偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)接收單元數(shù)字化研究

摘 要：為了縮短某類偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的探測時間，增加目標(biāo)的自動識別功能，同時減少其接收單元的體積，用數(shù)字信號處理芯片代替了原來的模擬接收部分，并用一路卷積的算法代替了原來的多路相關(guān)。后期通過試驗(yàn)證明了此數(shù)字化接收系統(tǒng)的探測時間比原系統(tǒng)的接收時間縮短了50 ms，最高的目標(biāo)識別率達(dá)到了75％，能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：連續(xù)渡雷達(dá)；數(shù)字信號處理；自動識別；探測時間

0 引 言
    偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是利用偽隨機(jī)碼良好的自相關(guān)特性進(jìn)行測距，同時利用連續(xù)波雷達(dá)沒有盲速盲相的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行動目標(biāo)速度的測量。某一類偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻雷達(dá)用一個中頻信號去調(diào)制發(fā)射信號，對回波進(jìn)行適當(dāng)處理得到有距離靈敏度控制特性的目標(biāo)多普勒信號。在此類雷達(dá)中接收單元的數(shù)字處理部分是在得到目標(biāo)的多普勒信號以后，在高頻、中頻部分都是用模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，為了提高接收單元的穩(wěn)定性，減少接收單元的體積，縮短探測時間，同時實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動識別功能，需要開發(fā)出一種從視頻回波直接進(jìn)行數(shù)字化處理的接收單元來代替原接收單元，基于此目的，本文介紹一種數(shù)字化接收方案以及其硬件和軟件設(shè)計(jì)。

l 數(shù)字化接收的原理
1．1 傳統(tǒng)的信號處理過程
    在此類雷達(dá)傳統(tǒng)的信號處理過程中，視頻回波先經(jīng)過多路相關(guān)器的某個支路后得到對應(yīng)距離單元的回波，然后經(jīng)過正弦濾波后經(jīng)同步檢波得到具有距離靈敏度控制特性并且包含所需目標(biāo)信息的多普勒信號，最后用數(shù)字處理的方法來判斷此距離單元運(yùn)動目標(biāo)的速度等信息。當(dāng)要對另外一個距離單元進(jìn)行檢測時只需要改變輸入到相關(guān)器中偽碼的延遲就可以對這個距離單元進(jìn)行檢測，在實(shí)際處理的過程中多個相關(guān)支路中所加入的偽碼延遲時間是連續(xù)變化的，連續(xù)改變偽碼的延遲就可以完成對所有距離單元的檢測。在進(jìn)行數(shù)字化接收設(shè)計(jì)以前某個距離支路的信號處理過程如圖1所示，其他距離支路的處理過程與圖1中所描述的完全一樣。

1．2 數(shù)字化信號處理過程
    設(shè)計(jì)的數(shù)字化信號處理流程如圖2所示。

    信號處理過程如下：由DSP芯片產(chǎn)生的9 MHz時鐘對視頻回波進(jìn)行采樣，采集到的數(shù)字信號在DSP內(nèi)乘上調(diào)相偽碼和等效的參考信號采樣點(diǎn)后進(jìn)行卷積。用一次卷積代替多路相關(guān)，卷積輸出經(jīng)過抽樣后得到各個距離單元的回波信號，然后對每個距離單元的回波進(jìn)行MTI(動目標(biāo)顯示)檢測，對有動目標(biāo)的距離單元進(jìn)行目標(biāo)識別，然后進(jìn)行輸出提示。

2 硬件實(shí)施方案
2．1 主要芯片的選擇
2．1．1 DSP芯片的選擇
    本系統(tǒng)在采集到信號以后所有的算法都是在DSP芯片內(nèi)部完成的，因此運(yùn)算量大，要達(dá)到實(shí)時處理，對DSP芯片的運(yùn)算速度提出了較高的要求，且處理的數(shù)據(jù)量大，要求片內(nèi)有較大存儲空間。ADI公司的BLACKFIN系列中BF533的主頻可以運(yùn)行在600 MHz，內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)的SRAM有68 KB，片外可以擴(kuò)展到128 MB的SDRAM作為外部存儲器，此外BF533還有以下三個優(yōu)勢可以提高運(yùn)算速度：
    (1)BF533內(nèi)部有兩個零開銷的硬件循環(huán)機(jī)制，在一次程序執(zhí)行完成以后可以省去執(zhí)行條件是否成立的判斷過程，直接執(zhí)行若干次循環(huán)以后就執(zhí)行下邊的指令。
    (2)BF533內(nèi)部有兩個乘法累加器，兩個同時使用相當(dāng)于在進(jìn)行乘法運(yùn)算時使主頻達(dá)到了1 200 MHz，提高了指令執(zhí)行速度。
    (3)在BF533內(nèi)部的L1存儲區(qū)和內(nèi)核運(yùn)算單元之間的指令總線寬度是64 b，因此可以并發(fā)的同時執(zhí)行一條32 b的指令和兩條16 b的指令，提高了指令的執(zhí)行速度。
   綜合考慮以上因素確定用ADI公司生產(chǎn)的BLACKFIN系列的BF533作為整個系統(tǒng)的DSP芯片。[!--empirenews.page--]
2．1．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字化接收單元中需要對視頻放大器的輸出直接進(jìn)行采樣，在視頻放大器的輸出信號中含有偽碼成分，如果一個偽碼周期中一個碼元的寬度是0．33μs，則偽碼的帶寬在3 MHz左右，為了防止采到偽碼的上升沿和下降沿決定用9 MHz的采樣頻率對視頻回波進(jìn)行采樣，因?yàn)樵盘柼幚碇械腁／D變換器是對多普勒信號進(jìn)行采樣，因此如果用原來的A／D變換器顯然不能滿足對模擬信號采樣的采樣定理。AD6644的最高采樣頻率可以達(dá)到65 MHz，并且它是一個高速、高性能、單片的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣時鐘和模擬信號的差分輸入方式可以在很大程度上對噪聲進(jìn)行抑制。同時AD6644采用的三級子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即保證了所需的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，又降低了功耗，也減小了模片尺寸。因此采用AD6644作為整個數(shù)字化接收單元中的模數(shù)變換器。圖3給出了AD6644的系統(tǒng)框圖。

