分布式数字波束形成网络及数字波束形成处理方法技术

本发明专利技术公开了一种分布式数字波束形成网络，依据分布式算法以存储器资源取代硬件乘法器资源完成并行的乘累加运算，特别适合存储器资源丰富的硬件体系架构如ＦＰＧＡ等，也可由闪存存储器等配置实现，因此极大降低了硬件资源的需求和硬件设计的难度，以较低的成本实现复杂的、大规模的波束形成处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子通信
，特别涉及一种分布式数字波束形成网络及数字波 束形成处理方法，用于实现乘累加运算需求极大的大规模相控阵天线的并行波束形成处理。
技术介绍
在卫星通信领域，相控阵技术具有增益高、可大角度动态扫描等优点。而且，利用 阵列天线的空间分集效果实现多波束覆盖，结合波束间频率复用和码分复用等手段，可极 大提高卫星通信系统的用户容量。在军事侦查、信息预警等多个领域，相控阵天线更是发挥 着极大的作用，它可作为空军预警机的核心部件，自动跟踪敌方多个目标(如军舰、飞机、 导弹等)的动向，锁定目标运动轨迹，为我方采取击落或截获等下一步动作提供判断依据 和方向导引。相控阵天线已经成为大国军事力量的象征。在民用移动通信领域，以智能天线 为代表的相控阵天线也得到广泛的应用，它不仅可以点扫描跟踪目标用户的动向，同时也 可以抑制其他用户的干扰，达到提高用户通信链路质量和扩展系统用户容量的目的。因此， 当今的地面移动通信系统均采用了相控阵天线技术，以智能天线为代表的相控阵天线更是 成为我国自行研制的第三代移动通信标准TD-SCDMA标准的核心技术。相控阵天线由多阵元组成的阵列天线、多通道的射频前端以及波束形成网络组 成。其中，波束形成网络为相控阵天线的核心部件，其通过控制各波束信号的相位或幅度， 即可实现特定方向的天线波束方向图。相控阵天线波束形成网络主要有两种实现方式一 是模拟波束形成，在射频前端通过馈电网络调整幅相实现；二是数字波束形成(DBF)，在基 带或中频段通过数字域处理实现。由于数字信号处理和软件无线电技术日新月异的发展， DBF成为有源相控阵天线的发展趋势。DBF具有精度高、可编程、可重构等优点，特别在波束 数要求上百的大规模相控阵天线设计上，DBF优势更加突出。而模拟波束形成方式的大规 模相控阵天线，需要设计结构非常复杂的功分网络和幅相调整网络，而且由于加工工艺等 原因，幅度、相位的准确度不高。与此相对，数字波束形成网络的幅相调整通过芯片处理即 可完成，且可根据射频通道幅相不一致程度进行更改调整，因此波束扫描赋形更加灵活、精 度也更高。以M阵元发射N个波束信号的数学模型为例，来说明数字波束形成网络的基本实现原理。待发射的N个波束信号矢量为......Bn),相控阵天线共有M个阵元，每个阵元通道的信号矢量为(7)，T2...... Tm )，波束形成部分的成型矩阵 其中矩阵胞元C代表在第j路射频通道中第i路波束信号幅相调整权重。波束形成计算数学模型如下 其中，发往第j阵元通道信号，需完成波束形成计算Tj＝N∑i=1B*Ci,j，须进行N次复数乘累加运算。由此可见，该数字波束形成网络需要进行Μ*Ν个并行复数乘累加运算，而且 M个阵元同时计算。因此，大规模相控阵天线中的波束形成计算所需的乘法器硬件资源和运 算量将是非常惊人的，常规的微处理器如DSP架构是逐条执行指令，其计算能力已经无法 满足如此庞大的数据吞吐率。因此，需要一种分布式处理架构，能同时并行处理多个阵元通道和波束信号的波 束形成处理，应对大规模相控阵天线中的数字波束形成网络的设计要求。这种分布式处理 架构可以应用于可编程门阵列(FPGA)等架构芯片中。然而，当相控阵天线规模很大，需要 同时处理很多波束和阵元时，即使是大规模的FPGA，也无法提供数目庞大的硬件乘法器来 完成此运算(Μ*Ν个复数硬件乘法器)。例如，16波束、61阵元的相控阵天线需要976个复 数硬件乘法器，而当前主流FPGA供应商如xilinx公司或altera公司的产品都无法提供如 此庞大数目的硬件乘法器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种， 以存储器资源取代硬件乘法器资源来实现并行的乘累加运算，从而无需消耗硬件乘法器资 源，借助成本相对较低的大规模存储器实现乘累加运算需求极大的大规模相控阵天线的并 行波束形成处理。本专利技术提供一种分布式数字波束形成网络，该数字波束形成网络的每一阵元通道 发射N个波束信号并具有N个幅相调整权重，每个波束信号的数据宽度为B比特，该数字波 束形成网络包括转置模块、查找表模块、移位模块、以及累加模块，其中，所述转置模块按相 同位汇聚原则对所述N个波束信号进行转置操作，输出新的B个分支向量，每个分支向量的 数据宽度为N比特；所述查找表模块包括B个存储内容相同且配置成查找表结构的存储器， 每个存储器中的2N-1个存储单元预先存储按照所述N个幅相调整权重计算得到的存储内 容，该查找表模块将所述新的B个分支向量分别作为所述B个存储器的寻址地址进行寻址 操作，输出各个寻址地址对应的存储内容；所述移位模块包括B个移位分支，分别对从所述 B个存储器读出的存储内容进行向左移位，移位的位数为产生对应的存储器的寻址地址时 各波束信号汇聚的比特位数减1 ；所述累加模块对所述移位模块的各移位分支输出的B个 移位结果进行累加运算，得到最终结果。