【FPGA波速形成】基于FPGA的波速形成系统的设计实现

1.软件版本

MATLAB2013b，quartusii12.1

2.本算法理论知识

波束形成技术来自于基阵有方向性的原理，设一个由N个无方向性阵元组成的接收换能器阵。各阵元位于空间点(xn,yn,zn)处，将所有的阵元相加得到输出，就形成了基阵的自然指向性。此时，若有一远场平面入射波入射到这一基阵上，它的输出幅度将随平面入射角的变化而变化。

当信号源在不同方向时，由于各阵接收信号与基准信号的相位差不同，因而形成的和输出的幅度不同，即阵的响应不同。

 

表明，一个多元阵输出幅度大小随信号入射角而变化。一般而言，对于一个任意的阵型，无论声波从哪个方向入射，均不可能形成同相相加或得到最大输出，只有直线阵或空间平面阵才会在阵的法线方向形成同相相加，得到最大输出。然而，任意阵型的阵经过适当的处理，可在预定的方向形成同相相加，得到最大输出，这就是波束形成的一般原理。

 

 

 3.核心代码

`timescale 1ns / 1ps
module tops(
            i_clk,
				i_rst,
				o_index,
				o_cos,
				o_sin,
				o_I_cos,
				o_Q_sin,
				o_I_filter,
				o_Q_filter,
				o_I_fft,
				o_Q_fft,	
	         o_boxs		
           );

input              i_clk;
input              i_rst;
output [15:0]      o_index;		
output signed[9:0] o_cos;
output signed[9:0] o_sin;
output signed[31:0]o_I_cos;
output signed[31:0]o_Q_sin;
output signed[15:0]o_I_filter;
output signed[15:0]o_Q_filter;
output signed[13:0]o_I_fft;
output signed[13:0]o_Q_fft;			  
output signed[15:0]o_boxs;			  
			  
wire signed[9:0]o_signal1 ,o_signal2 ,o_signal3 ,o_signal4 ,o_signal5 ,o_signal6 ,o_signal7 ,o_signal8 ,o_signal9 ,o_signal10;
wire signed[9:0]o_signal11,o_signal12,o_signal13,o_signal14,o_signal15,o_signal16,o_signal17,o_signal18,o_signal19,o_signal20;
wire signed[9:0]o_signal21,o_signal22,o_signal23,o_signal24,o_signal25,o_signal26,o_signal27,o_signal28,o_signal29,o_signal30;
wire signed[9:0]o_signal31,o_signal32,o_signal33,o_signal34,o_signal35,o_signal36,o_signal37,o_signal38,o_signal39,o_signal40;
wire signed[9:0]o_signal41,o_signal42,o_signal43,o_signal44,o_signal45,o_signal46,o_signal47,o_signal48,o_signal49,o_signal50;
Signal Signal_u(
               .i_clk     (i_clk),
				   .i_rst     (i_rst),
				   .o_signal1(o_signal1),
				   .o_signal2(o_signal2),
				   .o_signal3(o_signal3),
				   .o_signal4(o_signal4),
					.o_signal5(o_signal5),
					.o_signal6(o_signal6),
					.o_signal7(o_signal7),
					.o_signal8(o_signal8),
					.o_signal9(o_signal9),
					.o_signal10(o_signal10),

				   .o_signal11(o_signal11),
				   .o_signal12(o_signal12),
				   .o_signal13(o_signal13),
				   .o_signal14(o_signal14),
					.o_signal15(o_signal15),
					.o_signal16(o_signal16),
					.o_signal17(o_signal17),
					.o_signal18(o_signal18),
					.o_signal19(o_signal19),
					.o_signal20(o_signal20),

				   .o_signal21(o_signal21),
				   .o_signal22(o_signal22),
				   .o_signal23(o_signal23),
				   .o_signal24(o_signal24),
					.o_signal25(o_signal25),
					.o_signal26(o_signal26),
					.o_signal27(o_signal27),
					.o_signal28(o_signal28),
					.o_signal29(o_signal29),
					.o_signal30(o_signal30),

