一种基于FPGA的星地通信卫星接收时域波束形成器的制作方法

一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器
技术领域
1.本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器。


背景技术：

2.数字相控阵技术是卫星通信的发展方向之一，相控阵天线结合数字波束形成技术成为在轨卫星天线覆盖区域信号碰撞严重以及信号信噪比低等问题的重要解决途径。
3.随着星地通信卫星接收装置对解决信号碰撞、信噪比低等问题的需求不断提高，波束个数的需求也随之显著提升，乘法器(可由fpga内部dsp48或lut资源搭建)需求量大幅提高，这无疑对作为数字波束形成核心器件的fpga提出了严峻的资源挑战。
4.根据处理需求的不同，数字波束形成分为时域波束形成和频域波束形成两种。对于时域波束形成，文献《一种共性阵星地通信地面接收波束形成器》(田靖才、徐达龙、王昊，无线电工程)中，提出一种“共”形阵的星地通信地面波束形成器，在fpga上完成数字波束形成，使用fpga高端产品xc7vx690t器件，可以完成6个波束形成，占用了29％的dsp48资源和40％的lut资源。但若提高需求，将波束个数增加1倍以上，将对fpga资源形成严峻挑战。
5.面对上述所述问题，现有技术给出的改进设计有，对波束合成工作时钟进行倍频以实现对fpga片上资源的分时复用，或增加fpga片数，提高整体资源。然而，在对设备重量、功耗、时钟和资源降额、防单粒子效应要求极高的星地通信卫星接收设备中，不得不考虑时钟倍频以及增加fpga片数对重量、功耗、时钟和资源降额的影响，导致上述通用改进提升有限。此为现有技术的不足。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器。
7.本发明解决技术的方案是：
8.一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器，设ad输入个数为n 1，星下点权值共轭波束组数为m 1，星下点波束个数为2(m 1)；
9.所述时域波束形成器包括n 1个ad截位控制器、n 1个希尔伯特变换器、一个波束权值表、一个对外总线处理器以及m 1个波束形成核心处理单元；
10.第u个ad截位控制器的输入端连接第u个外部ad输入，用于对第u个外部ad输入数据的位宽进行截位控制，将截位控制后的ad数据输出至第u个希尔伯特变换器，所述截位控制后的ad数据的位宽bit_with与第u个希尔伯特变换器输入位宽一致；u∈[0,n]；
[0011]
所述第u个ad截位控制器控制端与对外总线处理器连接，对外总线处理器用于调整ad截位控制器的截位lsb；
[0012]
第u个希尔伯特变换器对第u个ad截位控制器输出的ad数据进行希尔伯特滤波，得到信号同相分量iu，u∈[0,n]和正交分量qu，u∈[0,n]，输出至各个波束形成核心处理单元；
[0013]
波束权值表提供m 1组波束权值，第v组波束权值包括同相权值a
u,v
和正交权值b
u,v
，其中a
u,v
和b
u,v
输出给第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器；v∈[0,m]；
[0014]
每个波束形成核心处理单元均包括n 1个共轭复数乘法器、第一阵列加法器、第二阵列加法器、第一输出缓冲fifo以及第二输出缓冲fifo；第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器根据波束权值对第u个希尔伯特变换器输出的信号同相分量iu和正交分量qu进行共轭复数乘法运算，输出原始支路计算结果(a
u,viu-b
u,vqu
) i(a
u,vqu
b
u,viu
)和共轭支路的计算结果(a
u,viu
b
u,vqu
) i(a
u,vqu-b
u,viu
)；
[0015]
第v个波束形成核心处理单元中所有共轭复数乘法器输出的原始支路计算结果在第一阵列加法器中累加得到原始波束sv，并输出至第一输出缓冲fifo；
[0016]
第一输出缓冲fifo对原始波束sv进行缓冲存储并对外输出；
[0017]
第v个波束形成核心处理单元中所有共轭复数乘法器输出的共轭支路的计算结果在第二阵列加法器中累加得到共轭波束sv(conj)，并输出至第二输出缓冲fifo；
[0018]
第二输出缓冲fifo对原始波束sv进行缓冲存储并对外输出。
[0019]
优选的，所述波束权值表与对外总线处理器连接，所述对外总线处理器接收外部总线指令与数据，进行处理后输出控制信号，以调整ad截位控制器的截位lsb和波束权值表。
[0020]
优选的，ad截位控制器截位控制后的ad数据位宽区间为[lsb bit_with-1:lsb]。
