基于NIOS II处理器的数字波束形成工程实现

张洪峰

（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥 230031）

【摘　要】介绍了波束形成的原理、系统组成和实现方法。对本数字波束形成项目,提出在FPGA上建立NIOS软核来实现雷达在各种工作模式下的数字波束形成。

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关键词数字波束形成;NIOS软核;DBF

0　引言

数字波束形成（DBF）是在原来模拟波束形成原理的基础上、引入数字信号处理方法后建立的一门雷达新技术。DBF的出现和发展既是现代电子战对雷达需要牵引的结果，也是雷达技术和其它相关领域技术进步的产物。先进的自适应信号处理和阵列信号处理方法既为DBF的研究与实现提供了强有力的手段，也为DBF的实用拓广了应用领域。本文基于DBF体制的某三坐标雷达，对DBF技术的原理，工程应用做了详细的介绍。

1　基本原理

参数说明：Si为第i阵元的输入信号；N为阵元个数；d为阵元间距；θ为入射信号和阵元之间的夹角；λ为发射机发射载波所对应的波长；k为波束的序列号，空间上共形成M个波束。Wi为第i阵元的加权系数。通过改变加权因子（系数）Wi，就可以控制波束的指向和形状，以及副瓣电平。需要指出的是，加权系数在实际应用中还可能包含各种校正系数，如对各通道之间的幅度相位不一致校准，甚至于对每一通道内的I/Q信号的幅度相位误差的校正和信号零漂的校正。回波信号经天线送至多路合一的DAM，经DAM产生I/Q信号，通过光纤按照约定协议送至信号处理数字波束形成（DBF）模块。DBF硬件平台接收来自于前端的N路阵元信号，合成M个波束。

接收数字波束形成的原理框图如图1所示：

2　NIOS II 软核SOPC系统及组件

NIOS II处理器系统包含一个或多个可配置NIOS II CPU软核、与CPU相连接的片内存储器、以及与片外存储器和外设相连的接口等。所有的组件在一个FPGA芯片上实现。所有NIOS II处理器系统使用统一的指令集和编程模型。

一个典型的NIOS II处理系统如图2所示。

图2中，CPU、外设、外设接口，如SDRAM控制器、片内ROM/RAM、三态桥、UART、定时器、LCD显示驱动电路、通用I/O、以太网接口和Compactflash等都是牺牲FPGA内部的逻辑资源为代价的。因此，在进行具体的软核架构时，可对不必要的外设进行裁减，以满足低成本的小型系统设计。

3　基于NIOS的数字波束形成工程实现

3.1　硬件平台

数字波束形成的硬件部分主要由FPGA(EP4SGX230)、EPCS128配置芯片和两片外挂SRAM存储芯片（GSI公司产品）构成的系统，板卡包含了标准的CPCI接口、自定义的高速ZD、以太网口、4路高速光纤接口以及两路SMA接口，一路用于模拟时钟输入，一路用于数模转换输出。FPGA(EP4SGX230)为ALTERA公司四代器件，片内具有丰富的存储以及逻辑单元。功能强大的四代器件使得在单片FPGA上实现小阵列的数字波束形成系统成为可能。本文所要介绍的片上NIOS核主要完成DBF系数的运算、对FPGA的写系数操作；而FPGA主要完成NIOS的外部地址总线译码，产生NIOS所需的分时读写波。其原理框图如图3所示。

3.2　软件设计

3.2.1　FPGA模块设计

EP4SGX230器件，内部包括:14，625,1792bitsRAM, 161个DSP模块，24对高速收发器Transceiver。EP4SGX230内部逻辑设计的数据流向为：1）将打包好的串行数据（其中包括字头、各种控制代码）通过光纤送入收发DAM模块；2）接收DAM经光纤送至信号处理的串行数据、串转并、时钟域转换、收NIOS写入的DBF系数、然后对齐累加合成多个波束。最后将多个波束按照约定的光纤协议进行打包，送至信号处理下一级进行数字脉压（DPC）以及滤波等处理。

3.2.2　NIOS设计

NIOS设计包括软核构建以及源码设计

下面做分别介绍。

1）NIOS软核构建

通过quartsu设计软件进入sopc构建界面，我们需要添加cpu，定时器、调试用jtag uart、sram、epcs控制器、cfi模块等，注意sram、epcs、cfi模块需要添加三态桥Avalon-mm Tristate Bridge和cpu进行桥接。同时，需要添加一定数量的pio，设置为沿触发，作为cpu的外部中断输入，从而执行对应的中断服务程序。本设计的软核构建如下：

2）NIOS软件设计

本软件基于Eclipse环境下用C语言编写。软件设计流程图如下：（本软件有多个任务，这里只介绍DBF系数计算的部分）：

软件流程大致为：上电系统初始化，进入DBF系数计算任务（Task）。计算出所有频点、波束、阵元的波束形成系数，然后根据模式字，将对应的系数写入FPGA。在fpga内部逻辑中，自动判别不同重复周期工作状态是否改变，若改变，将产生一沿触发信号给NIOS，NIOS收到后，再一次计算DBF系数。如此循环重复。

3.3　设计结果

假设接收波束为十个波束，覆盖空域0~20°。利用计算机MATLAB仿真可以模拟出十个接收波束的理论波形。图6为十个交叠接收波束的仿真结果。