面向通信接收機的FPGA高效波束賦形架構設計

摘要：文章主要研究通信接收機的現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）高效波束賦形架構簡易軟件模塊設計。文章通過深入研究FPGA的硬件資源特性和并行處理能力，提出了一種創新的分層式、流水線化的波束賦形架構。該架構充分利用FPGA的邏輯資源和存儲資源，將復雜的波束賦形算法進行合理分解與優化，有效減少了處理延遲和資源消耗。與傳統架構相比，該設計顯著提高了系統的處理速度和資源利用率，能夠滿足現代通信接收機對高速、高精度波束賦形處理的需求，具有廣闊的應用前景和重要的實用價值。

關鍵詞：波束賦形；FPGA；架構設計

中圖分類號：TN914

文獻標志碼：A

0 引言

在當今數字化通信時代，通信接收機作為信息接收的關鍵設備，其性能的優劣直接影響著整個通信系統的質量與效率。波束賦形技術作為提升通信接收機性能的一項核心技術，通過對陣列天線各陣元的信號進行加權處理，能夠顯著提高接收機的信噪比、抗干擾能力以及系統容量。在眾多實現波束賦形的硬件平臺中，FPGA因其具備高度的靈活性、可重構性以及強大的并行處理能力，成了滿足現代通信接收機對波束賦形實時性和適應性要求的理想選擇。

傳統的波束賦形架構在應用于FPGA時，往往面臨著資源利用率低、處理延遲高以及難以適應復雜多變的通信場景等問題。為了克服這些局限性，充分挖掘FPGA在通信接收機波束賦形應用中的潛力，本研究致力于設計一種面向通信接收機的FPGA高效波束賦形架構。以實現波束賦形處理在FPGA平臺上的高效執行，為下一代高性能通信接收機的發展提供關鍵的技術支撐和解決方案。

1 通信接收機波束賦形技術基礎

1.1 波束賦形原理概述

波束賦形是一種信號處理技術^［1］，主要用于天線陣列系統的信號傳輸。天線陣列指由多個天線單元組成的序列形式，波束賦形通過對這些天線單元接收或發射的信號進行加權處理，以此更改天線陣列的輻射方向。在一個由多個天線單元組成的陣列中，由于各個天線單元在空間內所處位置不同，當信號到達陣列接收端時，每個天線單元接收到的信號在時間、相位等各方面會存在或大或小的差異。波束賦形技術旨在對天線陣列接收或發射的信號進行優化處理，從而精準地控制信號的傳播方向和強度分布。

波束賦形的核心操作是對這些天線單元接收到（或即將發射的）信號賦予不同的權重。最小方差無失真響應算法在保證期望信號無失真接收的前提下，使輸出信號的方差最小，從而抑制干擾和噪聲。權重向量計算公式^［2］w=（R^-1α（θ₀）/α^H（θ₀）R^-1αθ₀），R是接收信號的協方差矩陣，α（θ₀）是期望信號方向的導向向量。

1.2 波束賦形FPGA系統概述

波束賦形FPGA模塊是接收機基帶的一個重要部件。該軟件專為接收機的數字基帶而開發，實現上、下行多波束賦形功能，與信號處理FPGA完成基帶的所有功能。波束賦形FPGA模塊在數字基帶中所處的位置如圖1所示。

1.3 通信接收機對波束賦形的性能需求

1.3.1 高增益性能需求

以“風云四號”氣象衛星為例，風云四號氣象衛星是地球靜止軌道氣象衛星，通信接收機須要在復雜的空間電磁環境下接收微弱的氣象數據信號。高增益的波束賦形能夠增強接收信號的強度，就像使用放大鏡聚焦光線一樣，將微弱的信號能量集中起來。對于風云四號通信接收機而言，高增益有助于在遠距離傳輸過程中，從眾多干擾信號中更有效地提取有用的氣象數據信號。

1.3.2 窄波束寬度與高方向性需求

窄波束寬度和高方向性意味著波束賦形后的信號在空間上具有很強的指向性。風云四號衛星通信接收機須要將波束精準地指向衛星所在方向，減少對其他方向信號的接收，從而降低干擾。這種高度的方向性就像用一束很細的激光來接收信號，只關注來自衛星的信號，而忽略周圍的干擾源。

1.3.3 實時性和自適應性能需求

風云四號衛星在運行過程中，其位置相對地面接收站可能會因為各種因素（如軌道微調、地球自轉等）產生微小變化，同時空間電磁環境也會動態變化。通信接收機的波束賦形須要具備實時性和自適應性能，能夠快速調整波束的方向、形狀和增益等參數，以適應這些變化。這就像一個自動調節的望遠鏡，能夠根據觀察目標的移動和環境光的變化實時調整焦距和光圈。