[0021]
优选的，所述希尔伯特变换器使用滤波器系数为{-882,0,-1469,0,-4411,0,4411,0,1469,0,882}的11阶fir滤波器搭建。
[0022]
优选的，每个共轭复数乘法器均包括混合乘法器、第一蝶形运算器和第二蝶形运算器；
[0023]
所述混合乘法器用于将波束权值与希尔伯特变换器输出的信号同相分量和正交分量进行乘法运算，运算结果输出给蝶形运算器；
[0024]
第一蝶形运算器根据混合乘法器的运算结果进行共轭同向支路、原始同向支路波束计算，得到共轭同向支路、原始同向支路计算结果；
[0025]
第二蝶形运算器根据混合乘法器的运算结果进行原始正交支路、共轭正交支路波束计算，得到原始正交支路、共轭正交支路计算结果；
[0026]
原始同向支路和原始正交支路构成共轭支路计算结果输出；
[0027]
共轭同向支路和共轭正交支路构成共轭支路计算结果输出。
[0028]
优选的，所述混合乘法器，包括前级寄存器、乘法器、次级寄存器；
[0029]
第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的混合乘法器中，前级寄存器分别用于存储(a
u,v
,iu)、(b
u,v
,qu)、(a
u,v
,qu)、(b
u,v
,iu)，乘法器对上述存储结果进行乘法运算，得到a
u,viu
、b
u,vqu
、a
u,vqu
、b
u,viu
，存储于次级寄存器中，在下一个时钟来临时，将a
u,viu
、b
u,vqu
、a
u,vqu
、b
u,viu
输出至第一蝶形运算器和第二蝶形运算器。
[0030]
优选的，所述第一蝶形运算器，包括第一加法器，第一减法器和第一末级寄存器；
[0031]
第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的第一蝶形运算器中，第一加法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,viu
和b
u,vqu
，得到a
u,viu
b
u,vqu
输出至第一末级寄存器中存储；第一减法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,viu
和b
u,vqu
，得到au,viu-b
u,vqu
输出至第一末级寄存器中存储；
[0032]
在下一个时钟来临时，第一末级寄存器输出输出共轭同向支路计算结果a
u,viu
b
u,vqu
以及原始同向支路计算结果a
u,viu-b
u,vqu
。
[0033]
优选的，所述第二蝶形运算器，包括第二加法器，第二减法器和第二末级寄存器；
[0034]
第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的第二蝶形运算器中，第二加法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,vqu
、b
u,viu
，得到a
u,vqu
b
u,viu
输出至第二末级寄存器中存储；第二减法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,vqu
和b
u,viu
，得到a
u,vqu-b
u,viu
输出至第二末级寄存器中存储；
[0035]
在下一个时钟来临时，第二末级寄存器输出原始正交支路计算结果b
u,viu
a
u,vqu
以及共轭正交支路计算结果a
u,vqu-b
u,viu
。
[0036]
优选的，第v个波束形成核心处理单元输出的原始波束满足
[0037][0038]
优选的，第v个波束形成核心处理单元输出的共轭波束满足
[0039][0040]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0041]
本发明利用希尔伯特变换器代替正交混频 带通滤波进行正交分解，实现每个ad通道，至少减少2个乘法器。
[0042]
本发明利用星下点波束权值共轭特点，在时域进行处理，波束形成fpga乘法器减少一半。
[0043]
本发明使用外部总线定时刷新配置权值列表和ad截位控制的方式，代替传统三模冗余设计，保证防单粒子效应设计可靠的前提下，实现资源占用最小化。
附图说明
[0044]
图1一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器结构框图；
[0045]
图2一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器共轭复数乘法器结构框图；
[0046]
