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1、洲 尸沉 速并行D S P自 适应数笋 波束形成实检系统及拚法研亢ABS TRACT户州r、A d a p t i v e a r r a y i n t e r f e r e n c e n u l l i n g t e c h n i q u e b a s e d o n d i g i t a lb e a m f o r m i n g ( D B F ) c a n i m p r o v e g r e a t l y t h e a n t ， 一 i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t i e so f a r a d a r
2、. I t b e c o m e s a v e r y i m p o r t a n t a n d k e y t e c h n i q u e w h i c h a m o d e r nr a d a r h a s t o u s e .T h i s p a p e r d i s c u s s e s h i g h - s p e e d p a r a l l e l D S P a d a p t i v e d i g i t a l b e a mf o r m i n g p r o c e s s i n g s y s t e m , i n c l u
3、 d i n g Q R D - S M I a l g o r i t h m , p a r a l l e lp r o c e s s i n g b a s e d o n S y s t o l i c a r r a y a n d W a v e f r o n t a r r a y , t h e s c h e m e ,r e s e a r c h , d e s i g n o f t h e e x p e r i m e n t a l h a r d w a r e a n d s o f t w a r e p l a t f o r m . T h el
4、a s t p a r t g i v e s t h e r e s u l t s o f r e c e i v i n g D B F a n d t r a n s m i t t i n g D B F , p r o d u c e db y t h e e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m . F r o m t h e s e r e s u l t s , w e c a n s e e t h e a l g o r i t h mi s e f f e c t i v e . A n d b e c a u s e o f t
5、h e u t i l i z a t i o n o f p a r a l l e l p r o c e s s i n g , t h ep r o c e s s i n g s p e e d i s i m p r o v e d g r e a t l y . T h i s m a k e s t h e s y s t e m s u i t a b l e f o rr e a 卜t i m e s i g n a l p r o c e s s i n g . T h e p a p e r a l s o d e s c r i b t e s t h e d e v
6、 e l o p m e n t o fp r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e .入K e y w o r d :i n t e r f e r e n c e n u l l i n g , r a d a r , D S P , h i g h 一 s p e e d p a r a l e l p r o c e s s i n g ,d i g i t a l b e a m f o r m i n g ( D B F ) ，p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c el r高速并行D S
7、 P自 适应数字波束形成实验系统及算法研究第一章 绪论在现代战争中，由于战争环境中的电磁环境的口益复杂，对电子技术的要求口 益提高，抗于扰技术成为自适应技术中令人瞩目的一个重要分枝，尤其近二十年来数字波束形成( D B F ) 技术的应用以及S Y S T O L I C结构的出现，使自 适应抗干扰技术 由理沦走向了实际实现。D B F技术被视为新一代雷达所必须采用的技术，它既可 以用于击达信号的接收也可以用于击达信号的发肘。用于 接收时，一般的 D B F阵 列包括天线阵元、接收模块、 A / D 转换、 波束控制模块和数字波束形成模块几部分。 控制模块和波束形成模块是 D B F技术的核心
8、。D B F技术通过权值的控制可以完成高速自适应置零，天线自校正，超低副瓣，超分辨，自适应空时处理和复杂的雷达能量时间控制等功能1 2 1 ，这些特点可以使其大大提高雷达系统的抗干扰能力，分辨 力，机动性及其他性能。在自 适应抗干扰处理中，一个非常重要的要求是运算的实时计算， 因此运算速度成为自适应抗干扰技术实现的关键。 并行算法以及 S Y S T O L I C 结构的应用解决了这一问题。这种并行处理的思想是将一个任务分成 N 个了任务 同时进行处理，这样就大大提高了处理的速度。由于它的这一优点，使其在通信编码，图象处理等要求大运算量的各个研究领域也得到广泛应用。经过近三十年的发展，自适应
