[发明专利]一种基于FPGA的相控阵天线迭代配相算法的实现方法

摘要

本发明提出的一种基于FPGA的相控阵天线迭代配相算法的实现方法，利用FPGA硬件并行运行特性，通过算法优化实现迭代配相算法，提高迭代配相算法的运算速度和运算精度。本发明的运算速度由计数器时钟频率决定，通过优化FPGA设计，计数器时钟频率可以做到200MHz（与采用的FPGA硬件平台相关），即完成一个移相单元的接收、发送配相码的配相迭代计算时间为5ns。运算精度由扩大倍数2^Q决定，扩大倍数越大，则四舍五入误差噪声越小，运算结果精度越高，天线波束指向精度也越高。但扩大倍数增大会影响计数器时钟频率的优化效果，降低运算速度。在实际设计过程中需兼顾运算速度和运算精度要求。

主权项

一种基于FPGA的相控阵天线迭代配相算法的实现方法，其特征在于步骤如下：步骤1、计算天线单元理想相位：在FPGA中调用参数化模块库LPM_MULT，设置输入参数为频率信息预运算数据和波位信息预运算数据进行乘积操作；在FPGA中调用参数化模块库LPM_COUNTER，设置其计数时钟为f_N，并将其计数模式设置为Modulus(Num),其中Num为天线通道数，以其计数输出的i作为当前天线单元通道号；将频率信息预运算数据与波位信息预运算数据乘积结果和当前天线单元号i作为新调用的参数化模块库LPM_MULT输入参数，LPM_MULT乘积输出结果为当前天线单元理想相位；步骤2、计算接收支路配相码和发射支路配相码：接收支路配相码的计算步骤：初始条件：第一接收天线单元量化残差E为0；①求取当前接收天线单元理想相位与上一接收天线单元量化残差E之和：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器，操作数据类型为有符号整型，其输入参数分别设置为当前接收天线单元理想相位和上一接收天线单元量化残差，LPM_ADD_SUB输出得到二者之和Add_Temp1；②求取当前接收天线单元通道初相与Add_Temp1之和：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器、操作数据类型为有符号整型，其输入参数分别设置为当前接收天线单元通道初相和Add_Temp1，LPM_ADD_SUB输出得到二者之和Add_Temp2；③一次取模操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_AND，将数据Add_Temp2和常数2^360/In+Q‑1进行逻辑与操作，即实现对数据Add_Temp2的符号判断处理及模360操作，得到数据Data_Mod1；④四舍五入预操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器、操作数据类型为无符号整型，其输入参数分别设置为Data_Mod1和2^Q‑1；LPM_ADD_SUB求和输出结果为Data_PreRound；⑤二次取模操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_AND，将数据Data_PreRound和常数2^360/In+Q‑1进行逻辑与操作，即实现对数据Data_PreRound的模360操作，获取数据Data_Mod2；⑥移位操作获取接收支路配相码：在FPGA中调用参数化模块库LPM_CLSHIFT，设置其工作模式为逻辑右移，将数据Data_Mod2右移48bit，获取接收支路配相码R_Code；⑦当前接收天线单元量化残差预运算：在FPGA中调用参数化模块库LPM_CLSHIFT，设置其工作模式为逻辑左移，将数据R_Code左移48bit，获取量化残差预运算数据E_Pre；⑧求取当前接收天线单元量化残差：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为减法器、操作数据类型为有符号整型；被减数设置为初次模取模操作后获取的数据Data_Mod1，减数设置为量化残差预运算数据E_Pre；LPM_ADD_SUB作减法操作后，获取当前接收天线单元量化残差E，以备下一接收天线单元配相码计算时使用；重复步骤①～⑧，直到所有接收天线单元配相码计算完成；发射支路配相码的计算步骤：初始条件：第一发射天线单元量化残差E为0；①求取当前发射天线单元理想相位与上一发射天线单元量化残差E之和：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器、操作数据类型为有符号整型，其输入参数分别设置为当前发射天线单元理想相位和上一发射天线单元量化残差，LPM_ADD_SUB输出得到二者之和Add_Temp1；②求取当前发射天线单元通道初相与Add_Temp1之和：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器、操作数据类型为有符号整型，其输入参数分别设置为当前发射天线单元通道初相和Add_Temp1，LPM_ADD_SUB输出得到二者之和Add_Temp2；③一次取模操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_AND，将数据Add_Temp2和常数2^360/In+Q‑1进行逻辑与操作，即实现对数据Add_Temp2的符号判断处理及模360操作，得到数据Data_Mod1；④四舍五入预操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为加法器、操作数据类型为无符号整型，其输入参数分别设置为Data_Mod1和2^Q‑1。LPM_ADD_SUB求和输出结果为Data_PreRound；⑤二次取模操作：在FPGA中调用参数化模块库LPM_AND，将数据Data_PreRound和常数2^360/In+Q‑1进行逻辑与操作，即实现对数据Data_PreRound的模360操作，获取数据Data_Mod2；⑥移位操作获取发射支路配相码：在FPGA中调用参数化模块库LPM_CLSHIFT，设置其工作模式为逻辑右移，将数据Data_Mod2右移48bit，获取发射支路配相码R_Code；⑦当前发射天线单元量化残差预运算：在FPGA中调用参数化模块库LPM_CLSHIFT，设置其工作模式为逻辑左移，将数据R_Code左移48bit，获取量化残差预运算数据E_Pre；⑧求取当前发射天线单元量化残差：在FPGA中调用参数化模块库LPM_ADD_SUB，设置其工作模式为减法器、操作数据类型为有符号整型；被减数设置为初次模取模操作后获取的数据Data_Mod1，减数设置为量化残差预运算数据E_Pre；LPM_ADD_SUB作减法操作后，获取当前发射天线单元量化残差E，以备下一发射天线单元配相码计算时使用；重复步骤①～⑧，直到所有发射天线单元配相码计算完成。