Watson-Watt測向算法的FPGA設計實現

何林立 徐保根 康文臣 祝麗華

(同方電子科技有限公司，江西 九江332001)

0 引言

短波測向方法較多，根據用戶需求不同，產品類型多樣化。針對車載短波測向系統而言，受限于天線孔徑，比較常用的短波測向方法有基于比幅法的Watson-Watt測向技術。

隨著FPGA技術的高速發展，不僅能通過FPGA完成濾波、抽取等常規功能，甚至通過FPGA來實現高速、高精度的Watson-Watt測向算法成為可能，我們用FPGA設計完成了Watson-Watt測向算法。

1 Watson-Watt測向算法原理

采用特定的天線，通過幅度比較來進行測向。基本工作原理是：兩幅相同的正交天線對具有兩組正交的“8”字方向圖，從某一方向入射的電波，在兩天線對上產生的感應電動勢，與入射方向的正弦近似成正比，將兩天線對上的感應信號計算來波方向。

南北環天線電壓：

其中d為環天線孔徑，a為來波方位，λ為來波波長。

在天線的孔徑尺寸相對被測來波信號波長滿足d＜＜λ條件的情況下，南北環天線電壓近似為：

可得來波方位

為了實現單值測向，可以增加一副全向的線天線和一個接收通道，將這個全向天線的信號與另外兩個通道輸出的電壓運算比較就可以定單向。表1所示為定單向原理。

表1 定單向判斷

2 FPGA設計實現

通過對Watson-Watt測向算法的分析可以發現，算法的核心是反正切的求解。Watson-Watt測向算法本身屬于規律性較強的運算，適合用FPGA來實現，我們在原有測向設備的基礎上，設計了基于FPGA的高速測向系統。

2.1 系統硬件介紹

三通道測向接收機將天線信號變頻為中頻信號，由三路A/D進行同步采樣，采樣數據經過FFT處理后，計算出信號的相位，最后進行Watson-Watt測向處理得到信號的方位角。

2.2 FPGA實現的主要功能

如圖2所示。FPGA實現的主要功能包括：DDC、加窗、FFT處理、幅度/相位計算、校正處理、方位角計算和定單向等功能，具體處理流程如圖2所示。

圖1 三通道測向接收機硬件組成

其中，DDC模塊負責對采樣的中頻信號進帶通濾波和抽取，使得數據速率更低，帶寬更小，方便獲得更加精細的頻率分辨能力；加窗可以壓制頻譜泄露，讓主辯變的更窄，更加利于信號的分辨；并行的FFT模塊是為信號的實時處理進行準備，當帶寬較小時，可以考慮用高速串行FFT代替并行FFT運算，在滿足數據速率或者不考慮實時處理的情況下，這樣做有利于減少FPGA資源。

FPGA內部實現的核心功能是校正處理、方位角運算和定單向處理，主要的運算步驟如下：

①上電階段，各頻點IQ數據會傳送給上位機，由上位機計算校準信號的幅相差，計算完畢后將幅相差值下發到FPGA中；

②讀取 1 組幅度值 A1、A2、A3；

③調用Cordic模塊計算反正切值；

④讀取相位值 P1、P2、P3；

⑤通過表1和公式(5)得出正確的方位角。

圖3 系統資源占用情況

2.3 結果驗證

本項目FPGA選型為Altera公司的EP3SE110 F1152I3，采用3路并行1024點FFT，將FFTIP核設置在流模式工作狀態，整個軟件編譯后資源占用情況如圖3所示。由于目前全部模塊均采用并行處理，對于資源緊張，同時對實時性要求不高的應用場景，可以按照需求，對三路數據串并轉換，按照串行幀模式，輸入到各個模塊，可以最大程度的減小FPGA內部資源。

3 結論

將實際IQ數據存儲后采用Matlab進行分析，得出結果后和FPGA硬件實現的結果進行對比。以15度為間隔，信號頻率15MHz，實測結果如圖4所示。

圖4

通過上面的對比，發現FPGA硬件實現的性能和Matlab仿真結果基本差不多，測向精度均能控制在1o左右，結果與理論相符，證明算法實現正確。它們之間的誤差主要是由于數據在定點算法中的精度損失帶來。

本文創新點：本文針對Watson-Watt測向算法進行了深入研究，通過利用FPGA的快速并行處理能力，實現Watson-Watt測向算法的實時處理，提高對短時信號和跳頻信號的截獲能力。

本項目數據來源：車載短波偵測站實際數據。

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［2］張爾揚，王瑩.短波通信技術[M].國防工業出版社，2002：2-12.