線性調(diào)頻信號(hào)基于FPGA IP核的脈沖壓縮設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的數(shù)字脈沖壓縮，設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA硬件平臺(tái)，并著重提出一種基于FPGA IP核的脈沖壓縮設(shè)計(jì)方法。針對(duì)脈沖壓縮進(jìn)行了理論分析和Matlab仿真，設(shè)計(jì)完成后對(duì)系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行了全面測試，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)脈沖壓縮結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)的脈沖壓縮功能，主副瓣比、主瓣寬度等指標(biāo)與理論仿真結(jié)果一致。該方法的參數(shù)設(shè)置靈活，可以簡化軟件設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期。
關(guān)鍵詞：FPGA；IP核；脈沖壓縮；Matlab

0 引言
    根據(jù)雷達(dá)分辨理論，為了使雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)，同時(shí)又具有高的測距精度和好的距離、速度分辨力，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)必須是大帶寬長脈沖形式。脈沖壓縮過程就是對(duì)大時(shí)寬帶寬積信號(hào)在接收時(shí)進(jìn)行匹配濾波，重新調(diào)整信號(hào)中各頻率分量的相對(duì)相位以得到窄脈沖信號(hào)，從而提高雷達(dá)的距離分辨力和測距精度。由于線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生較為方便，而且它對(duì)多普勒頻率不敏感，因此實(shí)際工程中常采用線性調(diào)頻信號(hào)作為脈壓信號(hào)。
    近年來，隨著現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在雷達(dá)信號(hào)處理中的廣泛應(yīng)用以及FPGA芯片技術(shù)的發(fā)展，為大家提供了一種較好解決數(shù)字脈壓的途徑。其中，利用IP核設(shè)計(jì)FPGA數(shù)字系統(tǒng)成為一種趨勢(shì)，這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)核可以大大簡化FPGA的設(shè)計(jì)，加快設(shè)計(jì)速度，縮短研發(fā)周期，而且經(jīng)過不斷的優(yōu)化，IP核具有了更好的精度和更快的運(yùn)算速度，實(shí)際的工程應(yīng)用效果很好。
    本文以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮進(jìn)行了研究，仿真，并提出了一種采用IP核設(shè)計(jì)脈沖壓縮的方法。

1 線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮
1．1 脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)原理
    脈沖壓縮可以采用“共軛濾波器對(duì)”的匹配濾波法和相關(guān)處理法。匹配濾波法對(duì)應(yīng)于頻域相乘，相關(guān)處理法對(duì)應(yīng)于時(shí)域卷積。依據(jù)傅里葉變換理論：時(shí)域卷積等效于頻域乘積。因此這兩種方法是等效的，只是一種方法在頻域?qū)崿F(xiàn)，而另一種方法在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。考慮到運(yùn)算量，工程上一般采用頻域法，可以利用快速FFT算法提高計(jì)算速度，然后將雷達(dá)回波與匹配濾波系數(shù)的頻域響應(yīng)相乘，再經(jīng)過IFFT處理得到脈沖壓縮結(jié)果。匹配濾波系數(shù)只與發(fā)射信號(hào)有關(guān)，預(yù)先可知，一般預(yù)先算好。
1．2 線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮
    一般在時(shí)寬帶寬積BT>30時(shí)，可以近似認(rèn)為線性調(diào)頻信號(hào)具有矩形振幅頻譜，因此其匹配濾波器也應(yīng)該具有矩形帶通振幅特性。線性調(diào)頻信號(hào)的匹配濾波器的近似頻率特性可描述為：