2 架構設計目標與原則

2.1 設計目標

2.1.1 滿足通信接收機性能指標

確保波束賦形后的天線陣列在期望的信號方向上具有足夠高的增益，以增強接收信號的強度，同時保證良好的方向性，準確地指向目標信號源，減少對其他方向干擾信號的接收。盡可能降低波束的旁瓣電平，防止旁瓣接收到不需要的干擾信號^［3］，從而保證通信質量。

2.1.2 實現低延遲處理

優化波束賦形架構中的信號處理流程，縮短從天線接收到信號到最終輸出波束賦形結果的時間延遲。保證波束賦形的處理速度能夠跟上通信信號的傳輸速率，能夠實時地對接收信號進行波束賦形處理，不造成數據的積壓和丟失，實現流暢的通信連接。

2.1.3 具備良好的可擴展性

設計的架構應能夠方便地擴展到支持不同數量的天線單元，以滿足多樣化的通信應用場景。能夠兼容未來可能出現的新通信標準和改進的波束賦形算法，為通信系統的升級換代提供便利。隨著通信技術的發展，新的調制方式或波束賦形算法可能會被提出，架構應具有足夠的靈活性和可擴展性，允許在不改變硬件平臺的基礎上，通過軟件升級或簡單的硬件模塊調整來實現對新算法和標準的支持。

2.2 設計原則

2.2.1 模塊化設計

將波束賦形架構分解為多個獨立的功能模塊，每個模塊具有明確的輸入輸出接口和特定的功能，便于設計、調試和維護。設計的模塊應具有較高的可復用性^［4］，不僅可以在同一波束賦形架構中多次使用，還能夠在其他相關的通信系統設計中被引用。

2.2.2 資源復用與共享

在不同的時間片段內，讓多個功能模塊共享同一硬件資源，以減少資源的占用。使用時分復用的方式，讓多個天線單元^［5］的信號處理共用同一個乘法器或加法器，提高硬件資源的利用率。對于波束賦形過程中需要存儲的一些公共數據（如天線陣列的校準數據、常用的權重系數表等），采用共享存儲的方式，避免在每個功能模塊中都單獨開辟存儲區域，從而節省存儲資源，方便對這些公共數據的統一管理和更新。

2.2.3 數據并行性利用

在數據傳輸路徑上，本架構設置多個并行的數據通道，同時傳輸不同的數據塊或不同階段的處理結果，加快數據的傳輸速度，減少數據傳輸的瓶頸，使用多個并行的高速數據通道，確保數據能夠及時、準確地到達下一級處理模塊，提高整個系統的運行效率。

3 高效波束賦形架構設計

3.1 模塊劃分

波束賦形FPGA模塊主要劃分為數字下變頻模塊、FIFO模塊、濾波抽取模塊、校準模塊、接收模塊、發射模塊、內插濾波模塊，各模塊共同構成完整的波束賦形FPGA架構，滿足接收通信機性能指標要求，實現功能優化。本架構設計主要實現數字下變頻模塊、FIFO模塊、濾波抽取模塊、內插濾波模塊的優化設計，提高架構整體性能。

3.2 模塊設計與實現

3.2.1 數字下變頻模塊

在通信系統中，射頻或中頻信號經過模數轉換后，其頻率通常較高，不便于后續的基帶處理。數字下變頻通過混頻操作，將高頻數字信號與本地振蕩器產生的數字本振信號相乘，實現頻譜的搬移^［6］。數字下變頻模塊主要完成數據采樣后中頻信號的數字下變頻，將信號搬移到基帶，模塊結構如圖2所示。端口說明如表1所示。

3.2.2 FIFO模塊

先入先出（First-In-First-Out，FIFO）模塊在通信系統或數字電路中，首先起到數據緩沖的作用。在不同模塊之間，數據的產生速率和消耗速率常常不匹配。數據采集模塊可能會快速地采集大量的數據，而處理器可能無法及時處理這些數據。FIFO模塊可以作為一個中間緩沖器，先存儲采集到的數據，然后按照處理器能夠處理的速度將數據提供給處理器，有效地解決了數據速率不匹配的問題。FIFO模塊用于輸入數據時鐘f_s和處理時鐘f_clk1之間的數據域同步，其模塊結構如圖3所示。端口說明如表2所示。

3.2.3 濾波抽取模塊

波抽取模塊的濾波功能主要是對輸入信號進行頻率選擇，去除不需要的頻率成分，提純信號。在通信系統中，信號在傳輸過程中會受到各種干擾，如噪聲、相鄰信道干擾、諧波等。通過濾波，可以讓有用信號通過，阻止干擾信號，提高信號的質量和純度。根據不同信號帶寬要求，設置不同的有效脈沖響應濾波器。此處給出小站信號的模塊說明，濾波抽取模塊如圖4所示。端口說明如表3所示。

