基于FPGA的自適應(yīng)波束形成算法實(shí)現(xiàn)

　　2.2 系統(tǒng)FPGA軟件模塊設(shè)計(jì)

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗(yàn)板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

　　FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。

　　根據(jù)數(shù)字自適應(yīng)波束形成的原理和數(shù)學(xué)模型，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA數(shù)字波束形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。8路輸入信號x（n）經(jīng)過前端信號處理，A／D轉(zhuǎn)換后，在總控模塊的控制下進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)存儲模塊雙口RAM，自適應(yīng)波束形成的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

　　第一步：由式（1）得，實(shí)際輸入的x（n）和調(diào)整后的權(quán)值w（n）各分量相乘之后累加得到輸出y（n）；

　　第二步：由式（2）得，實(shí)際輸出的y（n）與期望d（n）相減得到調(diào)整誤差e（n）；

　　第三步：由式（3）得，延時后的調(diào)整誤差P（n）跟步長的2倍相乘，再和延時的輸入x（n-D）相乘得到的積與延時的權(quán)值相加，得到新的權(quán)值向量。

　　第四步：新的權(quán)值向量再與新的輸入向量循環(huán)進(jìn)行第一到第三步實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。

　　由此，我們可以將系統(tǒng)分為五大模塊：主控模塊：主要產(chǎn)生時鐘信號，給各模塊提供時序信號觸發(fā)各模塊的啟動和初始化；雙口存儲模塊（包括輸入數(shù)據(jù)存儲模塊、權(quán)值存儲模塊、誤差信號存儲模塊等）：存儲各功能模塊所需的數(shù)據(jù)和參數(shù)；自適應(yīng)權(quán)值計(jì)算模塊，誤差計(jì)算模塊：這兩個模塊可以合在一起，用于系數(shù)更新的白適應(yīng)算法；空間濾波器乘加模塊：完成濾波運(yùn)算，得到輸出結(jié)果。

　　2.2.1 控制模塊

　　輸入信號和權(quán)值是8位的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，通過控制模塊選擇乘法操作的操作數(shù)，兩個復(fù)數(shù)信號相乘的4種組合00，11，01，10可以完成實(shí)部和虛部之間4個乘法運(yùn)算，四種情況控制模塊輸出的控制信號分別為ST0，ST1，ST2，ST3。

　　其中，clk_regbt用來控制乘法器完成乘法，counterbt用來控制乘數(shù)的位選，clk_reg用來控制運(yùn)算新數(shù)的進(jìn)入、上次計(jì)算的完畢和結(jié)果的輸出。