    可以看出，線性調(diào)頻的脈沖壓縮結(jié)果具有sine函數(shù)形狀。主瓣寬度為1／B，第一旁瓣電平約為-13．2 dB。如果是多目標(biāo)環(huán)境，較大的旁瓣會(huì)埋沒附近的小目標(biāo)信號(hào)，為了抑制旁瓣，可以采用加權(quán)技術(shù)。其實(shí)質(zhì)就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行失配處理以抑制旁瓣，其副作用是使輸出信號(hào)的主瓣降低并展寬。
1．3 理論仿真
    設(shè)匹配濾波器的輸入信號(hào)是線性調(diào)頻I／Q基帶信號(hào)，帶寬為40 MHz，采樣頻率為100 MHz，脈沖寬度為6μs，信號(hào)幅度為1，通過Matlab對(duì)其進(jìn)行脈沖壓縮仿真。圖1中是輸入的I／Q基帶信號(hào)波形以及脈壓后的結(jié)果。從圖中可以看到脈壓后產(chǎn)生的窄脈沖，波形具有sine函數(shù)性質(zhì)，除主瓣外，時(shí)間軸上還有延伸的一串副瓣；還可看出，經(jīng)過海明加權(quán)后，第一副瓣比主瓣下降約40 dB，但主瓣寬度也有相應(yīng)的展寬。如圖2所示。

2 脈沖壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的主要功能是對(duì)線性調(diào)頻I／Q基帶信號(hào)進(jìn)行高速采集，然后在FPGA中實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮，之后通過D／A變換器輸出脈壓結(jié)果，監(jiān)測脈壓后的波形。
2．1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)
    該系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括：差分驅(qū)動(dòng)電路，A／D采集電路、FPGA電路、晶振等電路、電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

     FPGA采用的是Xilinx公司的芯片XQ2V1000，其配置芯片為Xilinx公司的PROM芯片XQ18V04，以主動(dòng)串行方式對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置。差分驅(qū)動(dòng)電路選用ADI公司的AD8138，A／D、D／A電路分別為ADI公司的14位高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS5500和14位高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC5675A。硬件電路的設(shè)計(jì)注重細(xì)節(jié)：I／Q兩通道傳輸線設(shè)計(jì)時(shí)保證線長相等，使得I／Q時(shí)延帶來的相位誤差一致；采用DCI(DigitaUy Controlled Impe-dance)端接技術(shù)，在FPGA的每個(gè)bank上外接兩個(gè)參考電阻來對(duì)該bank的每個(gè)I／O管腳實(shí)現(xiàn)端接，減少外接電阻的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；做好電源濾波，對(duì)元器件進(jìn)行合理布局，布線，對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行有效隔離，減小信號(hào)間串?dāng)_。

2．2 軟件設(shè)計(jì)流程
    整個(gè)脈沖壓縮處理在時(shí)間上是順序的，是典型的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，即先進(jìn)行FFT，復(fù)乘然后是IFFT及FIFO輸出，脈沖壓縮的總時(shí)序關(guān)系見圖4。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)的脈沖壓縮，算法上采用基于IP核的設(shè)計(jì)方法。主要用到了FFT核，乘法器核以及單口Block Memory核，這些IP核的應(yīng)用及脈沖壓縮的具體實(shí)現(xiàn)如下所述。

2．2．1 FFT運(yùn)算
    對(duì)于長度為N的時(shí)域序列X(n)的離散傅里葉變換為X(k)：
   
     FFT算法主要是利用旋轉(zhuǎn)因子exp(-j2πnk／N)的周期性和對(duì)稱性的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的算法，可以有效地減小運(yùn)算量。Xilinx公司的FFT核利用Cooley-Tukey算法實(shí)現(xiàn)FFT／IFFT運(yùn)算，最高支持216點(diǎn)長度的運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)流水線型、基4、基2三種結(jié)構(gòu)，蝶形運(yùn)算后可選擇對(duì)數(shù)據(jù)順序輸出還是倒序輸出，對(duì)IP核進(jìn)行不同的配置，可以實(shí)現(xiàn)資源和運(yùn)算速度的最優(yōu)化。在此選用基4蝶形運(yùn)算，對(duì)于1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要5級(jí)蝶形運(yùn)算。
    Xilinx公司的FFT核的參數(shù)通過GUI界面(見圖5)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置的參數(shù)包括FFT點(diǎn)數(shù)，運(yùn)算實(shí)施方法，輸入數(shù)據(jù)位數(shù)等，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊Generate可即時(shí)生成代碼。

