智能天线系统下波达方向估计算法及其FPGA设计

摘要

智能天线技术是3G移动通信技术的重要组成部分，也在军用和民用领域有着大量的应用，如移动通信、电子对抗、参数估计、信号识别等。智能天线的一项核心技术是波达方向(Direction of Arrival，DOA)估计，而信号子空间法又是DOA估计中重要的一种，经过几十年的发展，出现了大量性能优异的算法，如:MUSIC(MultipleSIgnal Classification)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via RotationalInvariance Technique)等。在各种子空间算法中，R.O.Schmidt提出的MUSIC算法是一类较为经典的算法，但因其不能分辨相干信号且计算量大，在实际应用中遇到很多问题，因此如何找到一种改进算法，并完成算法的快速实现具有十分重要的意义。 本文首先研究MUSIC算法及其相关的改进算法，接着引出能够处理相干信号的前向平滑MUSIC算法，并提出其FPGA设计方案。主要在6阵元均匀直线阵下，研究前向平滑MUSIC算法的FPGA实现问题: (1)本文针对现目前达波方向估计算法，主要研究了传统DOA估计方法和MUSIC算法，通过仿真分析对比几种算法的性能，并选取前向平滑MUSIC算法进行具体的FPGA设计。 (2)本文针对算法平滑处理的特性，提出自相关矩阵模块的设计方案，用FPGA实现前向平滑。 (3)本文针对现有FPGA实现特征分解(EVD)算法的不足，结合Jacobi算法并行的优点，给出基于改进型并行Jacobi算法的FPAG设计方案，并验证了EVD模块进行矩阵分解的可行性。 (4)本文通过引入索引值Index的方法，量化搜索角度并确定其搜索步长，使用比较单元完成伪谱值搜索，达到对来波信号进行DOA估计的目的。 (5)本文提出了前向平滑MUSIC算法三个内部模块的FPGA设计方案，并给出三个模块的顶层模块图和内部核心算法电路图，本文在QuartusⅡ平台下，完成了前向平滑MUSIC算法各模块的互连工作，并分析了整个算法设计方案的资源占用情况。 谱峰搜索模块的功能仿真结果表明，整个基于Verilog HDL语言编写的硬件设计能实现预定的功能，并准确的对来波信号进行DOA估计。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 智能天线的研究和发展现状

1．2 阵列天线的数学模型

1．3 使用FPGA实现MUSIC算法的优缺点

1．4 本文的主要内容和安排

第二章 波达方向估计算法及其仿真

2．1 传统DOA估计方法

2．1．1 延迟—相加法

2．1．2 传统的Capon法

2．2 常用的波达方向估计算法及其仿真

2．2．1 经典MUSIC算法

2．2．2 改进型MUSIC算法

2．2．3．求根MUSIC算法

2．2．4 酉变换及酉变换步进搜索求根MUSIC算法

2．2．5 ESPRIT算法

2．3 本章小结

第三章 前向平滑MUSIC算法仿真及硬件框图

3．1 前向平滑MUSIC算法

3．2 前向平滑MUSIC算法与经典MUSIC算法的仿真比较

3．2．1 关于仿真的说明

3．2．2 仿真结果及仿真分析

3．2．3 仿真结论

3．3 预处理

3．3 前向平滑MUSIC算法的FPGA设计框图

第四章 基于改进型并行Jacobi算法的EVD模块硬件设计

4．1 引言

4．2 CORDIC算法的原理及硬件设计

4．2．1 CORDIC算法的原理

4．2．2 CORDIC算法的实现结构

4．2．3 CORDIC算法的设计

4．2．4 CORDIC算法精度分析

4．3 Jacobi算法的原理及实现结构

4．3．1 经典Jacobi算法

4．3．2 改进Jacobi算法

4．3．3 改进CORDIC算法

4．3．4 并行Jacobi算法

4．3．5 改进型并行Jacobi算法

4．5 EVD模块的硬件设计

4．6 EVD模块功能验证及误差分析

4．7 本章小结

第五章 前向平滑MUSIC算法整体硬件设计及分析

5．1 引言

5．2 自相关模块

5．3 谱峰搜索模块

5．4 FPGA实现MUSIC算法整体设计

5．5 基于QuartusⅡ的前向平滑MUSIC算法整体设计

5．5 本章小结

第六章 全文的总结性及展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果及从事的科研工作