摘要：文章主要研究通信接收機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）高效波束賦形架構(gòu)簡(jiǎn)易軟件模塊設(shè)計(jì)。文章通過(guò)深入研究FPGA的硬件資源特性和并行處理能力，提出了一種創(chuàng)新的分層式、流水線化的波束賦形架構(gòu)。該架構(gòu)充分利用FPGA的邏輯資源和存儲(chǔ)資源，將復(fù)雜的波束賦形算法進(jìn)行合理分解與優(yōu)化，有效減少了處理延遲和資源消耗。與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，該設(shè)計(jì)顯著提高了系統(tǒng)的處理速度和資源利用率，能夠滿足現(xiàn)代通信接收機(jī)對(duì)高速、高精度波束賦形處理的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：波束賦形；FPGA；架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN914

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在當(dāng)今數(shù)字化通信時(shí)代，通信接收機(jī)作為信息接收的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量與效率。波束賦形技術(shù)作為提升通信接收機(jī)性能的一項(xiàng)核心技術(shù)，通過(guò)對(duì)陣列天線各陣元的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，能夠顯著提高接收機(jī)的信噪比、抗干擾能力以及系統(tǒng)容量。在眾多實(shí)現(xiàn)波束賦形的硬件平臺(tái)中，F(xiàn)PGA因其具備高度的靈活性、可重構(gòu)性以及強(qiáng)大的并行處理能力，成了滿足現(xiàn)代通信接收機(jī)對(duì)波束賦形實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性要求的理想選擇。

傳統(tǒng)的波束賦形架構(gòu)在應(yīng)用于FPGA時(shí)，往往面臨著資源利用率低、處理延遲高以及難以適應(yīng)復(fù)雜多變的通信場(chǎng)景等問(wèn)題。為了克服這些局限性，充分挖掘FPGA在通信接收機(jī)波束賦形應(yīng)用中的潛力，本研究致力于設(shè)計(jì)一種面向通信接收機(jī)的FPGA高效波束賦形架構(gòu)。以實(shí)現(xiàn)波束賦形處理在FPGA平臺(tái)上的高效執(zhí)行，為下一代高性能通信接收機(jī)的發(fā)展提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐和解決方案。

1 通信接收機(jī)波束賦形技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 波束賦形原理概述

波束賦形是一種信號(hào)處理技術(shù)^［1］，主要用于天線陣列系統(tǒng)的信號(hào)傳輸。天線陣列指由多個(gè)天線單元組成的序列形式，波束賦形通過(guò)對(duì)這些天線單元接收或發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，以此更改天線陣列的輻射方向。在一個(gè)由多個(gè)天線單元組成的陣列中，由于各個(gè)天線單元在空間內(nèi)所處位置不同，當(dāng)信號(hào)到達(dá)陣列接收端時(shí)，每個(gè)天線單元接收到的信號(hào)在時(shí)間、相位等各方面會(huì)存在或大或小的差異。波束賦形技術(shù)旨在對(duì)天線陣列接收或發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而精準(zhǔn)地控制信號(hào)的傳播方向和強(qiáng)度分布。

波束賦形的核心操作是對(duì)這些天線單元接收到（或即將發(fā)射的）信號(hào)賦予不同的權(quán)重。最小方差無(wú)失真響應(yīng)算法在保證期望信號(hào)無(wú)失真接收的前提下，使輸出信號(hào)的方差最小，從而抑制干擾和噪聲。權(quán)重向量計(jì)算公式^［2］w=（R^-1α（θ₀）/α^H（θ₀）R^-1αθ₀），R是接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，α（θ₀）是期望信號(hào)方向的導(dǎo)向向量。

1.2 波束賦形FPGA系統(tǒng)概述

波束賦形FPGA模塊是接收機(jī)基帶的一個(gè)重要部件。該軟件專為接收機(jī)的數(shù)字基帶而開發(fā)，實(shí)現(xiàn)上、下行多波束賦形功能，與信號(hào)處理FPGA完成基帶的所有功能。波束賦形FPGA模塊在數(shù)字基帶中所處的位置如圖1所示。