9、信号处理的理论基础已经建立，日前各国的科技 1 一 作者， 一 万面继续发展自适应理沦及其算法，从算法术身提高雷达自 适应信号 处理的性能 ，另方面则大力发展和研制实际系统 ，特 别是以 S Y S T O L I C 和 W A V E F R O N T为代表的高速并行阵列处理机，以满足现代战争雷达信号 环境的需 要，向实时处理的日标靠近。很多先进国家都己有了 D B F系统，其中包括:1 9 8 0 年德国的 E L B A相控阵笛 达“ ; 1 9 8 4年美国通用电器公司的实验超视距雷达 C O N U S B - O T H 系统 2 1 ; 1 9 9 1 年美国 MI T林肯实
10、验室的 R S T - D B F系统 3 1 等。而国内也有已研制成功的 D B F系 统，如 1 9 9 0年 3 8所的 D B F实验台;1 9 9 1 年 1 4所双 多)基地志达数字波束形成器;1 9 9 1 年成电雷达自适应阵列实验系统。自适应技术由优化理沦演变而来，其中高斯的最小二乘法足一类极为爪要的 优化和自适应算法的垦础。从木世纪初开始，各方面的研究 作促成一r自 适应技术 的出现。首先奈奎斯特和哈特对频带和信噪比进行了研究，香农提出门六它 、 的度l G 方法，维纳建立了最佳滤波器的基础，以及卡尔曼滤波算法的提出，这此研究成果 对宙达通信以及其他许多领域产生了 深刻的影响
11、。丘卜 年代末 V a n A t t a J 几 “ 匕 ! 定 相天线系统”中首次提 了 “ 自适I t 天线”的概念I l l .进入六 年代，自 适p i. 技术 在i f 多领域进行了月创性 作，形成了很多分支，自适) w波束) F 1 戊 就是土 (, I ， 之。 六 一 年代木，Wi d row l l 提出的 L M S算法以及其他人( IJ 研究莫定 了 这 形 究/ J 向的 理沦基础。七十年代随着大规模集成电路技术和计算机技术的 U 速发展，自适应技厂i ;A) F i i D S O il ifi l ? 1 i B x P lls ik k N 塑进竺塑主一一一一一
12、一一一术的研究领域得到更为广泛的拓展，成为最活跃的研究领域之一。同时，在硬件平台实现方面，传统的数字电路设计模式、 片 诺图的逻辑简化 手段、冗杂难懂的布尔方程表达式、小规模的 T T L芯片的堆砌技术在迅速崛起的 E D A面前己成为一道历史的风景。随着大规模集成电路( V L S I ) 的发展，可编程逻 辑器件的广泛使用己经成为必然，它为数字系统的设计带来极大的灵活性，大大减 少了系统芯片的数量，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。特别是软硬 I P 芯核产业的迅猛发展， 嵌入式通用与标准F P G A / C P L D 器件的出 现， 片上系统( S y s t e m O n C
13、 h ip ) 已近在咫尺。木论文内容为高速并行 D S P自适应数字波束形成实验系统及算法研究。该系 统服务于国家“ 九五” 计划项目 一一防空相控阵雷达多干扰源自适应波束置零技术。 项目最终要完成以下几万面的内容: 实时自适应波束置零硬件系统及样机研究。 高速自适应数字波束置零算法研究及软件开发。 自 适应发射数字波束形成技术研究。木论文的重点在第一部分的工作。木沦文首先对数字波束形成概念、自适应 Q R D - S M I 算法进行了阐述，然后概括性的介绍并行信号处理技术，以及Q R D - S M I 的并行 S y s t o l i c 阵列实现。第四章是关于可编程逻辑器件的基本知
14、识，主要介绍了 可编程逻辑器件的开发过程。第五章是木论文的重点，对并行自 适应 D B F试验系 统作了详细的介绍，其中包括系统各部分的设训思路及详细说明。最后给出了系统的调试和测试结果。高速并行D S P自 适应数字波束形成实验系统及算 法研究第二章 自适应数字波束形成自 适应天线阵由空间隔离的多个传感器单元构成，是一种在实际环境下自行 控制其方向图的天线系统，它在保持需要信号特性的情况下能实时地对外界未知的干扰环境作出反应，在干扰的到达方向设置零点或降低此方向的增益。这些系统主 要由天线阵、方向图形成网络和实时自适应处理器 ( 自适应方向图控制器)组成。 自 适应处理器是用来调整方向图形成
15、网络中的可变加权系数的。2 . 1数字波束形成技术波束形成器(B e a m f o r m e r ) 是与传感器阵列相连、可提供多种形式空域滤波的 信号处理器。传感器阵列收集空间电波信号的采样值，由波束形成器来处理。处理的目的是为了在有噪声和干扰信 号存在的情况下，确定从期望方向发出信 号的到 达。波束形成器可以通过空域滤波将若干个频率分量迭加在一起但信号源的空间位 置不同的信号分离开。“ 波束形成 ( B e a m f o r m in g) ” 这个术语 来源于早期的 相控阵雷达， 被设计用 于形成锐方向性波束，以便在接收某一特定方向发出的信号的同时，衰减其它方向 到来的信号。“ 形
16、成波束”听起来是讲发射能量，但实际上 “ 波束形成”既可用于 接收能量也可用于发射能量。目前见诸文献比较多的是用于接收信号的波束形成方法。接收空间传播信号的系统经常碰到干扰信号。如果期望信号和+扰信号出现 在同一时间频率带上，时域滤波是无法将二者分开的。但多数情况下，期望信号和 干扰信号来自空间位置不同的信号源，利用此点特性，在接收机端使用空域滤波器 即可将它们分离开。使用时域滤波器需要处理时域孔径上采集的数据。类似地，使用空域滤波器则需要处理空域孔径上采集的数据。空域孔径是通过传感器阵列进行离散空间采样得到的。当天线阵列接收的信号空间采样值是离散数据的时候，完成 空域滤波功能的处理器就被称为 “ 波束形成器” 。典型的波束形成器将哥个阵儿空间采样得到的时间序列线性组合后，形成一标量输出时间序列。使用传感器阵列进行空间采样的做法有以下两个主要的优点。空间分辨力决定于空域孔径的尺寸。绝对孔径的大小并不重要，而它相对十 丁作波长的尺寸则是一个重要