3.2.4 內插濾波模塊

內插是在原始信號的樣本點之間插入新的樣本點，從而提高信號的采樣率。在波束賦形的FPGA實現中，內插濾波模塊的內插功能主要用于適配不同模塊之間的采樣率要求。在進行內插操作后，信號的頻譜會發生變化，可能會出現混疊現象。內插濾波模塊中的濾波器可以有效地防止頻譜混疊。它通過對信號的頻譜進行整形，濾除高于奈奎斯特頻率（新采樣率對應的奈奎斯特頻率）的頻率成分，確保信號在提高采樣率后不會因為混疊而失真^［8］。除了抗混疊濾波，內插濾波模塊還可以進行帶通或低通濾波，以滿足特定的信號處理需求。

內插操作可以更好地重建原始模擬信號，使數字信號在時域上更加逼近原始模擬信號的波形。根據信號帶寬要求設置不同的FIR濾波器，內插濾波模塊結構如圖5所示。端口說明如表4所示。

4 高效波束賦形架構的應用

4.1 移動通信系統

在5G及未來6G移動通信基站中，FPGA高效波束賦形架構用于接收來自多個用戶設備的信號。通過精確的波束賦形，基站能夠在復雜的城市環境中，同時接收不同方向、不同距離的UE信號，增強有用信號的強度，抑制干擾信號。

4.2 衛星通信系統

衛星上的通信接收機可以利用該架構。在衛星有限的空間和功率條件下，高效的波束賦形能夠優化對地面站發送信號的接收效果，提高衛星通信系統的整體性能。例如：在低軌道衛星通信系統中，衛星高速運動導致其與地面站之間的信道快速變化，FPGA波束賦形架構可以實時跟蹤信道變化，動態調整波束，保證通信的穩定性和連續性。

4.3 雷達通信一體化系統

在雷達通信一體化系統中，FPGA高效波束賦形架構用于接收目標反射回來的雷達回波信號和通信信號。通過波束賦形，可以將接收波束指向目標方向，增強回波信號的強度，提高雷達的探測精度和距離分辨率。同時，對于通信信號的接收，能夠在復雜的電磁環境中，有效地分離出通信信號，避免雷達信號對通信的干擾，實現雷達與通信功能的高效協同^［9］。

5 結語

在復雜多變的通信場景中，無論是應對城市環境中的多徑干擾，還是在衛星通信中的長距離微弱信號接收，抑或是雷達信號強干擾的情況，該架構都能夠有效地增強信號接收能力，提升通信質量和系統容量，為用戶帶來更加穩定、高效的通信體驗。未來，隨著通信技術的持續演進，本研究將繼續深入研究，探索天線陣列架構的進一步優化以適應新的通信新需求和新挑戰，不斷提升通信接收機的性能和適應性，為推動衛星通信事業的發展貢獻力量，助力實現數字化時代下社會信息互聯互通更便捷、更高效的發展。

參考文獻

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［6］張逃.淺析變頻器工作原理及干擾影響［C］.重慶：第六屆全國石油和化工電氣設計與應用論文大賽論文集，2023.

［7］趙慶平，姜恩華.900MHz無線通信模塊的仿真與設計［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2013（5）：43-46.

［8］彭衛，吳兵，李武建.分數倍內插成形濾波器設計及實現［J］.現代電子技術，2016（1）：62-64.

［9］謝媛媛，錢瑩晶，張仁民.通信感知一體化波束賦形技術的研究現狀與展望［J］.懷化學院學報，2023（5）：60-65.

（編輯 王永超）

Design of FPGA efficient beamforming architecture for communication receiver

CHEN Sijia¹， XIONG Yonghua²， LIU Hairong³

（1.Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2.Shanghai Aerospace Electronics Co.， Ltd.， Shanghai 201821， China;

3.Aerospace Era Low Altitude Technology Co.， Ltd.， Chongqing 401135， China）

Abstract： This paper mainly focuses on the design of simple software modules for the efficient beamforming architecture of Field Programmable Gate Array（FPGA）oriented to communication receivers. Through in-depth research on the hardware resource characteristics and parallel processing capabilities of FPGA， an innovative hierarchical and pipelined beamforming architecture is proposed. This architecture makes full use of the logic resources and storage resources of FPGA， reasonably decomposes and optimizes the complex beamforming algorithms， effectively reducing the processing delay and resource consumption. Compared with the traditional architecture， it significantly improves the processing speed and resource utilization rate of the system， which can meet the requirements of modern communication receivers for high-speed and high-precision beamforming processing， and has broad application prospects and important practical value.

Key words： beamforming; FPGA; architecture design