1.3 通信接收機(jī)對(duì)波束賦形的性能需求

1.3.1 高增益性能需求

以“風(fēng)云四號(hào)”氣象衛(wèi)星為例，風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星是地球靜止軌道氣象衛(wèi)星，通信接收機(jī)須要在復(fù)雜的空間電磁環(huán)境下接收微弱的氣象數(shù)據(jù)信號(hào)。高增益的波束賦形能夠增強(qiáng)接收信號(hào)的強(qiáng)度，就像使用放大鏡聚焦光線一樣，將微弱的信號(hào)能量集中起來(lái)。對(duì)于風(fēng)云四號(hào)通信接收機(jī)而言，高增益有助于在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中，從眾多干擾信號(hào)中更有效地提取有用的氣象數(shù)據(jù)信號(hào)。

1.3.2 窄波束寬度與高方向性需求

窄波束寬度和高方向性意味著波束賦形后的信號(hào)在空間上具有很強(qiáng)的指向性。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星通信接收機(jī)須要將波束精準(zhǔn)地指向衛(wèi)星所在方向，減少對(duì)其他方向信號(hào)的接收，從而降低干擾。這種高度的方向性就像用一束很細(xì)的激光來(lái)接收信號(hào)，只關(guān)注來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，而忽略周圍的干擾源。

1.3.3 實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性能需求

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中，其位置相對(duì)地面接收站可能會(huì)因?yàn)楦鞣N因素（如軌道微調(diào)、地球自轉(zhuǎn)等）產(chǎn)生微小變化，同時(shí)空間電磁環(huán)境也會(huì)動(dòng)態(tài)變化。通信接收機(jī)的波束賦形須要具備實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性能，能夠快速調(diào)整波束的方向、形狀和增益等參數(shù)，以適應(yīng)這些變化。這就像一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的望遠(yuǎn)鏡，能夠根據(jù)觀察目標(biāo)的移動(dòng)和環(huán)境光的變化實(shí)時(shí)調(diào)整焦距和光圈。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 滿足通信接收機(jī)性能指標(biāo)

確保波束賦形后的天線陣列在期望的信號(hào)方向上具有足夠高的增益，以增強(qiáng)接收信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)保證良好的方向性，準(zhǔn)確地指向目標(biāo)信號(hào)源，減少對(duì)其他方向干擾信號(hào)的接收。盡可能降低波束的旁瓣電平，防止旁瓣接收到不需要的干擾信號(hào)^［3］，從而保證通信質(zhì)量。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)低延遲處理

優(yōu)化波束賦形架構(gòu)中的信號(hào)處理流程，縮短從天線接收到信號(hào)到最終輸出波束賦形結(jié)果的時(shí)間延遲。保證波束賦形的處理速度能夠跟上通信信號(hào)的傳輸速率，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行波束賦形處理，不造成數(shù)據(jù)的積壓和丟失，實(shí)現(xiàn)流暢的通信連接。

2.1.3 具備良好的可擴(kuò)展性

設(shè)計(jì)的架構(gòu)應(yīng)能夠方便地?cái)U(kuò)展到支持不同數(shù)量的天線單元，以滿足多樣化的通信應(yīng)用場(chǎng)景。能夠兼容未來(lái)可能出現(xiàn)的新通信標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)的波束賦形算法，為通信系統(tǒng)的升級(jí)換代提供便利。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新的調(diào)制方式或波束賦形算法可能會(huì)被提出，架構(gòu)應(yīng)具有足夠的靈活性和可擴(kuò)展性，允許在不改變硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件升級(jí)或簡(jiǎn)單的硬件模塊調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新算法和標(biāo)準(zhǔn)的支持。

2.2 設(shè)計(jì)原則

2.2.1 模塊化設(shè)計(jì)

將波束賦形架構(gòu)分解為多個(gè)獨(dú)立的功能模塊，每個(gè)模塊具有明確的輸入輸出接口和特定的功能，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。設(shè)計(jì)的模塊應(yīng)具有較高的可復(fù)用性^［4］，不僅可以在同一波束賦形架構(gòu)中多次使用，還能夠在其他相關(guān)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被引用。

