空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通信偵察測向中，該接收機(jī)可采用多次變頻的外差式接收機(jī)，雷達(dá)偵察測向時(shí)則是寬帶微波數(shù)字式接收機(jī)。空間譜估計(jì)算法對(duì)各個(gè)通道的一致性要求較高，雖然可通過加校正源改善通道的一致性，但是在實(shí)際應(yīng)用中還要求多信道接收機(jī)的各個(gè)通道盡可能保證一致性良好。
3．1．3 MD轉(zhuǎn)換器
每一路接收機(jī)的輸出需經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇應(yīng)考慮信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、量化噪聲、對(duì)測向性能的影響，以及價(jià)格等因素．一般應(yīng)不低于8位。
除采用I、O通道保存信號(hào)幅度和相位信息外，也可采用數(shù)字正交通道。這時(shí)每路接收機(jī)的輸出只需一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，不過采樣頻率應(yīng)超過2倍信號(hào)帶寬(常采用4倍信號(hào)帶寬的采樣頻率)，再用數(shù)字方法形成信號(hào)的實(shí)部和虛部(數(shù)字式希爾伯特濾波器)。數(shù)據(jù)接收部分要求轉(zhuǎn)換器的采樣精度高，有效字長多，單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)多。這樣有利于捕獲空間中出現(xiàn)的突發(fā)的、短暫的信號(hào)。
3．1．4 數(shù)字信號(hào)處理終端
多路接收機(jī)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號(hào)同時(shí)送至數(shù)字信號(hào)終端進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信號(hào)的數(shù)目、信號(hào)到達(dá)方向以及信號(hào)其他參數(shù)的估計(jì)。空間譜估計(jì)測向方法的優(yōu)異性能主要通過優(yōu)良的測向算法及其在信號(hào)處理終端上的實(shí)現(xiàn)。與幅度和相位比較等測向方法不同，空間譜估計(jì)測向方法需經(jīng)較為復(fù)雜的計(jì)算才能得到待測信號(hào)的到達(dá)方向，因此性能優(yōu)異的高效測向算法和高速數(shù)字信號(hào)處理終端就成為這種測向技術(shù)的核心。從原理上考慮，一臺(tái)通用微機(jī)可用于信號(hào)處理終端。當(dāng)要求測向過程實(shí)時(shí)或準(zhǔn)時(shí)時(shí)，則應(yīng)采用高速數(shù)字信號(hào)處理器完成信號(hào)處理終端的任務(wù)。
3．2 空間譜估計(jì)算法的硬件實(shí)現(xiàn)方案
現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理方案多采用FPGA和通用DSP的混合設(shè)計(jì)，即DSP+FPGA的設(shè)計(jì)方案。用FPGA設(shè)計(jì)協(xié)處理器處理大量、規(guī)則的計(jì)算，而利用DSP的靈活性處理復(fù)雜不規(guī)則的計(jì)算，從而使整個(gè)系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。
對(duì)空間譜估計(jì)測向中的MUSIC算法分析可知，MUSIC算法可分為：求解協(xié)方差矩陣，對(duì)協(xié)方差矩陣特征分解和譜峰搜索。其中，求解協(xié)方差矩陣是一種包含大量而又規(guī)則計(jì)算的算法，且運(yùn)算的數(shù)據(jù)直接從接收機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器輸出得到，可采用定點(diǎn)計(jì)算方式，適合采用FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA具有可編程和現(xiàn)場配置的特點(diǎn)，利用與器件相應(yīng)的CAD軟件，實(shí)現(xiàn)用戶規(guī)定的各種特定功能，具有較高的靈活性。設(shè)計(jì)者可將其視為一個(gè)由若干與非門構(gòu)成的陣列，各與非門之間通過一定的方式相連接，實(shí)現(xiàn)特定功能。
實(shí)現(xiàn)協(xié)方差矩陣的特征分解可采用雅可比算法。該算法中。數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍很大，用定點(diǎn)計(jì)算會(huì)發(fā)生溢出，并且也無法滿足精度要求，所以只能采用浮點(diǎn)計(jì)算；雅可比算法除包含大量的乘法、加法外，還有開方、除法等不太規(guī)則的計(jì)算。因此，用于實(shí)現(xiàn)特征分解的雅可比算法不宜采用FPGA實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)采用DSP實(shí)現(xiàn)。DSP類似于通用微處理器CPU，但又有其針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)。其與通用微處理器不同之處在于：采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)；采用一系列措施保證數(shù)字信號(hào)的處理速度，如對(duì)FFT的專門優(yōu)化。因此DSP數(shù)字信號(hào)處理能力大大優(yōu)于通用微處理器，同時(shí)還具有通用微處理器系統(tǒng)靈活度高，計(jì)算可編程控制的特點(diǎn)，可適用于各種復(fù)雜的信號(hào)處理。
因此，MUSIC算法的硬件實(shí)現(xiàn)可采用DSP+FPGA來實(shí)現(xiàn)，即定點(diǎn)計(jì)算和浮點(diǎn)計(jì)算混合的方案。FPGA實(shí)現(xiàn)求解協(xié)方差矩陣，可采用定點(diǎn)計(jì)算方法，然后把得出的數(shù)據(jù)送入DSP，將其定點(diǎn)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)，用浮點(diǎn)計(jì)算方式計(jì)算特征分解和譜峰搜索。
求解協(xié)方差矩陣時(shí)有串行和并行兩種方案。串行方案主要是以節(jié)省資源為優(yōu)先考慮的一種方案，可用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中；并行解決方案主要是以處理速度為優(yōu)先考慮的一種方案，可用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用中。圖4給出并行處理方案的原理框圖。

并行方案與串行方案的區(qū)別在于：并行方案使用多個(gè)并行相乘累加器進(jìn)行計(jì)算。這樣可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度。并行處理的方案應(yīng)當(dāng)做到使各處理器的負(fù)載平衡，對(duì)于含8個(gè)陣元的測向系統(tǒng)，需要求出36個(gè)元素的值，因此可選用2，3，4，6，12，18，36個(gè)相乘累加器的不同的并行處理方案。顯然相乘累加器越多，處理速度越快，但其成本也高。

4 結(jié)論
在空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、某些關(guān)鍵技術(shù)及硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹基于相關(guān)矩陣特征分解的MUSIC算法原理及其硬件實(shí)現(xiàn)方案?？臻g譜估計(jì)技術(shù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)偵察測向的前景良好，具有研究價(jià)值。