《電子技術(shù)應用》
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基于FPGA的相控陣天線波束控制算法優(yōu)化研究
2021年電子技術(shù)應用第9期
高 嵩，胥劍濤
成都理工大學 信息科學與技術(shù)學院(網(wǎng)絡安全學院、牛津布魯克斯學院)，四川 成都610059
摘要： 目前FPGA是開發(fā)波束控制系統(tǒng)的首選控制芯片，但FPGA在計算浮點數(shù)據(jù)時存在耗時長并且資源占用大的問題，對波束控制算法的實現(xiàn)存在一定限制?；诖颂岢鲆环N查表與FPGA計算相結(jié)合的優(yōu)化型波束控制算法，以8×8矩形相控陣天線為控制對象，詳細介紹了該優(yōu)化型算法以及FPGA算法模塊的邏輯設計，優(yōu)化型算法降低FPGA資源占用率，節(jié)約系統(tǒng)功耗的同時又規(guī)避了FPGA難以計算三角函數(shù)的問題，最后基于Vivado/Xsim搭建仿真平臺，仿真與測試結(jié)果證明了該方案的正確性和高效性。
中圖分類號： TN958.92
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211372
中文引用格式： 高嵩，胥劍濤. 基于FPGA的相控陣天線波束控制算法優(yōu)化研究[J].電子技術(shù)應用，2021，47(9)：82-85，95.
英文引用格式： Gao Song，Xu Jiantao. Optimization of phased array antenna beam control algorithm based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：82-85，95.
Optimization of phased array antenna beam control algorithm based on FPGA
Gao Song，Xu Jiantao
School of Information Science and Technology(School of Cyber Security，Oxford Brookes College)，Chengdu University of Technology， Chengdu 610059，China
Abstract： At present, FPGA is the preferred control chip in the development of beam control system, but FPGA has the problems of long time consuming and large resource occupation in computing floating-point data, which limits the implementation of beam control algorithm. Based on this, this paper proposes an optimized beam control algorithm which combines look-up table and FPGA calculation. Taking 8×8 rectangular phased array antenna as the control object, the optimization algorithm is introduced in detail. Finally, a simulation platform is built based on Vivado/Xsim. The simulation and test results prove the correctness and efficiency of the scheme.
Key words : FPGA；beam control system；beam control algorithm；phased array antenna；trigonometric function

0 引言

    相控陣天線是相控陣雷達的重要組成部分，其天線陣面上排列著許多天線陣元[1]。每一個天線陣元后都配置有移相器來改變陣元通道間的相位關(guān)系。在波束控制(下稱“波控”)系統(tǒng)的控制下，改變天線陣元通道之間的幅度和相位關(guān)系可以快速地改變天線波束的形狀以及波束的指向[2]，波控系統(tǒng)的優(yōu)良與否是衡量相控陣性能的重要標準之一[3-4]。

    對于要求安全快速布相的產(chǎn)品來說，能夠快速并行運算的FPGA芯片是設計波控系統(tǒng)最好的選擇[5]。但FPGA存在難以實現(xiàn)浮點運算的問題[6]，對于波控算法中三角函數(shù)的計算很不方便，現(xiàn)FPGA實現(xiàn)波控算法的方式通常有兩種：一是通過調(diào)用IP core CORDIC計算的方法；二是通過查表的方法。以上兩種方法中，方法一在FPGA中實現(xiàn)比較困難，在調(diào)用CORDIC運算前，需要先將輸入角度轉(zhuǎn)換為16 bit量化的相位值，且相位值需滿足?茲∈[-π，π]，并且輸出值的小數(shù)也難以直接代入公式計算，這種方法不僅浪費資源而且耗時長。而單一的查表法雖然結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，波束形成快速，但如若陣元數(shù)目過多或指向角精度要求過高，需要存儲的碼值太多，數(shù)據(jù)量太大，也難以實現(xiàn)在大型陣列高指向精度的場合[7]。張延曹等人使用直接查表法實現(xiàn)了對16通道相控陣天線系統(tǒng)的控制[8]。但單一的查表法只對這種陣元數(shù)目少，指向精度不高的場合適用[9]。隨后郭立俊提出了一種查表法與實時計算相結(jié)合的方法，這種方法雖然規(guī)避了FPGA難以實現(xiàn)浮點運算的缺陷，但在設計中生成了多個ROM表，增加了FPGA資源占用率的同時也增加了系統(tǒng)功耗。航空航天產(chǎn)品對設備功耗要求很嚴格，增加設備的功耗等于降低了設備有效作戰(zhàn)時間[10]。




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作者信息：

高  嵩，胥劍濤 

(成都理工大學 信息科學與技術(shù)學院(網(wǎng)絡安全學院、牛津布魯克斯學院)，四川 成都610059)




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