2.2.2 資源復(fù)用與共享

在不同的時(shí)間片段內(nèi)，讓多個(gè)功能模塊共享同一硬件資源，以減少資源的占用。使用時(shí)分復(fù)用的方式，讓多個(gè)天線單元^［5］的信號(hào)處理共用同一個(gè)乘法器或加法器，提高硬件資源的利用率。對(duì)于波束賦形過(guò)程中需要存儲(chǔ)的一些公共數(shù)據(jù)（如天線陣列的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、常用的權(quán)重系數(shù)表等），采用共享存儲(chǔ)的方式，避免在每個(gè)功能模塊中都單獨(dú)開辟存儲(chǔ)區(qū)域，從而節(jié)省存儲(chǔ)資源，方便對(duì)這些公共數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和更新。

2.2.3 數(shù)據(jù)并行性利用

在數(shù)據(jù)傳輸路徑上，本架構(gòu)設(shè)置多個(gè)并行的數(shù)據(jù)通道，同時(shí)傳輸不同的數(shù)據(jù)塊或不同階段的處理結(jié)果，加快數(shù)據(jù)的傳輸速度，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，使用多個(gè)并行的高速數(shù)據(jù)通道，確保數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地到達(dá)下一級(jí)處理模塊，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 高效波束賦形架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模塊劃分

波束賦形FPGA模塊主要?jiǎng)澐譃閿?shù)字下變頻模塊、FIFO模塊、濾波抽取模塊、校準(zhǔn)模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、內(nèi)插濾波模塊，各模塊共同構(gòu)成完整的波束賦形FPGA架構(gòu)，滿足接收通信機(jī)性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化。本架構(gòu)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻模塊、FIFO模塊、濾波抽取模塊、內(nèi)插濾波模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高架構(gòu)整體性能。

3.2 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 數(shù)字下變頻模塊

在通信系統(tǒng)中，射頻或中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，其頻率通常較高，不便于后續(xù)的基帶處理。數(shù)字下變頻通過(guò)混頻操作，將高頻數(shù)字信號(hào)與本地振蕩器產(chǎn)生的數(shù)字本振信號(hào)相乘，實(shí)現(xiàn)頻譜的搬移^［6］。數(shù)字下變頻模塊主要完成數(shù)據(jù)采樣后中頻信號(hào)的數(shù)字下變頻，將信號(hào)搬移到基帶，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。端口說(shuō)明如表1所示。

3.2.2 FIFO模塊

先入先出（First-In-First-Out，F(xiàn)IFO）模塊在通信系統(tǒng)或數(shù)字電路中，首先起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。在不同模塊之間，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速率和消耗速率常常不匹配。數(shù)據(jù)采集模塊可能會(huì)快速地采集大量的數(shù)據(jù)，而處理器可能無(wú)法及時(shí)處理這些數(shù)據(jù)。FIFO模塊可以作為一個(gè)中間緩沖器，先存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，然后按照處理器能夠處理的速度將數(shù)據(jù)提供給處理器，有效地解決了數(shù)據(jù)速率不匹配的問(wèn)題。FIFO模塊用于輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘f_s和處理時(shí)鐘f_clk1之間的數(shù)據(jù)域同步，其模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。端口說(shuō)明如表2所示。

3.2.3 濾波抽取模塊

波抽取模塊的濾波功能主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻率選擇，去除不需要的頻率成分，提純信號(hào)。在通信系統(tǒng)中，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，如噪聲、相鄰信道干擾、諧波等。通過(guò)濾波，可以讓有用信號(hào)通過(guò)，阻止干擾信號(hào)，提高信號(hào)的質(zhì)量和純度。根據(jù)不同信號(hào)帶寬要求，設(shè)置不同的有效脈沖響應(yīng)濾波器。此處給出小站信號(hào)的模塊說(shuō)明，濾波抽取模塊如圖4所示。端口說(shuō)明如表3所示。

3.2.4 內(nèi)插濾波模塊

內(nèi)插是在原始信號(hào)的樣本點(diǎn)之間插入新的樣本點(diǎn)，從而提高信號(hào)的采樣率。在波束賦形的FPGA實(shí)現(xiàn)中，內(nèi)插濾波模塊的內(nèi)插功能主要用于適配不同模塊之間的采樣率要求。在進(jìn)行內(nèi)插操作后，信號(hào)的頻譜會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。內(nèi)插濾波模塊中的濾波器可以有效地防止頻譜混疊。它通過(guò)對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行整形，濾除高于奈奎斯特頻率（新采樣率對(duì)應(yīng)的奈奎斯特頻率）的頻率成分，確保信號(hào)在提高采樣率后不會(huì)因?yàn)榛殳B而失真^［8］。除了抗混疊濾波，內(nèi)插濾波模塊還可以進(jìn)行帶通或低通濾波，以滿足特定的信號(hào)處理需求。

