用高速DSP在頻域上實現(xiàn)LFM信號的實時脈沖壓縮

來源：電子技術(shù)應(yīng)用; 作者：南京大學電子工程系 張愛國 張興敢摘要：時寬帶寬（TB）積較小的線性調(diào)頻（LFM）信號的脈沖壓縮可用A100等器件構(gòu)成的橫向濾波器實現(xiàn)；對于TB積較大的LFM信號，在時域上對其進行脈沖壓縮所需的計算量和硬件量太大。本文介紹用TMS320C6201 DSP在頻域上實現(xiàn)大TB積LFM信號的實時脈沖壓縮，內(nèi)容包括海明加權(quán)、循環(huán)卷積、長數(shù)據(jù)分段迭加、軟件流程圖和硬件框圖。實驗結(jié)果表明，當雷達重要周期為300Hz時，對TB積為320的LFM信號進行脈沖壓縮后最大副瓣電平為-42.3分貝。
關(guān)鍵詞：LFM 脈沖壓縮 信號處理器 實時信號處理 匹配濾波為提高脈沖雷達或脈沖聲納的作用距離，通常有兩個途徑，其一是增加發(fā)射機峰值功率；其二是加大發(fā)射脈沖的寬度來提高平均發(fā)射功率。發(fā)射機的發(fā)射功率峰值受電源、功率放大器、功率傳輸通道（功率過大，波導(dǎo)等器件易打火）等限制；簡單增加發(fā)射脈沖的寬度，相當于降低發(fā)射信號的帶寬。為使相同時寬的脈沖增加帶寬，可對發(fā)射脈沖內(nèi)的載波進行線性調(diào)頻；在接收端對線性調(diào)頻的回波信號再進行脈沖壓縮處理。經(jīng)脈沖壓縮后信號所具有的大的帶寬能夠提高測距精度和距離分辨力。寬脈沖內(nèi)大的時寬能夠提高測速精度和速度分辨力。因此脈沖壓縮技術(shù)廣泛用于雷達、聲納等系統(tǒng)，其中以線性調(diào)頻信號的應(yīng)用最為廣泛。

1 線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮線性調(diào)頻（LFM）信號是一種瞬時頻率隨時間呈線性變化的信號。零中頻線調(diào)頻信號u(t)可表示為：
u(t)=exp(jπBt2/T) -T/2<t<T/2;; （1）
式中，T為線性調(diào)頻信號的時寬，B為帶寬。
對線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮處理，就是讓信號通過一個與其相匹配的濾波器實現(xiàn)的。與u(t)匹配的濾波器的沖激響應(yīng)為：
h(t)=exp(-jπBt2/T) -T/2<t<T/2;;; （2）
u(t)經(jīng)匹配濾波器壓縮后的輸出g(t)為：
g(t)=u(t) *h(t) T<t<T;;; (3)
線性調(diào)頻信號的突出優(yōu)點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)。
經(jīng)性調(diào)頻信號經(jīng)匹配濾波器后的輸出脈沖g(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。在多目標環(huán)境中，旁瓣會埋沒附近較小目標的信號，引起目標丟失。為了提高分辨多目標的能力，可以采用加權(quán)技術(shù)。設(shè)時域加權(quán)函數(shù)為w(t)，則加權(quán)輸出為：
g(t)=u(t)*[h(t) ·w(t) ];;; (4)
引入加權(quán)函數(shù)實質(zhì)上是對信號進行失配處理。以抑制旁瓣，其副作用是輸出信號的包絡(luò)主瓣降低、變寬。即旁瓣抑制是以信噪比損失及距離分辨力變壞作為代價的。加權(quán)函數(shù)可以選擇海明加權(quán)函數(shù)、余弦平方加權(quán)函數(shù)等。海明加權(quán)函數(shù)為：
w(t)=0.08+0.92·cos 2（πf/B） （5）
在計算機中處理時，需要將信號離散化。當信號時寬很大時，在時域上計算卷積耗時較大。因此改為在頻域上實現(xiàn)LFM信號的脈沖壓縮。
G(n)=U(n) ·H(n);;; (6)
式中U（n）=FFT[u(n)];;; (7)
H(n)=FFT[h(n) ·w(n)];;; (8)
則：g(n)=IFFT[G(n)];;; (9)
在頻域上LFM信號的脈沖壓縮用循環(huán)卷積替代線性卷積進行計算。假設(shè)u（n）的長度為N1，h(n)的長度為N2,G（n）的長度為N。當N<L（L為N1+N2-1）時，g（n）中就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)混疊，混疊發(fā)生在第0點到第L-N-1點，即g(n)在0至L-N-1點為無效數(shù)據(jù)。

2 LFM信號實時脈沖壓縮的實現(xiàn)2.1 TMS320C6201簡介
TMS320C6201（以下簡稱為C6201）是美國TI公司1997年推出的定點DSP芯片。高速的數(shù)據(jù)處理能力和對外接口能力使其使用于雷達、聲納、通信、圖像等實時處理系統(tǒng)。
C6201 DSP采用甚長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，單指令字長32Bit，8個指令組成一個指令包，總字長為256Bit。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個256Bit的指令包同時分配到8個處理單元并由8個單元同時運行。最