摘? 要: 時(shí)寬帶寬(TB)積較小的線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)的脈沖壓縮" title="脈沖壓縮">脈沖壓縮可用A100等器件構(gòu)成的橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn);對(duì)于TB積較大的LFM信號(hào),在時(shí)域上對(duì)其進(jìn)行脈沖壓縮所需的計(jì)算量和硬件量太大。本文介紹用TMS320C6201 DSP在頻域" title="頻域">頻域上實(shí)現(xiàn)大TB積LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮,內(nèi)容包括海明加權(quán)、循環(huán)卷積、長(zhǎng)數(shù)據(jù)分段迭加、軟件流程圖和硬件框圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)雷達(dá)重復(fù)周期為300Hz時(shí),對(duì)TB積為320的LFM信號(hào)進(jìn)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(hào)處理器? 實(shí)時(shí)信號(hào)處理? 匹配濾波?

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　　為提高脈沖雷達(dá)或脈沖聲納的作用距離,通常有兩個(gè)途徑,其一是增加發(fā)射機(jī)峰值功率;其二是加大發(fā)射脈沖的寬度來(lái)提高平均發(fā)射功率。發(fā)射機(jī)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(guò)大,波導(dǎo)等器件易打火)等限制;簡(jiǎn)單增加發(fā)射脈沖的寬度,相當(dāng)于降低發(fā)射信號(hào)的帶寬。為使相同時(shí)寬的脈沖增加帶寬,可對(duì)發(fā)射脈沖內(nèi)的載波進(jìn)行線性調(diào)頻;在接收端對(duì)線性調(diào)頻的回波信號(hào)再進(jìn)行脈沖壓縮處理。經(jīng)脈沖壓縮后信號(hào)所具有的大的帶寬能夠提高測(cè)距精度和距離分辨力。寬脈沖內(nèi)大的時(shí)寬能夠提高測(cè)速精度和速度分辨力。因此脈沖壓縮技術(shù)廣泛用于雷達(dá)、聲納等系統(tǒng),其中以線性調(diào)頻信號(hào)" title="調(diào)頻信號(hào)">調(diào)頻信號(hào)的應(yīng)用最為廣泛。?

1 線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮?

　　線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線性變化的信號(hào)。零中頻" title="零中頻">零中頻線性調(diào)頻信號(hào)u(t)可表示為:?

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式中,T為線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬,B為帶寬。?

　　對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮處理,就是讓該信號(hào)通過(guò)一個(gè)與其相匹配的濾波器實(shí)現(xiàn)的。與u(t)匹配的濾波器的沖激響應(yīng)為:?

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　　線性調(diào)頻信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波器" title="匹配濾波器">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作用。這將大大簡(jiǎn)化信號(hào)處理系統(tǒng)。?

??? 線性調(diào)頻信號(hào)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平的-13.2dB。在多目標(biāo)環(huán)境中,旁瓣會(huì)埋沒(méi)附近較小目標(biāo)的信號(hào),引起目標(biāo)丟失。為了提高分辨多目標(biāo)的能力,可以采用加權(quán)技術(shù)。設(shè)時(shí)域加權(quán)函數(shù)為w(t),則加權(quán)輸出為:?

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　　引入加權(quán)函數(shù)實(shí)質(zhì)上是對(duì)信號(hào)進(jìn)行失配處理,以抑制旁瓣,其副作用是輸出信號(hào)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(jià)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:?

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　　在計(jì)算機(jī)中處理時(shí),需要將信號(hào)離散化。當(dāng)信號(hào)時(shí)寬很大時(shí),在時(shí)域上計(jì)算卷積耗時(shí)較大。因此改為在頻域上實(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)的脈沖壓縮。?

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　　在頻域上LFM信號(hào)的脈沖壓縮用循環(huán)卷積替代線性卷積進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)u(n)的長(zhǎng)度為N₁,h(n)的長(zhǎng)度為N₂,G(n)的長(zhǎng)度為N。當(dāng)N1+N₂-1)時(shí),g(n)中就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)混疊,混疊發(fā)生在第0點(diǎn)到第L-N-1點(diǎn),即g(n)在0至L-N-1點(diǎn)為無(wú)效數(shù)據(jù)。?

2 LFM信號(hào)實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)?

2.1 TMS320C6201簡(jiǎn)介?

　　TMS320C6201(以下簡(jiǎn)稱為C6201)是美國(guó)TI公司1997年推出的定點(diǎn)DSP芯片。高速的數(shù)據(jù)處理能力和對(duì)外接口能力使其適用于雷達(dá)、聲納、通信、圖像等實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。?

　　C6201 DSP采用甚長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),單指令字長(zhǎng)為32Bit,8個(gè)指令組成一個(gè)指令包,總字長(zhǎng)為256Bit。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門(mén)的指令分配模塊,可以將每個(gè)256Bit的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。最大處理能力可達(dá)2400MIPS。?

　　C6201的存儲(chǔ)器尋址空間為32Bit。外部存儲(chǔ)器接口包括直接同步存儲(chǔ)器接口,可與同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)、同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器(SBSRAM)連接,主要用于大容量、高速存儲(chǔ);還包括直接異步存儲(chǔ)器接口,可與靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)、只讀存儲(chǔ)器(EPROM)連接,主要用于小容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ);還有直接外部控制器接口,可與FIFO寄存器連接。?

