一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，利用旋转迭代原理，将输入数据先转换为笛卡尔坐标系数x和坐标系数y，再把坐标系数x和坐标系数y的求解，通过加法和乘法运算进行处理；对于迭代系数z，利用FPGA器件内部的多输入查找表(LUT)资源和编程资源间的互连快速进位链(Carry Chain)，对方位角求解过程中涉及的非线性运算进行优化，最终得到方位角信息；这样根据迭代运算的进度改变数据位宽，优化处理流程，同时采用流水线技术提高执行效率，实现快速求解。

A method of azimuth acquisition based on programmable gate array and coordinate rotation processing

The invention discloses an azimuth acquisition method based on programmable gate array and coordinate rotation processing. The input data is first converted into Cartesian coordinate coefficient X and coordinate coefficient y by rotation iteration principle, then the coordinate coefficient X and coordinate coefficient y are solved, and the iterative coefficient Z is processed by addition and multiplication. In order to obtain azimuth information, the Carry Chain (Carry Chain) between multiple input lookup table (LUT) resources and programming resources in the FPGA is used to optimize the nonlinear operation involved in the azimuth angle calculation, and the azimuth information is finally obtained. Pipeline technology improves execution efficiency and realizes quick solution.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法
本专利技术属于信号处理及信号测量
，更为具体地讲，涉及一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法。
技术介绍
在通信、雷达、信号测试及测量领域，很多时候需要对入射信号的方位角进行计算和测量。例如在数字通信系统的调制及解调过程中，在时间、频率及相位同步阶段计算复数的角度。又例如在雷达信号处理中，到达角度(AOA)测量，到达角度差(DAOA)测量等过程中，需要快速计算方位角。在计算方位角或斜率的过程中，通常会涉及到正弦函数、余弦函数以及反正切函数等超越函数的计算。对于此类非线性函数的求解，工程中通常采用查表法、级数展开和迭代逼近三类方法实现。查表法是指将固定点的函数值预置在存储器中，在运算时通过地址映射查询的方式得到数据，但有限的存储器容量限制了函数值的存储数量，因此查表法的速度很快，但精度不高。级数展开和迭代逼近法相比较于查表法，可以实现更高的精度，但这两类计算方法在乘法以及浮点数处理方面的时间花销很大，硬件电路的实现相对比较繁琐和低效。通过坐标旋转数字计算的方法，将需要占用较多运算资源和运算时间的乘法操作转变成加法和移位操作。由于加法和移位操作所需的运算资源和运算时间远远低于乘法操作，能够大幅降低了整个迭代求解过程的资源占用和处理时间。可编程逻辑门阵列(FPGA)是当代广泛使用的一种可编程数字逻辑器件，能够以并行处理的方式实现复杂的数学运算和数字逻辑运算，是求解非线性函数的理想应用平台。因此，如何根据FPGA器件内部可编程逻辑资源的特点，实现对方位的快速解算，具有重要的理论和工程应用价值。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，利用可编程门阵列数字逻辑器件的特点，实现坐标旋转数字计算中非线性三角函数的迭代求解，完成对信号源方位角的计算和测量。为实现上述专利技术目的，本专利技术为一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、数据获取及变换；将传感器输入数据通过调理电路进行放大和滤波，再利用模数转换器ADC进行转换，得到标准的输入数据；对标准的输入数据进行笛卡尔坐标变换，得到笛卡尔坐标系中的系数x和系数y；(2)、设置迭代系数z，使得系数y在迭代旋转过程中不断趋近于零；z＝z'-d×atan(2-i)其中，z'表示上一次的迭代系数，i为迭代的次数，d为迭代方向；(3)、在迭代系数z的控制下，计算每一次迭代旋转后的系数x和系数y；其中，x'和y'分别表示系数x和系数y的上一次迭代值；(4)、确定迭代次数i根据步骤(3)中的迭代计算，如果迭代计算时输出系数x和系数y的精度为w位，那么迭代次数i＝w+1；(5)、设定计算单元根据步骤(3)中的迭代计算，当系数x在经过w/2次迭代后，直接去掉w/2次迭代后系数x的计算；当系数y在经过w/2次迭代后，将后一级迭代计算单元加法器和乘法器的位宽按顺序比前一级计算单元减少1位；(6)、获取最终的方位角按照步骤(2)-(5)的设定后，系数x和系数y经过w+1次迭代运算后输出w位精度的旋转角度累加值，再经过坐标修正后得到最终的方位角信息。