基于FPGA的自适应波束形成算法实现

　　2.2 系统FPGA软件模块设计

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

　　系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

　　FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

　　根据数字自适应波束形成的原理和数学模型，本文设计的基于FPGA数字波束形成系统结构如图2所示。8路输入信号x（n）经过前端信号处理，A／D转换后，在总控模块的控制下进入输入数据存储模块双口RAM，自适应波束形成的具体实现步骤如下：

　　第一步：由式（1）得，实际输入的x（n）和调整后的权值w（n）各分量相乘之后累加得到输出y（n）；

　　第二步：由式（2）得，实际输出的y（n）与期望d（n）相减得到调整误差e（n）；

　　第三步：由式（3）得，延时后的调整误差P（n）跟步长的2倍相乘，再和延时的输入x（n-D）相乘得到的积与延时的权值相加，得到新的权值向量。

　　第四步：新的权值向量再与新的输入向量循环进行第一到第三步实现自适应。

　　由此，我们可以将系统分为五大模块：主控模块：主要产生时钟信号，给各模块提供时序信号触发各模块的启动和初始化；双口存储模块（包括输入数据存储模块、权值存储模块、误差信号存储模块等）：存储各功能模块所需的数据和参数；自适应权值计算模块，误差计算模块：这两个模块可以合在一起，用于系数更新的白适应算法；空间滤波器乘加模块：完成滤波运算，得到输出结果。

　　2.2.1 控制模块

　　输入信号和权值是8位的复数数据，通过控制模块选择乘法操作的操作数，两个复数信号相乘的4种组合00，11，01，10可以完成实部和虚部之间4个乘法运算，四种情况控制模块输出的控制信号分别为ST0，ST1，ST2，ST3。

　　其中，clk_regbt用来控制乘法器完成乘法，counterbt用来控制乘数的位选，clk_reg用来控制运算新数的进入、上次计算的完毕和结果的输出。