				   .o_signal31(o_signal31),
				   .o_signal32(o_signal32),
				   .o_signal33(o_signal33),
				   .o_signal34(o_signal34),
					.o_signal35(o_signal35),
					.o_signal36(o_signal36),
					.o_signal37(o_signal37),
					.o_signal38(o_signal38),
					.o_signal39(o_signal39),
					.o_signal40(o_signal40),

				   .o_signal41(o_signal41),
				   .o_signal42(o_signal42),
				   .o_signal43(o_signal43),
				   .o_signal44(o_signal44),
					.o_signal45(o_signal45),
					.o_signal46(o_signal46),
					.o_signal47(o_signal47),
					.o_signal48(o_signal48),
					.o_signal49(o_signal49),
					.o_signal50(o_signal50),					
	            .o_index	  (o_index)		  
              );


hunpin hunpin_u(
               .i_clk(i_clk),
				   .i_rst(i_rst),
				   .i_index(o_index),
				   .i_signal1(o_signal1) ,
					.i_signal2(o_signal2) ,
					.i_signal3(o_signal3) ,
					.i_signal4(o_signal4) ,
					.i_signal5(o_signal5) ,
					.i_signal6(o_signal6) ,
					.i_signal7(o_signal7) ,
					.i_signal8(o_signal8) ,
					.i_signal9(o_signal9) ,
					.i_signal10(o_signal10),
				   .i_signal11(o_signal11),
					.i_signal12(o_signal12),
					.i_signal13(o_signal13),
					.i_signal14(o_signal14),
					.i_signal15(o_signal15),
					.i_signal16(o_signal16),
					.i_signal17(o_signal17),
					.i_signal18(o_signal18),
					.i_signal19(o_signal19),
					.i_signal20(o_signal20),
				   .i_signal21(o_signal21),
					.i_signal22(o_signal22),
					.i_signal23(o_signal23),
					.i_signal24(o_signal24),
					.i_signal25(o_signal25),
					.i_signal26(o_signal26),
					.i_signal27(o_signal27),
					.i_signal28(o_signal28),
					.i_signal29(o_signal29),
					.i_signal30(o_signal30),
				   .i_signal31(o_signal31),
					.i_signal32(o_signal32),
					.i_signal33(o_signal33),
					.i_signal34(o_signal34),
					.i_signal35(o_signal35),
					.i_signal36(o_signal36),
					.i_signal37(o_signal37),
					.i_signal38(o_signal38),
					.i_signal39(o_signal39),
					.i_signal40(o_signal40),
				   .i_signal41(o_signal41),
					.i_signal42(o_signal42),
					.i_signal43(o_signal43),
					.i_signal44(o_signal44),
					.i_signal45(o_signal45),
					.i_signal46(o_signal46),
					.i_signal47(o_signal47),
					.i_signal48(o_signal48),
					.i_signal49(o_signal49),
					.i_signal50(o_signal50),
 				   .o_I_cos(o_I_cos),
				   .o_Q_sin(o_Q_sin),
				   .o_cos(o_cos),
				   .o_sin(o_sin) 
              );
				  
				  
fir_filter fir_filter_real(
                       .i_clk (i_clk),
						     .i_rst (i_rst),
						     .i_din (o_I_cos[15:0]),
						     .o_dout(o_I_filter)
                       );				  
				  
fir_filter fir_filter_imag(
                       .i_clk (i_clk),
						     .i_rst (i_rst),
						     .i_din (o_Q_sin[15:0]),
						     .o_dout(o_Q_filter)
                       );	
	