在上述分布式数字波束形成网络中，所述存储器由FPGA芯片内部的集成片上存 储器或片外的闪存存储器配置而成。在上述分布式数字波束形成网络中，所述存储器为只读存储器。本专利技术还提供一种数字波束形成处理方法，其包括如下步骤步骤1，输入N个波 束信号，每个波束信号的数据宽度为B比特，按相同位汇聚原则对所述N个波束信号进行 转置操作，输出新的B个分支向量，每个分支向量的数据宽度为N比特；步骤2，将存储内容 相同的B个存储器配置成查找表结构，每个存储器中的2N-1个存储单元预先存储按照所述4N个幅相调整权重计算得到的存储内容，并且，将所述新的B个分支向量分别作为所述B个 存储器的寻址地址进行寻址操作，输出各个寻址地址对应的存储内容；步骤3，分别对从所 述B个存储器读出的存储内容进行向左移位，移位的位数为产生对应的存储器的寻址地址 时各波束信号汇聚的比特位数减1 ；以及步骤4，对B个移位结果进行累加运算，得到最终结与现有技术相比，本专利技术提供的分布式数字波束形成网络，依据分布式算法以存 储器资源取代硬件乘法器资源完成并行的乘累加运算，特别适合存储器资源丰富的硬件体 系架构如FPGA等，也可由闪存存储器等配置实现，因此极大降低了硬件资源的需求和硬件 设计的难度，以较低的成本实现复杂的、大规模的波束形成处理。此外，本专利技术提供的分布 式数字波束形成网络中，转置、查找、移位、累加均可并行操作，经过3、4级流水级即可实现 N个乘累加运算，运算速度快，适合应用于速度较高、规模较大的相控阵天线的阵列信号处 理。附图说明图1为本专利技术的分布式数字波束形成网络的结构示意图；图2为本专利技术的分布式数字波束形成网络的变形例(采用二分裂查找表结构)的 结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、特征更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式 作进一步的说明。本专利技术的核心设计思想来源于分布式算法(Distributed Arithmetic，DA)。分布 式算法适合应用于固定系数的乘累加运算。下面描述分布式算法的基本设计思路。假设N个固定系数c (η)分别与N个输入变量χ (η)相乘并累加，得到的结果为y。 在此c(n)相当于某通道的幅相调整权重，而χ (η)相当于某个波束的输入信号，则 将变量χ (η)用二进制数表示为对“)=* ( ) + Σ气(“)*本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式数字波束形成网络，该数字波束形成网络的每一阵元通道发射Ｎ个波束信号并具有Ｎ个幅相调整权重，每个波束信号的数据宽度为Ｂ比特，其特征在于，该数字波束形成网络包括转置模块、查找表模块、移位模块、以及累加模块，其中，所述转置模块按相同位汇聚原则对所述Ｎ个波束信号进行转置操作，输出新的Ｂ个分支向量，每个分支向量的数据宽度为Ｎ比特；所述查找表模块包括Ｂ个存储内容相同且配置成查找表结构的存储器，每个存储器中的２↑［Ｎ］－１个存储单元预先存储按照所述Ｎ个幅相调整权重计算得到的存储内容，该查找表模块将所述新的Ｂ个分支向量分别作为所述Ｂ个存储器的寻址地址进行寻址操作，输出各个寻址地址对应的存储内容；所述移位模块包括Ｂ个移位分支，分别对从所述Ｂ个存储器读出的存储内容进行向左移位，移位的位数为产生对应的存储器的寻址地址时各波束信号汇聚的比特位数减１；所述累加模块对所述移位模块的各移位分支输出的Ｂ个移位结果进行累加运算，得到最终结果。

【技术特征摘要】
一种分布式数字波束形成网络，该数字波束形成网络的每一阵元通道发射N个波束信号并具有N个幅相调整权重，每个波束信号的数据宽度为B比特，其特征在于，该数字波束形成网络包括转置模块、查找表模块、移位模块、以及累加模块，其中，所述转置模块按相同位汇聚原则对所述N个波束信号进行转置操作，输出新的B个分支向量，每个分支向量的数据宽度为N比特；所述查找表模块包括B个存储内容相同且配置成查找表结构的存储器，每个存储器中的2N 1个存储单元预先存储按照所述N个幅相调整权重计算得到的存储内容，该查找表模块将所述新的B个分支向量分别作为所述B个存储器的寻址地址进行寻址操作，输出各个寻址地址对应的存储内容；所述移位模块包括B个移位分支，分别对从所述B个存储器读出的存储内容进行向左移位，移位的位数为产生对应的存储器的寻址地址时各波束信号汇聚的比特位数减1；所述累加模块对所述移位模块的各移位分支输出的B个移位结果进行累加运算，得到最终结果。2.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁广，龚文斌，余金培，刘会杰，覃维引，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]