宽带数字波束形成硬件平台设计与实现

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一般的窄带自适应波束形成技术由于能够实现灵活的波束控制,从而获得高的波束指向或强的干扰抑制能力,已被广泛应用于雷达、通信、导航、语音信号处理、地震检测等领域。但当所处理的信号具有一定的带宽,特别是宽带信号时,阵列的方向图会随着频率而变化,从而严重影响到阵列的性能。适合宽带的波束形成方法运算量很大,对硬件系统的处理能力要求苛刻。所以,如何针对通信系统,研究低复杂度的宽带自适应波束形成技术,实现对宽带信号的波束控制及对宽带干扰的抑制是一个值得研究的问题。本文完成了宽带波束形成硬件平台的设计与调试。并在硬件平台上实现了一种宽带的自适应波束形成算法。首先,本文在基于线阵模型上介绍了几种基本的窄带自适应波束形成算法,以及两种宽带的自适应波束形成算法,分析了均匀线阵和有向均匀圆阵的频率特性。然后对宽带波束形成系统的硬件实现方案进行了设计与论证。在硬件系统设计时,选择了现在流行的DSP+FPGA的信号处理架构,兼顾了数据处理的灵活性和并行性。本系统选用的是TI公司的TMS320C6455T和Xilinx的XC6VLX240T完成了系统硬件的制作,并对DSP和FPGA的基本功能进行了测试。最后,从阵型的角度考虑,详细研究了基于有向均匀圆阵的一种宽带数字波束形成算法。由于有向圆阵的方向图对频率不敏感的特性,宽带信号只需要一组权值就可以实现宽带波束形成。随后给出了基于阵列综合方法的最优加权值的求解步骤,并利用计算阵列输出平均总功率的方法对干扰方向进行估计。在此基础上归纳了该算法的实现过程和各个模块的具体功能,最后对主要的模块进行了功能仿真,并对FPGA程序进行了时序约束,仿真结果说明系统满足设计的要求。
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