空間譜估計測向系統設計

在通信偵察測向中，該接收機可采用多次變頻的外差式接收機，雷達偵察測向時(shí)則是寬帶微波數字式接收機。空間譜估計算法對各個(gè)通道的一致性要求較高，雖然可通過(guò)加校正源改善通道的一致性，但是在實(shí)際應用中還要求多信道接收機的各個(gè)通道盡可能保證一致性良好。
3．1．3 MD轉換器
每一路接收機的輸出需經(jīng)A／D轉換變成數字信號。A／D轉換器位數的選擇應考慮信號的動(dòng)態(tài)范圍、量化噪聲、對測向性能的影響，以及價(jià)格等因素．一般應不低于8位。
除采用I、O通道保存信號幅度和相位信息外，也可采用數字正交通道。這時(shí)每路接收機的輸出只需一個(gè)A／D轉換器，不過(guò)采樣頻率應超過(guò)2倍信號帶寬(常采用4倍信號帶寬的采樣頻率)，再用數字方法形成信號的實(shí)部和虛部(數字式希爾伯特濾波器)。數據接收部分要求轉換器的采樣精度高，有效字長(cháng)多，單位時(shí)間內的采樣次數多。這樣有利于捕獲空間中出現的突發(fā)的、短暫的信號。
3．1．4 數字信號處理終端
多路接收機經(jīng)A／D轉換后輸出的數字信號同時(shí)送至數字信號終端進(jìn)行處理，以實(shí)現對空間信號的數目、信號到達方向以及信號其他參數的估計。空間譜估計測向方法的優(yōu)異性能主要通過(guò)優(yōu)良的測向算法及其在信號處理終端上的實(shí)現。與幅度和相位比較等測向方法不同，空間譜估計測向方法需經(jīng)較為復雜的計算才能得到待測信號的到達方向，因此性能優(yōu)異的高效測向算法和高速數字信號處理終端就成為這種測向技術(shù)的核心。從原理上考慮，一臺通用微機可用于信號處理終端。當要求測向過(guò)程實(shí)時(shí)或準時(shí)時(shí)，則應采用高速數字信號處理器完成信號處理終端的任務(wù)。
3．2 空間譜估計算法的硬件實(shí)現方案
現代數字信號處理方案多采用FPGA和通用DSP的混合設計，即DSP+FPGA的設計方案。用FPGA設計協(xié)處理器處理大量、規則的計算，而利用DSP的靈活性處理復雜不規則的計算，從而使整個(gè)系統性能達到最優(yōu)。
對空間譜估計測向中的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則計算的算法，且運算的數據直接從接收機的A／D轉換器輸出得到，可采用定點(diǎn)計算方式，適合采用FPGA實(shí)現。FPGA具有可編程和現場(chǎng)配置的特點(diǎn)，利用與器件相應的CAD軟件，實(shí)現用戶(hù)規定的各種特定功能，具有較高的靈活性。設計者可將其視為一個(gè)由若干與非門(mén)構成的陣列，各與非門(mén)之間通過(guò)一定的方式相連接，實(shí)現特定功能。
實(shí)現協(xié)方差矩陣的特征分解可采用雅可比算法。該算法中。數據的動(dòng)態(tài)范圍很大，用定點(diǎn)計算會(huì )發(fā)生溢出，并且也無(wú)法滿(mǎn)足精度要求，所以只能采用浮點(diǎn)計算；雅可比算法除包含大量的乘法、加法外，還有開(kāi)方、除法等不太規則的計算。因此，用于實(shí)現特征分解的雅可比算法不宜采用FPGA實(shí)現，而應采用DSP實(shí)現。DSP類(lèi)似于通用微處理器CPU，但又有其針對數字信號處理的特點(diǎn)。其與通用微處理器不同之處在于：采用哈佛結構，程序和數據分開(kāi)存儲；采用一系列措施保證數字信號的處理速度，如對FFT的專(zhuān)門(mén)優(yōu)化。因此DSP數字信號處理能力大大優(yōu)于通用微處理器，同時(shí)還具有通用微處理器系統靈活度高，計算可編程控制的特點(diǎn)，可適用于各種復雜的信號處理。
因此，MUSIC算法的硬件實(shí)現可采用DSP+FPGA來(lái)實(shí)現，即定點(diǎn)計算和浮點(diǎn)計算混合的方案。FPGA實(shí)現求解協(xié)方差矩陣，可采用定點(diǎn)計算方法，然后把得出的數據送入DSP，將其定點(diǎn)轉換為浮點(diǎn)，用浮點(diǎn)計算方式計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省資源為優(yōu)先考慮的一種方案，可用于那些對實(shí)時(shí)性要求不太嚴格的應用中；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，可用于那些對實(shí)時(shí)性要求較高的應用中。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別在于：并行方案使用多個(gè)并行相乘累加器進(jìn)行計算。這樣可有效提高整個(gè)系統的處理速度。并行處理的方案應當做到使各處理器的負載平衡，對于含8個(gè)陣元的測向系統，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 結論
在空間譜估計測向系統構成、工作原理、某些關(guān)鍵技術(shù)及硬件實(shí)現的基礎上，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)現方案?？臻g譜估計技術(shù)對雷達信號偵察測向的前景良好，具有研究?jì)r(jià)值。