一種基于TMS320C6678的自適應(yīng)波束形成設(shè)計(jì)

摘 要：自適應(yīng)數(shù)字波束形成（ADBF）是相控陣?yán)走_(dá)的核心技術(shù)。本文討論了ADBF的工程實(shí)現(xiàn)算法，并給出了一種基于DSP TMS320C6678的數(shù)字多波束形成設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有高速數(shù)字波束形成、通道校正、自適應(yīng)干擾置零功能，在實(shí)踐中有良好的效果。

關(guān)鍵詞： DBF；ADBF；TMS320C6678；矩陣求逆

引言：數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)屬于陣列信號處理范疇，它充分利用了陣列天線所檢測到的空間信息，在模擬波束形成原理的基礎(chǔ)上，引入了先進(jìn)的數(shù)字信號處理方法，可以獲得優(yōu)良的波束性能，可以自適應(yīng)地形成波束實(shí)現(xiàn)空域抗干擾，可以進(jìn)行非線性處理改善角分辨率，還可以同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立可控的波束而不損失信噪比，且天線具有較好的自校正和低副瓣性能可以方便地實(shí)現(xiàn)波束掃描、自校準(zhǔn)和自適應(yīng)波束形成等。

當(dāng)前，在雷達(dá)面臨的日益復(fù)雜的電磁環(huán)境和敵方干擾下，DBF技術(shù)越來越受到雷達(dá)研制單位的重視，隨著大規(guī)模集成電路和高速信號處理芯片的發(fā)展，使得波束形成的全數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)。

一、數(shù)字波束形成原理

（一）DBF。波束形成的基本思想就是通過將各陣元輸出加權(quán)求和，在某一時(shí)間內(nèi)將天線陣列各波束“導(dǎo)向”到某一方向上，這是通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)完成的，如下圖8.1所示，陣列輸出是對各陣元的接收信號向量X（t）在各陣元上分量的加權(quán)和。令權(quán)矢量W=[w0，w1，…，wM-1]T，其中上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置，M表示陣元個(gè)數(shù)，則輸出可寫為

y（t）=WHX（t） （1.1）

若空間只有一個(gè)來自方向θd的電波，其方向向量為a（θd）=[ ]T， λ為載頻波長，d為陣元間距。則當(dāng)權(quán)w取作a（θd）時(shí)，輸出y（t）=aH（θd）a（θd）=M最大，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向定位作用。

（二）ADBF。匹配濾波在白噪聲背景下是最佳接收的，如果存在干擾信號則要另加考慮。考慮一M元窄帶線性天線陣列，有p+1個(gè)遠(yuǎn)場信號分別從θi（i=0，1，…，P）入射，其中有一個(gè)期望信號（θ0方向）和P個(gè)干擾。假設(shè)p+1個(gè)信號互不相干，各陣元噪聲為互相獨(dú)立，功率相等的白噪聲，且與信號無關(guān)。令

p+1

其中si（t）為信號的復(fù)包絡(luò)，a（θi）為信號導(dǎo)向矢量，設(shè)i=0時(shí)為期望信號，i=1，2，…，P為干擾信號。nk（t）為第k個(gè)陣元接收的噪聲。

二、數(shù)字波束形成實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

（一）矩陣運(yùn)算。由上所述得知，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束的形成主要難點(diǎn)在于實(shí)時(shí)計(jì)算協(xié)方差矩陣和逆矩陣，并且隨著陣元數(shù)目的增多運(yùn)算量隨之快速增加，對信號處理提出了較高要求。

我們充分發(fā)揮TMS320C6678多核的特點(diǎn)，將運(yùn)算過程分解成若干個(gè)部分，在時(shí)間上可以重疊的運(yùn)算交由不同的核來同時(shí)完成，并且將所有運(yùn)算數(shù)據(jù)都保存在速度最高的內(nèi)部RAM中，極大地提高了運(yùn)算效率，減少了運(yùn)算時(shí)間。下面以逆矩陣的計(jì)算來說明：首先將矩陣進(jìn)行LU三角分解， 得到兩個(gè)三角矩陣， 接著求這兩個(gè)三角矩陣的逆矩陣，最后將兩個(gè)三角逆矩陣相乘得到原矩陣的逆矩陣。

（二）高速實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。進(jìn)行10路DBF/ADBF的計(jì)算需要實(shí)時(shí)傳輸很大的數(shù)據(jù)量，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們充分利用TMS320C6678集成的高速接口SRIO和HyperLink，并結(jié)合

FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)。其中4xSRIO速度可達(dá)12.5Gbps，Hyper

Link 4lane速度可達(dá)50Gbps。實(shí)際工作中最大采樣率20Mhz，

10（路）*32bit*2（iq）/0.05us = 12800Mbps，可以滿足要求。

三、工程實(shí)現(xiàn)結(jié)果

（一）矩陣求逆精度。矩陣求逆運(yùn)算和協(xié)方差運(yùn)算對精度要求較高，在仿真時(shí)較小的誤差會帶來較大的結(jié)果差異，從而影響實(shí)際工作效果。所以我們對實(shí)際采樣數(shù)據(jù)分別采用系統(tǒng)和matlab計(jì)算來對比，結(jié)果證實(shí)系統(tǒng)工作精度可以滿足要求。

（二） ADBF波束形成。在有干擾的情況下，我們希望通過計(jì)算最優(yōu)權(quán)向量，使得波束在干擾方向形成零陷，從而達(dá)到干擾抑制的作用。這也是數(shù)字波束形成體制雷達(dá)具備的優(yōu)點(diǎn)。

四、結(jié)束語

本文介紹的波束形成實(shí)現(xiàn)方法其架構(gòu)是一個(gè)典型的一維數(shù)字波束形成系統(tǒng)。采用了新型DSP芯片TMS320C6678實(shí)現(xiàn)其主要算法是由于其數(shù)據(jù)量大，須實(shí)時(shí)計(jì)算等特點(diǎn)。現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在某型號雷達(dá)上，并取得了良好的使用效果。