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[導(dǎo)讀]脈沖壓縮技術(shù)因解決了雷達(dá)作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現(xiàn)代雷達(dá)的一種重要體制,數(shù)字LFM(線性調(diào)頻)信號脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的脈沖壓縮。

0 引言

    脈沖壓縮技術(shù)因解決了雷達(dá)作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現(xiàn)代雷達(dá)的一種重要體制,數(shù)字LFM(線性調(diào)頻)信號脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的脈沖壓縮,脈沖壓縮器的設(shè)計(jì)就是匹配濾波器的設(shè)計(jì),脈沖壓縮過程是接收信號與發(fā)射波形的復(fù)共扼之間的相關(guān)函數(shù),在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)時(shí),等效于求接收信號與發(fā)射信號復(fù)共軛的卷積。若考慮到抑制旁瓣加窗函數(shù),不但要增加存儲器,而且運(yùn)算量將增加1倍,在頻域?qū)崿F(xiàn)時(shí),是接收信號的FFT值與發(fā)射波形的FFT值的復(fù)共軛相乘,然后再變換到時(shí)域而獲得的。若求N點(diǎn)數(shù)字信號的脈沖壓縮,頻域算法運(yùn)算量大大減少,而且抑制旁瓣加窗時(shí)不需增加存儲器及運(yùn)算量,相比較而言,用頻域FFT實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的方法較優(yōu),因此選用頻域方法來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮,但是仍需要做大量的運(yùn)算。

1 脈沖壓縮系統(tǒng)工業(yè)原理

1.1 用FFT法實(shí)現(xiàn)LFM信號的數(shù)字脈沖壓縮

    時(shí)域脈沖壓縮的過程是通過對接收信號s(t)與匹配濾波器脈沖響應(yīng)求卷積的方法實(shí)現(xiàn)的,根據(jù)匹配濾波理論,h(t)=s*(t0-t),即匹配濾波器是輸入信號的共軛鏡像,并有相應(yīng)的時(shí)移t0。則壓縮網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)為:

    h(n)=s*(N-n) (1)

    式中:n=0,1,…,N-1;N表明當(dāng)發(fā)射波形是有限寬度時(shí),沖激響應(yīng)也是一個(gè)有限序列。 根據(jù)卷積定理,并采用N點(diǎn)DFT,則可得壓縮網(wǎng)絡(luò)的輸出;

    y(n)=ID{D[s(n)D[s*(N-n)]} (2)

    如采用FFT算法,則可得用FFT法實(shí)現(xiàn)數(shù)字式脈沖壓縮的數(shù)字模型為:

    y(n)=IFFT{FFT[s(n)FFT[s*(N-n)]} (3)

    當(dāng)N=0時(shí),y(n)=IFFT(|FFTs(n)|2)

    LFM信號的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感,即使回波信號有較大的多普勒頻移,原來的匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的使用,這將大大簡化信號處理系統(tǒng),LFM信號經(jīng)匹配濾波器后的輸出脈沖y(t)具有sinc(t)函數(shù)型包絡(luò),其最大副瓣電平為主瓣電壓的13.2dB。

    頻域快速卷積法數(shù)字脈壓壓縮原理如圖1所示。

1.2 數(shù)字式LFM信號的形成

    LFM信號是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線性變化的信號,LFM矩形脈沖信號的復(fù)數(shù)表達(dá)式為:
 
 

    I(n)、Q(n)分別看作是匹配濾波器系數(shù)的實(shí)部和虛部,預(yù)先計(jì)算出來,存儲在存儲器中,計(jì)算時(shí)方便調(diào)用。

    產(chǎn)生LFM信號的方法如圖2所示。

2 LFM信號實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)

2.1 TMS320C64x處理器特點(diǎn)

    TMS320C64x是TI公司最新推出的高性能DSP,其時(shí)鐘頻率可達(dá)600MHz,最高處理能力為4800MIPS(百萬次指令每秒),軟件與C62X完全兼容,每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8條指令。TMS320C64x采用TI公司獨(dú)有的VelociTI結(jié)構(gòu),這是一種改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)、超長指令字的CPU。這種結(jié)構(gòu)使得TMS320C64x超過了傳統(tǒng)超標(biāo)量設(shè)計(jì)CPU的性能。

