Watson-Watt测向算法的FPGA设计实现

何林立 徐保根 康文臣 祝丽华

(同方电子科技有限公司，江西 九江332001)

0 引言

短波测向方法较多，根据用户需求不同，产品类型多样化。针对车载短波测向系统而言，受限于天线孔径，比较常用的短波测向方法有基于比幅法的Watson-Watt测向技术。

随着FPGA技术的高速发展，不仅能通过FPGA完成滤波、抽取等常规功能，甚至通过FPGA来实现高速、高精度的Watson-Watt测向算法成为可能，我们用FPGA设计完成了Watson-Watt测向算法。

1 Watson-Watt测向算法原理

采用特定的天线，通过幅度比较来进行测向。基本工作原理是：两幅相同的正交天线对具有两组正交的“8”字方向图，从某一方向入射的电波，在两天线对上产生的感应电动势，与入射方向的正弦近似成正比，将两天线对上的感应信号计算来波方向。

南北环天线电压：

其中d为环天线孔径，a为来波方位，λ为来波波长。

在天线的孔径尺寸相对被测来波信号波长满足d＜＜λ条件的情况下，南北环天线电压近似为：

可得来波方位

为了实现单值测向，可以增加一副全向的线天线和一个接收通道，将这个全向天线的信号与另外两个通道输出的电压运算比较就可以定单向。表1所示为定单向原理。

表1 定单向判断

2 FPGA设计实现

通过对Watson-Watt测向算法的分析可以发现，算法的核心是反正切的求解。Watson-Watt测向算法本身属于规律性较强的运算，适合用FPGA来实现，我们在原有测向设备的基础上，设计了基于FPGA的高速测向系统。

2.1 系统硬件介绍

三通道测向接收机将天线信号变频为中频信号，由三路A/D进行同步采样，采样数据经过FFT处理后，计算出信号的相位，最后进行Watson-Watt测向处理得到信号的方位角。

2.2 FPGA实现的主要功能

如图2所示。FPGA实现的主要功能包括：DDC、加窗、FFT处理、幅度/相位计算、校正处理、方位角计算和定单向等功能，具体处理流程如图2所示。

图1 三通道测向接收机硬件组成

其中，DDC模块负责对采样的中频信号进带通滤波和抽取，使得数据速率更低，带宽更小，方便获得更加精细的频率分辨能力；加窗可以压制频谱泄露，让主辩变的更窄，更加利于信号的分辨；并行的FFT模块是为信号的实时处理进行准备，当带宽较小时，可以考虑用高速串行FFT代替并行FFT运算，在满足数据速率或者不考虑实时处理的情况下，这样做有利于减少FPGA资源。

FPGA内部实现的核心功能是校正处理、方位角运算和定单向处理，主要的运算步骤如下：

①上电阶段，各频点IQ数据会传送给上位机，由上位机计算校准信号的幅相差，计算完毕后将幅相差值下发到FPGA中；

②读取 1 组幅度值 A1、A2、A3；

③调用Cordic模块计算反正切值；

④读取相位值 P1、P2、P3；

⑤通过表1和公式(5)得出正确的方位角。

图3 系统资源占用情况

2.3 结果验证

本项目FPGA选型为Altera公司的EP3SE110 F1152I3，采用3路并行1024点FFT，将FFTIP核设置在流模式工作状态，整个软件编译后资源占用情况如图3所示。由于目前全部模块均采用并行处理，对于资源紧张，同时对实时性要求不高的应用场景，可以按照需求，对三路数据串并转换，按照串行帧模式，输入到各个模块，可以最大程度的减小FPGA内部资源。

3 结论

将实际IQ数据存储后采用Matlab进行分析，得出结果后和FPGA硬件实现的结果进行对比。以15度为间隔，信号频率15MHz，实测结果如图4所示。

图4

通过上面的对比，发现FPGA硬件实现的性能和Matlab仿真结果基本差不多，测向精度均能控制在1o左右，结果与理论相符，证明算法实现正确。它们之间的误差主要是由于数据在定点算法中的精度损失带来。

本文创新点：本文针对Watson-Watt测向算法进行了深入研究，通过利用FPGA的快速并行处理能力，实现Watson-Watt测向算法的实时处理，提高对短时信号和跳频信号的截获能力。

本项目数据来源：车载短波侦测站实际数据。

［1］H.H.金克斯.小孔径无线电测向[J].电子工业部第 36 研究所，1995：2-7.

［2］张尔扬，王莹.短波通信技术[M].国防工业出版社，2002：2-12.