內(nèi)插操作可以更好地重建原始模擬信號(hào)，使數(shù)字信號(hào)在時(shí)域上更加逼近原始模擬信號(hào)的波形。根據(jù)信號(hào)帶寬要求設(shè)置不同的FIR濾波器，內(nèi)插濾波模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。端口說(shuō)明如表4所示。

4 高效波束賦形架構(gòu)的應(yīng)用

4.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)

在5G及未來(lái)6G移動(dòng)通信基站中，F(xiàn)PGA高效波束賦形架構(gòu)用于接收來(lái)自多個(gè)用戶設(shè)備的信號(hào)。通過(guò)精確的波束賦形，基站能夠在復(fù)雜的城市環(huán)境中，同時(shí)接收不同方向、不同距離的UE信號(hào)，增強(qiáng)有用信號(hào)的強(qiáng)度，抑制干擾信號(hào)。

4.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星上的通信接收機(jī)可以利用該架構(gòu)。在衛(wèi)星有限的空間和功率條件下，高效的波束賦形能夠優(yōu)化對(duì)地面站發(fā)送信號(hào)的接收效果，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體性能。例如：在低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其與地面站之間的信道快速變化，F(xiàn)PGA波束賦形架構(gòu)可以實(shí)時(shí)跟蹤信道變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，保證通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

4.3 雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)

在雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA高效波束賦形架構(gòu)用于接收目標(biāo)反射回來(lái)的雷達(dá)回波信號(hào)和通信信號(hào)。通過(guò)波束賦形，可以將接收波束指向目標(biāo)方向，增強(qiáng)回波信號(hào)的強(qiáng)度，提高雷達(dá)的探測(cè)精度和距離分辨率。同時(shí)，對(duì)于通信信號(hào)的接收，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，有效地分離出通信信號(hào)，避免雷達(dá)信號(hào)對(duì)通信的干擾，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與通信功能的高效協(xié)同^［9］。

5 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜多變的通信場(chǎng)景中，無(wú)論是應(yīng)對(duì)城市環(huán)境中的多徑干擾，還是在衛(wèi)星通信中的長(zhǎng)距離微弱信號(hào)接收，抑或是雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)干擾的情況，該架構(gòu)都能夠有效地增強(qiáng)信號(hào)接收能力，提升通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量，為用戶帶來(lái)更加穩(wěn)定、高效的通信體驗(yàn)。未來(lái)，隨著通信技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，本研究將繼續(xù)深入研究，探索天線陣列架構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化以適應(yīng)新的通信新需求和新挑戰(zhàn)，不斷提升通信接收機(jī)的性能和適應(yīng)性，為推動(dòng)衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，助力實(shí)現(xiàn)數(shù)字化時(shí)代下社會(huì)信息互聯(lián)互通更便捷、更高效的發(fā)展。

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（編輯 王永超）

Design of FPGA efficient beamforming architecture for communication receiver

CHEN Sijia¹， XIONG Yonghua²， LIU Hairong³

（1.Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2.Shanghai Aerospace Electronics Co.， Ltd.， Shanghai 201821， China;

3.Aerospace Era Low Altitude Technology Co.， Ltd.， Chongqing 401135， China）

Abstract： This paper mainly focuses on the design of simple software modules for the efficient beamforming architecture of Field Programmable Gate Array（FPGA）oriented to communication receivers. Through in-depth research on the hardware resource characteristics and parallel processing capabilities of FPGA， an innovative hierarchical and pipelined beamforming architecture is proposed. This architecture makes full use of the logic resources and storage resources of FPGA， reasonably decomposes and optimizes the complex beamforming algorithms， effectively reducing the processing delay and resource consumption. Compared with the traditional architecture， it significantly improves the processing speed and resource utilization rate of the system， which can meet the requirements of modern communication receivers for high-speed and high-precision beamforming processing， and has broad application prospects and important practical value.

Key words： beamforming; FPGA; architecture design