2．2 輸入及輸出部分設(shè)計(jì)
    視頻回波的輸入電路主要完成兩部分功能：單端輸入轉(zhuǎn)差分輸入以抑制噪聲，降低共模電壓的影響；單端輸入部分設(shè)計(jì)了一個帶寬是4 MHz的二階有源巴特沃思低通濾波器，保證信號的譜純度同時抑制高頻噪聲。用AD公司的AD8132把單端輸入轉(zhuǎn)換成差分輸入。實(shí)際應(yīng)用時需要給AD8132的反相輸入端加上與同相輸入端完全對稱的電路以保證電路工作的穩(wěn)定性，同時為了更好地去除高頻干擾，在差分的輸出端用無源低通濾波進(jìn)行了濾波，最后設(shè)計(jì)的模擬輸入電路圖如圖4所示。

    由于9 MHz的時鐘信號不能由晶振直接產(chǎn)生，因此時鐘信號由DSP芯片提供，時鐘轉(zhuǎn)差分輸入由Mcl00EPT20D完成；AD6644_的數(shù)字輸出信號，應(yīng)盡量減小容性負(fù)載，同時為了保證數(shù)據(jù)輸出端對總線的驅(qū)動能力，在輸出端加了一個PHILIPS公司的74LVT245作為緩沖。為了保證過零比較的精度，提高抗干擾能力選擇LM239D做為過零比較器。

3 軟件設(shè)計(jì)
    該數(shù)字化設(shè)計(jì)方案的所有數(shù)字處理過程都在DSP芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，所以軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低直接決定了整個系統(tǒng)的處理性能。
    軟件工作過程如下：加電以后系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，同時產(chǎn)生9 MHz的采樣信號，然后啟動DMA開始數(shù)據(jù)的傳遞。由于DMA在傳輸數(shù)據(jù)時不占用內(nèi)部運(yùn)算單元，因此在進(jìn)行DMA傳輸?shù)臅r候同時進(jìn)行上一幀數(shù)據(jù)的卷積運(yùn)算，計(jì)算完卷積后，對每個距離單元抽樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MTI，然后再進(jìn)行目標(biāo)識別的算法。由雷達(dá)的實(shí)際工作時序得到：在進(jìn)行卷積計(jì)算時會發(fā)生定時器的中斷，執(zhí)行完定時器的ISR后回到卷積處繼續(xù)執(zhí)行；在MTI以及目標(biāo)識別的算法運(yùn)行時會產(chǎn)生DMA的中斷，執(zhí)行完DMA的ISR后回到卷積處重新依次執(zhí)行，但是在執(zhí)行完卷積運(yùn)算后依然回到DMA中斷發(fā)生時的位置進(jìn)行運(yùn)算。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

4 結(jié) 語
    用此系統(tǒng)運(yùn)行整個算法，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到：開機(jī)運(yùn)行640 ms以后就可以得到各個距離單元運(yùn)動目標(biāo)的速度以及類別信息，比原系統(tǒng)的檢測速度提高30 9／6，同時增加了目標(biāo)類型分辨即目標(biāo)識別功能；讓系統(tǒng)重復(fù)地識別同一種目標(biāo)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：對單人這一類目標(biāo)的識別率達(dá)到了7O％，對單車的分辨率達(dá)到了75％，而對于多人的分辨率達(dá)到65％，多車的分辨率達(dá)到了60％。
    綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以肯定設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)和軟件算法在實(shí)際使用中是有效的，因此本系統(tǒng)具有一定的推廣和使用價值。