//FFT
reg[11:0]cnt;
always @(posedge i_clk or posedge i_rst)
begin
     if(i_rst)
	  begin
	  cnt <= 12'd0;
	  end
else begin
          if(cnt == 12'd2000)
			 cnt <= 12'd2000;
	  else
	       cnt <= cnt + 12'd1;  
     end
end

reg start;
always @(posedge i_clk or posedge i_rst)
begin
     if(i_rst)
	  begin
	  start <= 1'd0;
	  end
else begin
          if(cnt == 12'd406)
			 start <= 1'd1;
	  else
	       start <= 1'd0;  
     end
end


fft256 fft256_u( 
              .CLK  (i_clk),
				  .RST  (i_rst),
				  .ED   (1'b1),
				  .START(start),
				  .SHIFT(4'b0000),
				  .DR   (o_I_filter[15:6]),
				  .DI   (o_Q_filter[15:6]),
				  .RDY  (),
				  .OVF1 (),
				  .OVF2 (),
				  .ADDR (),
				  .DOR  (o_I_fft),
				  .DOI  (o_Q_fft)
				  );




//ABS
wire signed[23:0]tmps;
assign tmps   = o_I_fft*o_I_fft+o_Q_fft*o_Q_fft;
assign o_boxs = tmps[17:2];

			
endmodule 

clc
clear
close all;

%分析一：天线的角分辨率(能探测角度的精度)
Err = [];
for i = 0:60
    N        =  32;
    d        =  0.5;
    lamada   =  2*d;
    theta    = -pi/2:pi/720:pi/2;
    fai      =  2*pi/lamada*d*sin(theta);

    k        = 0:N-1;
    S        = exp(1j*k'*fai);
    theta_yi0= i; 
    theta_yi = theta_yi0*pi/180;
    r        = round(N*d/lamada*sin(theta_yi))+1;
    Ar       = fft(S,32);
    
    [VV,II]  = max(abs(Ar(r,:)));
    JIAODU   = abs(theta(II)*180/pi);
    
    
    figure(1); 
    plot(theta*180/pi,abs(Ar(r,:)));
    
    Err = [Err,abs(JIAODU-theta_yi0)];
end
figure;
plot(0:60,Err,'b-o');





%分析二：提高信噪比
Err = [];
SNR_SET = [-20:10];
for SNR = SNR_SET
    N        =  32;
    d        =  0.5;
    lamada   =  2*d;
    theta    = -pi/2:pi/720:pi/2;
    fai      =  2*pi/lamada*d*sin(theta);

    k        = 0:N-1;
    S        = exp(1j*k'*fai);
    S        = awgn(S,SNR,'measured');
    
    
    theta_yi0= 45; 
    theta_yi = theta_yi0*pi/180;
    r        = round(N*d/lamada*sin(theta_yi))+1;
    Ar       = fft(S,32);
    
    [VV,II]  = max(abs(Ar(r,:)));
    JIAODU   = abs(theta(II)*180/pi);
    
    
    figure(1); 
    plot(theta*180/pi,abs(Ar(r,:)));
    
    Err = [Err,abs(JIAODU-theta_yi0)];
end
figure;
plot(SNR_SET,Err,'b-o');



%分析三：天线能够探测的角度范围
Err = [];
for i = 0:80
    N        =  32;
    d        =  0.5;
    lamada   =  2*d;
    theta    = -pi/2:pi/720:pi/2;
    fai      =  2*pi/lamada*d*sin(theta);

    k        = 0:N-1;
    S        = exp(1j*k'*fai);
    theta_yi0= i; 
    theta_yi = theta_yi0*pi/180;
    r        = round(N*d/lamada*sin(theta_yi))+1;
    Ar       = fft(S,32);
    
    [VV,II]  = max(abs(Ar(r,:)));
    JIAODU   = abs(theta(II)*180/pi);
    
    
    figure(1); 
    plot(theta*180/pi,abs(Ar(r,:)));
    
    Err = [Err,abs(JIAODU-theta_yi0)];
end
figure;
plot(0:80,Err,'b-o');

 4.操作步骤与仿真结论

 

 

 

这里，这个波形，仿真效果如下所示：

在fpga中，仿真结果如下所示：

因为FFT之后，他会自动出现两个峰值，。修改后仿真结果如下所示：

5.参考文献

A21-10