基于FPGA的自適應波束形成算法實現

　　2.2 系統FPGA軟件模塊設計

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。

　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現代 IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學方程式。在大多數的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

　　系統設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗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計者而改變，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，無法完成復雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發是在普通的FPGA上完成的，然后將設計轉移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復雜可編程邏輯器件備）。

　　根據數字自適應波束形成的原理和數學模型，本文設計的基于FPGA數字波束形成系統結構如圖2所示。8路輸入信號x（n）經過前端信號處理，A／D轉換后，在總控模塊的控制下進入輸入數據存儲模塊雙口RAM，自適應波束形成的具體實現步驟如下：

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

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

　　第三步：由式（3）得，延時后的調整誤差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值相加，得到新的權值向量。

　　第四步：新的權值向量再與新的輸入向量循環進行第一到第三步實現自適應。

　　由此，我們可以將系統分為五大模塊：主控模塊：主要產生時鐘信號，給各模塊提供時序信號觸發各模塊的啟動和初始化；雙口存儲模塊（包括輸入數據存儲模塊、權值存儲模塊、誤差信號存儲模塊等）：存儲各功能模塊所需的數據和參數；自適應權值計算模塊，誤差計算模塊：這兩個模塊可以合在一起，用于系數更新的白適應算法；空間濾波器乘加模塊：完成濾波運算，得到輸出結果。

　　2.2.1 控制模塊

　　輸入信號和權值是8位的復數數據，通過控制模塊選擇乘法操作的操作數，兩個復數信號相乘的4種組合00，11，01，10可以完成實部和虛部之間4個乘法運算，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用來控制乘數的位選，clk_reg用來控制運算新數的進入、上次計算的完畢和結果的輸出。