图3一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器共轭复数乘法器原理框图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0048]
以n 1表示ad输入个数，以m 1表示星下点权值共轭波束组数，以2(m 1)表示星下点波束个数。
[0049]
实施例：
[0050]
本实施例一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器(参见图1、图2)，包括ad截位控制器000～00n、希尔伯特变换器100～10n、波束权值表300、对外总线处理器900、波束形成核心处理单元1000～100m。
[0051]
ad截位控制器000～00n输入端与外部ad输入连接，对ad位宽进行截位控制，以使输出位宽bit_with与希尔伯特变换器100～10n输入位宽一致；ad截位控制器000～00n控制端与对外总线处理器900连接，可由对外总线处理器900控制，调整ad截位lsb，最终ad截位控制器000～00n截取ad位宽[lsb bit_with-1:lsb]区间并输出；ad截位控制器000～00n输出端与希尔伯特变换器100～10n输入端连接，将截取后的ad数据输出至希尔伯特变换器100～10n。
[0052]
希尔伯特变换器100～10n输入与ad截位控制器000～00n连接，对ad截位控制器000～00n输出的数据进行希尔伯特滤波，得到信号同相分量iu(u∈[0,n])和正交分量qu(u∈[0,n])。希尔伯特变换器100～10n输出信号同相分量iu(u∈[0,n])和正交分量qu(u∈[0,n])至波束形成核心处理单元1000～100m。希尔伯特变换器使用滤波器系数为{-882,0,-1469,0,-4411,0,4411,0,1469,0,882}的11阶fir滤波器搭建，因为所述滤波器系数中5个为0，因此其所述希尔伯特变换器资源消耗等同于5阶fir滤波器；利用希尔伯特变换代替正交混频 带通滤波进行正交分解，实现每个ad通道，可至少减少2个乘法器(正交混频用乘法器)，当带通滤波器阶数较高时(大于5阶，通常正交混频器后的带通滤波器大于该阶数)，利用希尔伯特变换器可减少更多乘法器资源。
[0053]
核心处理单元1000～100m，由波束权值表提供m 1组各不相同的波束权值，以满足2(m 1)个波束形成需求。每个波束形成核心处理单元，包括共轭复数乘法器200～20n、阵列加法器400～401、输出缓冲fifo500～501；形成核心处理单元1000～100m，输出为原始波束sv(v∈[0,m])和共轭波束sv(conj)(v∈[0,m])。
[0054]
共轭复数乘法器200～20n输入与希尔伯特变换器100～10n输出信号同相分量iu(u∈[0,n])和正交分量qu(u∈[0,n])，进行共轭复数乘法运算后，输出原始支路0～n计算结果(a
u,viu-b
u,vqu
) i(a
u,vqu
b
u,viu
)和共轭支路0～n的计算结果(a
u,viu
b
u,vqu
) i(a
u,vqu-b
u,viu
)；共轭复数乘法器200～20n参数输入为波束权值表300输出的权值。
[0055]
波束权值表300，输入由对外总线处理器900控制，实现对权值的定时刷新和更新。波束权值表300输出同相权值a
u,v
(u∈[0,n]，v∈[0,m])和正交权值b
u,v
(u∈[0,n]，v∈[0,m])至共轭复数乘法器200～20n。
[0056]
对外总线处理器900，输入为外部总线，接收外部总线指令与数据，进行处理后，输出控制信号。对外总线处理器900，输出分别于ad截位控制器000～00n和波束权值表300连接，分别起到定时刷新配置ad截位控制和权值列表的作用；实现防单粒子效应的方式较传统三模冗余，实现保证防单粒子效应设计可靠的前提下，资源占用最小化。
[0057]
第v个波束形成核心处理单元中的阵列加法器400～401与共轭复数乘法器200～20n原始支路输出和共轭支路输出连接，累加得到波束形成结果sv(v∈[0,m])和共轭波束sv(conj)(v∈[0,m])。所述阵列加法器400～401，输出与输出缓冲fifo500～501连接。
[0058]
波束形成核心处理单元中的输出缓冲fifo500～501，输入与阵列加法器400～401累加输出连接，对波束形成后的数据进行缓冲存储。输出缓冲fifo500～501，输出与后级处理模块连接。
[0059]
每个共轭复数乘法器，包括混合乘法器220和蝶形运算器230～240。
[0060]
混合乘法器220，包括前级寄存器210、乘法器211、次级寄存器212。参见图2和图3，对于第v个波束形成核心处理单元的第u个共轭复数乘法器的混合乘法器中，前级寄存器
210输入分别是(a
u,v
,iu)、(b
u,v
