基于TMS320C64x實(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)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(xiàn)性調(diào)頻）信號(hào)脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)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(guò)程是接收信號(hào)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(hào)與發(fā)射信號(hào)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(chǔ)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(hào)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(hào)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(chǔ)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(lái)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(hào)的數(shù)字脈沖壓縮

    時(shí)域脈沖壓縮的過(guò)程是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)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(hào)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(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，即使回波信號(hào)有較大的多普勒頻移，原來(lái)的匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的使用，這將大大簡(jiǎn)化信號(hào)處理系統(tǒng)，LFM信號(hào)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(hào)的形成

    LFM信號(hào)是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化的信號(hào)，LFM矩形脈沖信號(hào)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(lái)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，計(jì)算時(shí)方便調(diào)用。

    產(chǎn)生LFM信號(hào)的方法如圖2所示。

2 LFM信號(hào)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(wàn)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(zhǎng)指令字的CPU。這種結(jié)構(gòu)使得TMS320C64x超過(guò)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(hù)開(kāi)發(fā)出有效的類(lèi)似于精簡(jiǎn)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(zhǎng)度保持一致性，同時(shí)減小了代碼長(zhǎng)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(kāi)銷(xiāo)，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(kāi)發(fā)有不可比擬的優(yōu)越性。

    e）片內(nèi)64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64KB可配置為高速緩存模式的程序存儲(chǔ)器。統(tǒng)一編址的片外2GB地址空間提供對(duì)所有存儲(chǔ)器類(lèi)型、數(shù)據(jù)寬度的有效支持，具有無(wú)粘著的存儲(chǔ)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(guò)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(duì)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(xiàn)，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(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(hào)變號(hào)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(hào)，圖5所示為該信號(hào)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(hào)第1副瓣電平比主瓣低約13.2dB，壓縮信號(hào)脈寬約為t=1μs，與理論值相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

    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(hào)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(wú)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。