰搜索上。但是二维谱峰搜索涉及的计算量较大,计算复杂度较高,硬件资源消耗也较大。基于以上问题,本文针对二维谱峰搜索的实时性进行了深入研究,提出了一种基于FPGA的二维谱峰搜索实现方案。整个谱峰搜索可分为六个模块,包括粗搜索的阵列流型矢量模块、谱值计算模块和谱峰粗搜索模块以及精搜索的阵列流型矢量模块、谱值计算模块和谱峰精搜索模块。该方案通过分析二维谱峰搜索各个步骤的计算特点,对其实现结构进行合理的设计,从而在满足估计精度的同时解决了实现时间与硬件资源消耗的平衡问题。具体工作包括以下几个方面:1.采用实数化预处理,通过酉变换将阵列流型矢量由复数域转化为实数域,大幅度降低了计算量和计算复杂度,且不改变最终的DOA估计结果。2.为了提高实时性,多次采用流水线设计以提高计算效率,从而使得谱峰搜索的实现时间大幅度减少。粗(精)搜索中的三个模块完全流水化,模块交叉重叠进行,用硬件资源交换实现时间,从而大大提高了计算效率,极大地缩短了整体时间,并且实现这三个模块也均采用流水线设计。根据方位角的取值确定阵列流型矢量和谱值的串行情况,进而确定算法的实现时间。3.采用模块复用的方式降低硬件资源的消耗。查找表的制定和乘法器的并行情况对硬件资源消耗的影响最大。粗搜索、精搜索的阵列流型矢量模块复用求取正弦值的查找表和部分乘法器,粗搜索、精搜索的谱值计算模块复用另一部分乘法器。根据仰角的取值确定阵列流型矢量和谱值的并行情况,进而确定算法的硬件资源消耗。4.为了满足估计精度(1°)的要求,需要尽可能提高各个模块各个步骤的精度。通过将提高查找表的精度等操作,提高了算法的估计精度。经仿真试验,该硬件实现方案在100 MHz工作频率的FPGA芯片(Virtex-7系列的XC7V690T开发板)上实现二维谱峰搜索,完成所有模块需要377个时钟周期,耗时为3.77μs,估计精度为1°,硬件资源主要消耗DSP48E和Block RAM且分别占用31.31%、48.71%。仿真结果表明,当信号源数目为1或2、信噪比大于6 d B、快拍数大于80时,算法的估计性能较好。该二维谱峰搜索实现结构的主要优点在于速度快,实时性高,具有较高的工程应用价值。