|
1 引言 脈沖壓縮技術(shù)因解決了雷達作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現代雷達的一種重要體制，數字LFM（線(xiàn)性調頻）信號脈沖壓縮就是利用數字信號處理的方法來(lái)實(shí)現雷達信號的脈沖壓縮，脈沖壓縮器的設計就是匹配濾波器的設計，脈沖壓縮過(guò)程是接收信號與發(fā)射波形的復共扼之間的相關(guān)函數，在時(shí)域實(shí)現時(shí)，等效于求接收信號與發(fā)射信號復共軛的卷積。若考慮到抑制旁瓣加窗函數，不但要增加存儲器，而且運算量將增加1倍，在頻域實(shí)現時(shí)，是接收信號的FFT值與發(fā)射波形的FFT值的復共軛相乘，然后再變換到時(shí)域而獲得的。若求N點(diǎn)數字信號的脈沖壓縮，頻域算法運算量大大減少，而且抑制旁瓣加窗時(shí)不需增加存儲器及運算量，相比較而言，用頻域FFT實(shí)現脈沖壓縮的方法較優(yōu)，因此選用頻域方法來(lái)實(shí)現脈沖壓縮，但是仍需要做大量的運算。 2 脈沖壓縮系統工業(yè)原理 2.1 用FFT法實(shí)現LFM信號的數字脈沖壓縮 時(shí)域脈沖壓縮的過(guò)程是通過(guò)對接收信號s（t）與匹配濾波器脈沖響應求卷積的方法實(shí)現的，根據匹配濾波理論，h（t）=s*（t0-t），即匹配濾波器是輸入信號的共軛鏡像，并有相應的時(shí)移t0。則壓縮網(wǎng)絡(luò )的沖激響應為： h（n）=s*（N-n ） （1） 式中：n=0，1，…，N-1；N表明當發(fā)射波形是有限寬度時(shí)，沖激響應也是一個(gè)有限序列。 根據卷積定理，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)現數字式脈沖壓縮的數字模型為： y（n）=IFFT{FFT[s（n）FFT[s*（N-n）]} （3） 當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(lái)的匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的使用，這將大大簡(jiǎn)化信號處理系統，LFM信號經(jīng)匹配濾波器后的輸出脈沖y（t）具有sinc（t）函數型包絡(luò )，其最大副瓣電平為主瓣電壓的13.2dB。 頻域快速卷積法數字脈壓壓縮原理如圖1所示。 2.2 數字式LFM信號的形成 LFM信號是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化的信號，LFM矩形脈沖信號的復數表達式為： I（n）、Q（n）分別看作是匹配濾波器系數的實(shí)部和虛部，預先計算出來(lái)，存儲在存儲器中，計算時(shí)方便調用。 產(chǎn)生LFM信號的方法如圖2所示。 3 LFM信號實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現 3.1 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)鐘周期可以執行8條指令。TMS320C64x采用TI公司獨有的VelociTI結構，這是一種改進(jìn)哈佛結構、超長(cháng)指令字的CPU。這種結構使得TMS320C64x超過(guò)了傳統超標量設計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，在統一個(gè)指令周期內可最高同時(shí)執行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)指令集計算機（RISC）的代碼，以得到更高的性能。 b）指令打包，使得并行執行的8條代碼長(cháng)度保持一致性，同時(shí)減小了代碼長(cháng)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行的性能，從而減少了分支開(kāi)銷(xiāo)，提高了并行運算的性能，峰值1600MIPS的指令執行速度，峰值1 GFLOPS（10億次浮點(diǎn)運算每秒）。 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64KB數據存儲器，64KB可配置為高速緩存模式的程序存儲器。統一編址的片外2GB地址空間提供對所有存儲器類(lèi)型、數據寬度的有效支持，具有無(wú)粘著(zhù)的存儲器接口及各種DRAM刷新邏輯。 3.2 程序流程 脈沖壓縮實(shí)現的流程圖如圖3所示。 在運算過(guò)程中所有數據采用32點(diǎn)浮點(diǎn)型數據，最后脈沖壓縮的精度鋪可達10-5。其中IFFT可以完全不改變FFT程序而直接調用，IDFT如下： 先將X（k）取共軛，直接利用FFT程序，最后將運算結果取一次共軛，以乘以1/N。 3.3 算法優(yōu)化 TMS320C64x提供了可以同時(shí)操作的8個(gè)運算單元，可以同時(shí)完成4個(gè)輸入數據的2個(gè)和、差或者完成2個(gè)32bit乘法，這對于在本系統中FFT/IFFT運算的大量蝶型運算具有很大的意義，配合硬件流水線(xiàn)，TMS320C64x可以不間斷的流水完成批量數據的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。 IFFT運算中第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，以減少指令周期數，原理如下，設I1，Q1為接收回波數據FFT后的結果；I2，Q2為匹配濾波器求共軛后的結果，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果（I1+jQ2）改存為（I2-jQ2）即不取共軛；在實(shí)現點(diǎn)乘的指令中把實(shí)部、虛部中符號變號即可。 3.4 仿真結果 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。 4 結束語(yǔ) 由于TMS320C64x強大的并行處理能力、多處理器系統支持能力、特殊指令集、大量片上內存、極高的I/O帶寬等特性，在大數據量的實(shí)時(shí)信號處理中所體現出的優(yōu)良性能，使實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現技術(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。 |