本专利技术的专利技术目的是这样实现的：本专利技术基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，利用旋转迭代原理，将输入数据先转换为笛卡尔坐标系数x和坐标系数y，再把坐标系数x和坐标系数y的求解，通过加法和乘法运算进行处理；对于迭代系数z，利用FPGA器件内部的多输入查找表(LUT)资源和编程资源间的互连快速进位链(CarryChain)，对方位角求解过程中涉及的非线性运算进行优化，最终得到方位角信息；这样根据迭代运算的进度改变数据位宽，优化处理流程，同时采用流水线技术提高执行效率，实现快速求解。同时，本专利技术基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法还具有以下有益效果：(1)、本专利技术精简了与方位角计算无关及弱相关的冗余计算单元模块，并使用FPGA内部LUT单元的多输入端口及进位链构成超前进位加法器，实现快速有效的角度求解运算；(2)、在达到相同运算精度的情况下，相比较于其它坐标旋转的处理方法，速度更快、资源占用更少、功能定制及裁剪更灵活，不仅有效的减少了FPGA片内逻辑资源的占用，而且提高了运算处理速度。附图说明图1是本专利技术基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法原理图；图2是图1所示流水线计算阶段示意图；图3是图1所示后序处理阶段中加法链结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本专利技术基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法原理图。在本实施例中，如图1所示，本专利技术一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，包括以下步骤：S1、传感器模拟量的采集并输入采集加速度传感器、姿态传感器、鉴相器或其它类型传感器输入的模拟数据，并将这些模拟数据作为输入信号输入至调理电路。S2、调理电路对输入的传感器模拟量进行预处理调理电路先对模拟数据进行放大，使得输入信号大小与模数转换器ADC的动态范围尽可能一致，然后再进行模拟滤波，去除干扰信号。S3、模数转换器ADC对模拟信号进行模数转换，得到数字信号并输入至FPGA模块。S4、利用FPGA模块计算数字信号的方位角信息S4.1、前序处理阶段前序处理阶段主要包括数据映射模块处理、位宽扩展模块处理和坐标变换模块处理；根据传感器类型的不同，送入到FPGA的采样数据首先进行数据映射处理。如果传感器数据为连续值，采用多数据累加求平均的方法减小测量及转换误差；如果传感器数据为突发离散量类型，则数据不再做求平均的操作。用于采样转换ADC的分辨率为14位，考虑到运算时数据的位宽溢出效应，将14位数据扩展为16位。扩展后的数据最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。经过位宽扩展增加符号位以后，需要进行坐标变换。以四通道方位角鉴相器电压输出为例，水平方向两路鉴相器的电压差为坐标系数x，垂直方向两路鉴相器电压差为坐标系数y。理想的角度旋转区间为笛卡尔直角坐标系第一象限，即[0,π/2]角度区间，而坐标系数x和y的最高位符号位存在(0，0)，(1，0)，(1，1)和(0，1)四种组合，分别对应第一、二、三、四象限。因此，通过坐标变换将坐标系数调整到第一象限进行计算，在第一象限方位角计算完成后再进行角度修正。这种先调整计算再修正输出的方式，在逻辑资源占用和计算速度上都比全象限直接运算的效率高。S4.2、流水线计算阶段1)、计算迭代系数z，使得系数y在迭代旋转过程中不断趋近于零；z＝z'-d×atan(2-i)其中，z'表示上一次的迭代系数，i为迭代的次数，d为迭代方向；其中，迭代方向d由当前系数y在坐标系中所处的象限决定；若系数y处于第四象限，那么d为负，系数y进行逆时针旋转，反之d为正，系数y进行顺时针旋转；2)、在迭代系数z的控制下，计算每一次迭代旋转后的系数x和系数y；其中，x'和y'分别表示系数x和系数y的上一次迭代值；3)、计算迭代次数i根据步骤2)中的迭代计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、数据获取及变换；将传感器输入数据通过调理电路进行放大和滤波，再利用模数转换器ADC进行转换，得到标准的输入数据；对标准的输入数据进行笛卡尔坐标变换变换，得到笛卡尔坐标系中的系数x和系数y；(2)、设置迭代系数z，使得系数y在迭代旋转过程中不断趋近于零；z＝z'‑d×atan(2‑i)其中，z'表示上一次的迭代系数，i为迭代的次数，d为迭代方向；(3)、在迭代系数z的控制下，计算每一次迭代旋转后的系数x和系数y；

【技术特征摘要】
1.一种基于可编程门阵列和坐标旋转处理的方位角获取方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、数据获取及变换；将传感器输入数据通过调理电路进行放大和滤波，再利用模数转换器ADC进行转换，得到标准的输入数据；对标准的输入数据进行笛卡尔坐标变换变换，得到笛卡尔坐标系中的系数x和系数y；(2)、设置迭代系数z，使得系数y在迭代旋转过程中不断趋近于零；z＝z'-d×atan(2-i)其中，z'表示上一次的迭代系数，i为迭代的次数，d为迭代方向；(3)、在迭代系数z的控制下，计算每一次迭代旋转后的系数x和系数y；其中，x'和y'分别表示系数x和系数y的上一次迭代值；(4)、确定迭代次数i根据步骤(3)中的迭代计算，如果迭代计算时输出系数x和系数y的精度为w位，那么迭代次数i＝w+1；(5)、设定计算单元根据步骤(3)中的迭代计算，当系数x在经过w/2次迭代后，直接去掉w/2次迭代后系数x的计算；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朋，李力，黄建国，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51