,qu)、(a
u,v
,qu)、(b
u,v
,iu)(u∈[0,n]，v∈[0,m])，经过乘法器211运算，输出得到a
u,viu
、b
u,vqu
、a
u,vqu
、b
u,viu
(u∈[0,n]，v∈[0,m])，存储于次级寄存器212中，在下一个时钟来临时输出至第一蝶形运算器230和第二蝶形运算器240。蝶形运算器，包括加法器213，减法器215和末级寄存器214。
[0061]
第一蝶形运算器，包括第一加法器，第一减法器和第一末级寄存器。第二蝶形运算器，包括第二加法器，第二减法器和第二末级寄存器。
[0062]
第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的第一蝶形运算器中，第一加法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,viu
和b
u,vqu
，得到b
u,vqu
a
u,viu
输出至第一末级寄存器中存储；第一减法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,viu
和b
u,vqu
，得到a
u,viu-b
u,vqu
输出至第一末级寄存器中存储。在下一个时钟来临时，第一末级寄存器输出共轭同向支路计算结果a
u,viu
b
u,vqu
、原始同向支路计算结果a
u,viu-b
u,vqu
。
[0063]
第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的第二蝶形运算器中，第二加法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,vqu
、b
u,viu
，得到a
u,vqu
b
u,viu
输出至第二末级寄存器中存储；第二减法器的两个输入端接收次级寄存器输出的a
u,vqu
和b
u,viu
，得到a
u,vqu-b
u,viu
输出至第二末级寄存器中存储；在下一个时钟来临时，第二末级寄存器输出原始正交支路计算结果b
u,viu
a
u,vqu
，共轭正交支路计算结果a
u,vqu-b
u,viu
。
[0064]
根据第一末级寄存器和第二末级寄存器的输出，得到共轭支路的计算结果(a
u,viu
b
u,vqu
) i(a
u,vqu-b
u,viu
)。则第v个波束形成核心处理单元输
[0065][0066]wu,v
对应第v个波束形成核心处理单元中的第u个共轭复数乘法器的权出的共轭波束满足
[0067]
根据第一末级寄存器和第二末级寄存器的输出，得到原始支路计算结果(a
u,viu-b
u,vqu
) i(a
u,vqu
b
u,viu
)。则第v个波束形成核心处理单元输出的原始波束满足
[0068]
本发明的工作原理如下：
[0069]
波束合成输入信号矩阵x记为
[0070]
x＝[x
0 x1ꢀ…ꢀ
xn]
[0071]
其中xj表示第j个ad输入。
[0072]
用iu和qu分别表示信号xu的同相和正交分量则有
[0073]
xu＝iu iqu(u∈[0,n])
[0074]
波束权值对应的加权矩阵w记为值。用a
u,v
和b
u,v
分别表示权值w
u,v
的同相和正交分量则有
[0075]wu,v
＝a
u,v
ib
u,v
(u∈[0,n],v∈[0,m])
[0076]
使用s表示波束形成结果矩阵则
[0077][0078]
将波束形成结果换一种表示形式得
[0079][0080]
波束形成结果进一步计算得
[0081][0082]
星下点波束权值共轭波束形成结果
[0083][0084]
波束形成结果和共轭波束形成结果中，均含有a
u,viu
、b
u,vqu
、a
u,vqu
、b
u,viu
4项计算结果，因此本发明只需要4个乘法器1次计算即可获得这4项计算结果，不增加资源同时计算述波束形成结果和共轭波束形成结果，较使用两个复数乘法器(每个含有4个乘法器)分别计算述波束形成结果和共轭波束形成结果，实现波束形成fpga乘法器减少一半。
[0085]
本发明针对现有数字波束形成fpga资源消耗大的问题，提出一种基于fpga的星地通信卫星接收时域波束形成器。采取希尔伯特变换代替正交混频 带通滤波进行正交分解，实现每个ad通道，至少减少2个乘法器。利用星下点波束权值共轭特点，在时域进行处理，波束形成fpga乘法器减少一半。使用外部总线定时刷新配置权值列表和ad截位控制的方式，代替传统三模冗余设计，保证防单粒子效应设计可靠的前提下，实现资源占用最小化。
[0086]
基于上述技术，本领域技术人员不需付出创造性劳动完成的实施例均受本技术权利要求的保护。
[0087]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。