    TMS320C64x處理器的特點(diǎn):

    a)具有8個(gè)功能單元的先進(jìn)的超常指令字,包括2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)單元,在統(tǒng)一個(gè)指令周期內(nèi)可最高同時(shí)執(zhí)行8條指令,是通常CPU的10倍。允許用戶開發(fā)出有效的類似于精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)的代碼,以得到更高的性能。

    b)指令打包,使得并行執(zhí)行的8條代碼長度保持一致性,同時(shí)減小了代碼長度、取指令時(shí)間和功率消耗。

    c)所有的指令都具有條件可執(zhí)行的性能,從而減少了分支開銷,提高了并行運(yùn)算的性能,峰值1600MIPS的指令執(zhí)行速度,峰值1 GFLOPS(10億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒)。

    d)業(yè)界最有效的C代碼編譯器、優(yōu)化器使得軟件開發(fā)有不可比擬的優(yōu)越性。

    e)片內(nèi)64KB數(shù)據(jù)存儲器,64KB可配置為高速緩存模式的程序存儲器。統(tǒng)一編址的片外2GB地址空間提供對所有存儲器類型、數(shù)據(jù)寬度的有效支持,具有無粘著的存儲器接口及各種DRAM刷新邏輯。

2.2 程序流程

    脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖3所示。


    在運(yùn)算過程中所有數(shù)據(jù)采用32點(diǎn)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù),最后脈沖壓縮的精度鋪可達(dá)10-5。其中IFFT可以完全不改變FFT程序而直接調(diào)用,IDFT如下:
 

    先將X(k)取共軛,直接利用FFT程序,最后將運(yùn)算結(jié)果取一次共軛,以乘以1/N。

2.3 算法優(yōu)化

    TMS320C64x提供了可以同時(shí)操作的8個(gè)運(yùn)算單元,可以同時(shí)完成4個(gè)輸入數(shù)據(jù)的2個(gè)和、差或者完成2個(gè)32bit乘法,這對于在本系統(tǒng)中FFT/IFFT運(yùn)算的大量蝶型運(yùn)算具有很大的意義,配合硬件流水線,TMS320C64x可以不間斷的流水完成批量數(shù)據(jù)的FFT/IFFT,最好情況下單周期可以完全8次定點(diǎn)操作,大大降低了整個(gè)程序的時(shí)鐘周期數(shù)。

    IFFT運(yùn)算中第1次求共軛通過一次的算術(shù)變型在點(diǎn)乘的那一步就可以實(shí)現(xiàn),以減少指令周期數(shù),原理如下,設(shè)I1,Q1為接收回波數(shù)據(jù)FFT后的結(jié)果;I2,Q2為匹配濾波器求共軛后的結(jié)果,存儲在DRAM中,則有

    A=(I1+JQ1)·(I2+jQ2)=I1·I2-Q1·Q2+j[I1·Q2+Q1·I2]

    A*=I1·I2-Q1·Q2+j[-I1·Q2-Q1·I2]=I1·I2+Q1·(-Q2)+j[I1·(-Q2)-Q1·I2]

    可得若將存儲在DRAM中的匹配濾波器求共軛后的結(jié)果(I1+jQ2)改存為(I2-jQ2)即不取共軛;在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)乘的指令中把實(shí)部、虛部中符號變號即可。

2.4 仿真結(jié)果

    圖4所示為帶寬B=1MHz、發(fā)射脈寬t=60μs、采樣頻率fs=2MHz的LFM信號,圖5所示為該信號經(jīng)脈沖壓縮后的輸出結(jié)果。

    從圖5可以看出,脈壓輸出信號第1副瓣電平比主瓣低約13.2dB,壓縮信號脈寬約為t=1μs,與理論值相同。

3 結(jié)束語

    由于TMS320C64x強(qiáng)大的并行處理能力、多處理器系統(tǒng)支持能力、特殊指令集、大量片上內(nèi)存、極高的I/O帶寬等特性,在大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)信號處理中所體現(xiàn)出的優(yōu)良性能,使實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)技術(shù)無論在速度、性能還是在電路板體積方面都有了一個(gè)飛躍的進(jìn)步。

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