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超分辨测向的快速实现研究

作　者: 王大磊
导　师: 王斌
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 空间谱 MUSIC FPGA DSP 快速实现
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,MUSIC等超分辨测向算法的实现,大都使用DSP芯片或高性能计算机来完成,限于它们的顺序计算结构,在宽带信号实时处理场合,需要较多的芯片和复杂的设计。而FPGA采用并行处理方式,具有高效的数据处理能力。因此,本文将FPGA并行处理的优势与DSP易编程、使用灵活的特点相结合,设计了FPGA+DSP组合的硬件平台,研究了超分辨测向在该平台上的快速实现,最终完成算法验证、资源需求以及性能的评估,为某项目的研发提供依据。本文内容如下:1、完成了PCI-E结构的FPGA+DSP硬件平台的方案设计、制作以及调试。首先,根据算法实现要求确定了硬件平台的设计方案;然后,对各单元电路、器件布局以及信号完整性的设计进行了介绍,完成了电路原理图设计,印制电路板的设计、制作及焊接;最后,对硬件平台进行了调试,包括:FPGA以及DSP调试、光端接口调试、PCI Express协议接口测试。2、研究了MUSIC超分辨测向算法的快速实现。首先,介绍了阵列信号处理的数学模型以及空间谱估计的基本原理,并对MUSIC算法在短波频段应用中的性能进行了详细的仿真和分析;然后,分析了在编程实现过程中需要考虑的数据量化误差和运算误差;最后,根据MATLAB的定点仿真结果,分步骤设计了MUSIC算法在FPGA中进行定点运算的实现结构,并给出了资源和性能的初步评估。3、研究了MUSIC算法在FPGA和DSP中的编程实现。首先,描述了MUSIC算法在硬件中实现的详细流程以及数字下变频的实现方法;然后,针对算法实现步骤,分别进行了FPGA编程和DSP编程仿真及实现,包括:协方差矩阵计算、查找表的实现、导向矢量计算、特征值分解、信源个数判断、空间谱计算和谱峰搜索的编程实现,仿真结果验证了设计的正确性;最后给出了在本文验证平台的规模下,窄带空间谱测向所需资源和性能的评估。

全文目录

表目录  7-8
图目录  8-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-16
  1.1 课题背景  12
  1.2 课题概述  12-13
  1.3 研究历史和现状  13-14
    1.3.1 空间谱估计算法的研究现状  13-14
    1.3.2 短波宽带接收系统研究现状  14
  1.4 本文的主要工作和章节安排  14-16
第二章硬件平台设计与实现  16-33
  2.1 方案设计  16-17
    2.1.1 设计要求  16
    2.1.2 方案设计  16-17
  2.2 FPGA电路设计  17-18
    2.2.1 芯片选择  17-18
    2.2.2 配置模式  18
  2.3 DSP选择和设计  18-20
    2.3.1 芯片介绍  18
    2.3.2 JTAG接口设计  18-19
    2.3.3 DSP与FPGA互连设计  19-20
    2.3.4 引导方式  20
  2.4 光端接口设计  20-21
    2.4.1 器件选择  20
    2.4.2 单元结构  20-21
  2.5 电源电路设计  21-23
  2.6 时钟单元  23
  2.7 PCI Express接口设计  23-24
    2.7.1 协议简介  23
    2.7.2 接口设计  23-24
  2.8 印制电路板设计  24-27
    2.8.1 器件布局  24-25
    2.8.2 信号布线  25
    2.8.3 叠层设计  25-26
    2.8.4 印制板制作  26-27
  2.9 电路调试  27-31
    2.9.1 初步检测  27
    2.9.2 FPGA下载配置  27-28
    2.9.3 DSP调试  28-29
    2.9.4 FPGA与DSP接口调试  29
    2.9.5 光端接口测试  29-30
    2.9.6 PCI Express接口测试  30-31
  2.10 本章小结  31-33
第三章超分辨测向的快速实现研究  33-50
  3.1 空间谱估计测向的基本原理和性能分析  33-41
    3.1.1 空间谱估计测向系统结构  33
    3.1.2 阵列信号处理的数学模型  33-34
    3.1.3 MUSIC测向原理  34-37
    3.1.4 MUSIC算法性能仿真与分析  37-41
  3.2 数据量化及运算分析  41-42
    3.2.1 浮点和定点数据格式  41
    3.2.2 定点数的定标和运算  41-42
    3.2.3 算法的定点编程实现流程  42
  3.3 算法的实现研究  42-49
    3.3.1 协方差矩阵计算  43-45
    3.3.2 噪声子空间量化  45
    3.3.3 空间谱计算  45-47
    3.3.4 谱峰搜索  47-48
    3.3.5 资源和性能初步评估  48-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章超分辨测向的快速实现  50-63
  4.1 MUSIC算法的详细实现流程  50
  4.2 数据传输帧格式  50-51
  4.3 数字下变频（DDC）实现  51-52
  4.4 算法的编程实现  52-62
    4.4.1 协方差矩阵计算  52-54
    4.4.2 导向矢量计算  54-58
    4.4.3 特征值分解  58-59
    4.4.4 信源个数判断  59-60
    4.4.5 空间谱计算和谱峰搜索  60-61
    4.4.6 资源和性能评估  61-62
  4.5 本章小结  62-63
结束语  63-64
参考文献  64-66
作者简介攻读硕士学位期间完成的主要工作  66-68
致谢  68

超分辨测向的快速实现研究

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