    硬件描述語言采用VHDL，使用時(shí)程序中要對(duì)器件初始化并進(jìn)行定義，F(xiàn)FT核的器件定義語句見圖6。

2．2．2 匹配濾波系數(shù)產(chǎn)生
    根據(jù)匹配濾波理論，對(duì)于一個(gè)確定的輸入信號(hào)，匹配濾波系數(shù)就是這個(gè)輸入信號(hào)的頻譜的復(fù)共軛，系數(shù)可以通過Matlab預(yù)先計(jì)算出來并以二進(jìn)制的文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。此處計(jì)算時(shí)可以進(jìn)行加權(quán)處理，在系數(shù)中乘以窗函數(shù)即可。
    通過Xilinx公司的單口Block Memory核，可以把Matlab產(chǎn)生的存儲(chǔ)文件加載進(jìn)去。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)使能控制信號(hào)，把匹配濾波系數(shù)數(shù)據(jù)(1 024點(diǎn))依次讀取出來，送入乘法器進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算。BlockMemory核的參數(shù)設(shè)置通過GUI界面進(jìn)行，可即使生成代碼。
2．2．3 乘法運(yùn)算
    乘法運(yùn)算部分完成FFT后數(shù)據(jù)與匹配濾波系數(shù)數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。根據(jù)復(fù)數(shù)的乘法規(guī)則。
    (A+aj)(B+bj)=(AB-ab)+(Ab+aB)j
    兩個(gè)復(fù)數(shù)的乘法運(yùn)算實(shí)際上包括了4個(gè)實(shí)數(shù)的乘法運(yùn)算，因此，此部分的設(shè)計(jì)用到了4個(gè)乘法器核。Xilinx公司的乘法器核支持補(bǔ)碼運(yùn)算，可輸入A，B兩路數(shù)據(jù)，每路的輸入數(shù)據(jù)長度可達(dá)64 b。乘法器核的參數(shù)設(shè)置也是通過GUI界面進(jìn)行，可即使生成代碼。
2．2．4 IFFT運(yùn)算
    IFFT運(yùn)算的處理單元和FFT的處理單元采用相同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是，在做IFFT運(yùn)算前，先交換輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部，然后送入FFT處理單元按照FFT結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果后，再對(duì)其實(shí)部和虛部進(jìn)行交換，然后除以運(yùn)算點(diǎn)數(shù)1 024，就可以得到IFFT后脈沖壓縮的運(yùn)算結(jié)果。
2．3 工程軟件仿真
    利用ModelSim仿真軟件首先對(duì)程序代碼進(jìn)行時(shí)序功能仿真，完成邏輯的綜合與實(shí)現(xiàn)之后再進(jìn)行布局布線后仿真，此時(shí)的仿真已基本接近真實(shí)情況。綜合后的仿真情況如圖7所示，仿真結(jié)果表明軟件運(yùn)行正常，可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮。

2．4 測試數(shù)據(jù)分析
    完成程序編制及仿真之后，把軟件加載至FPGA中進(jìn)行全面測試。通過Chipscope軟件可以采集到A／D之后的I／Q線性調(diào)頻基帶信號(hào)數(shù)據(jù)以及經(jīng)過FPGA處理后的脈壓數(shù)據(jù)，把A／D后采集到的數(shù)據(jù)放在Matlab中進(jìn)行理想的脈沖壓縮，與實(shí)際FPGA的脈壓結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從圖8中可以看出，兩種處理的結(jié)果是一致的，主副瓣比大約都在35 dB左右，主瓣寬度也基本相同。如圖8所示。

    脈沖壓縮系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試完畢之后，通過板上的D／A輸出可以直接監(jiān)測脈沖壓縮后的I／Q信號(hào)波形，如圖9所示。

3 結(jié)語
    本文主要介紹了一種利用FPGA IP核設(shè)計(jì)線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮的方法，通過各種仿真與實(shí)際測試表明脈沖壓縮結(jié)果正確。這種基于IP核的模塊化設(shè)計(jì)方法非常靈活，參數(shù)的設(shè)置和修改方便，大大縮減了設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。需要注意的是，雖然IP核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能已經(jīng)固定，但設(shè)計(jì)時(shí)也要結(jié)合算法原理和IP核的自身特點(diǎn)綜合考慮，對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，以便獲得硬件資源和運(yùn)算速度的最優(yōu)化。