　　TI公司推出了世界上第一個(gè)效率可達(dá)70%～80%的匯編語(yǔ)言級(jí)C編譯器。對(duì)于高速實(shí)時(shí)應(yīng)用,采用C語(yǔ)言和C6000線性匯編語(yǔ)言混合編程的方法,能夠把C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語(yǔ)言的高效率有機(jī)地結(jié)合在一起,代碼效率達(dá)到90%以上。?

2.2 硬件構(gòu)成?

　　以TMS320C6201為核心器件的LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮的硬件構(gòu)成如圖1所示。?

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　　雷達(dá)中頻信號(hào)經(jīng)抗混迭濾波后,將其頻帶限制在一定的范圍內(nèi)。再經(jīng)A/D變換后便得到中頻直接采樣的數(shù)據(jù)。雙口RAM用于存放中頻直接采樣的原始數(shù)據(jù)。?

　　TMS320C6201用于完成LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理,包括FFT變換、中頻信號(hào)正交化、移頻、脈壓、IFFT等工作。?

　　SDRAM為高速動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器,用于存放LFM信號(hào)脈沖壓縮處理過(guò)程中的中間數(shù)據(jù)。?

　　處理后的數(shù)據(jù)及處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)均可送至PC機(jī)作保存、顯示等相關(guān)處理。?

2.3 工作流程?

　　LFM信號(hào)的脈沖壓縮的工作流程如圖2所示。?

　　在相參雷達(dá)、聲納和某些通信系統(tǒng)中,通常需要提取帶限信號(hào)的同相分量(I)和正交分量(Q)。傳統(tǒng)的方法是在同相支路和正交支路中把帶限信號(hào)混頻到基帶(零中頻),然后用與信號(hào)帶寬相應(yīng)的頻率進(jìn)行采樣,以獲得基帶上的同相分量和正交分量。這種傳統(tǒng)的正交采樣方法存在的最大問(wèn)題是I、Q兩個(gè)支路總存在一定的增益不平衡和相位誤差。?

　　為了克服I、Q支路的幅相不平衡,本文采用中頻直接采樣的方法,即只用一個(gè)支路和一個(gè)A/D變換器。中頻直接采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砭涂色@得零中頻上的正交信號(hào)數(shù)據(jù)。?

　　FFT變換將中頻直接采樣的數(shù)據(jù)從時(shí)域變換到頻域。?

　　正交化的過(guò)程是從中頻數(shù)據(jù)獲得兩路正交信號(hào)數(shù)據(jù)的過(guò)程,亦即從中頻信號(hào)頻譜獲取正交信號(hào)頻譜的過(guò)程。當(dāng)采樣頻率fs、載頻f0和信號(hào)帶寬B之間滿足f₀=(2M-1)·f_s/4關(guān)系(一般M=1,f_s>2B)時(shí),中頻信號(hào)頻譜的正頻率部分跟相應(yīng)正交信號(hào)頻譜是完全吻合的。?

　　為了獲得零中頻上的正交信號(hào)頻譜,必須將中頻上的正交信號(hào)頻譜沿頻軸移動(dòng)一個(gè)載頻數(shù)量的大小,即移頻。?

　　用于脈沖壓縮的匹配濾波器的時(shí)域值及其頻譜在整個(gè)工作過(guò)程中是不變的。零中頻正交信號(hào)的數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖壓縮后,再做IFFT得到最終的脈沖壓縮時(shí)域數(shù)據(jù)。?

2.4 軟件計(jì)算及其優(yōu)化?

　　在整個(gè)工作流程中,FFT及IFFT運(yùn)算占用的比例很大,因此在LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮過(guò)程中,FFT程序的優(yōu)化至關(guān)重要。?

　　FFT運(yùn)算采用基2時(shí)域抽取算法。在FFT的循環(huán)過(guò)程中,這是一個(gè)三角浮點(diǎn)運(yùn)算,用C6201運(yùn)算速度慢,很難達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。所以在FFT運(yùn)算之前把旋轉(zhuǎn)算子計(jì)算好,放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中加以調(diào)用。而且旋轉(zhuǎn)算子的調(diào)用很有規(guī)律,尋址比較方便,所以不需花費(fèi)很大的計(jì)算量。這樣大大提高了FFT的運(yùn)算速度。?

　　N點(diǎn)FFT運(yùn)算需要1/2(N·log₂N)復(fù)數(shù)乘法。乘法花費(fèi)指令周期較多,因此復(fù)數(shù)乘法的優(yōu)化比較重要。在FFT程序中,主要采用了以下優(yōu)化措施:?

　　(1)采用short數(shù)據(jù)類型?

　　FFT中的數(shù)據(jù)類型為short,字長(zhǎng)16位。模擬信號(hào)經(jīng)A/D變換后長(zhǎng)度為12位,與16位比較接近,這樣能夠很好的節(jié)省內(nèi)存資源。由于TMS320C6201為定點(diǎn)型芯片,用它來(lái)計(jì)算整數(shù)類型的代數(shù)運(yùn)算,能夠發(fā)揮其最大的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)。而且,C6000系列的指令集內(nèi)只有16位乘法指令,這樣采用16位字長(zhǎng),能夠節(jié)省乘法運(yùn)算的指令周期數(shù)。?

　　(2)使用字訪問(wèn)short類型?

　　在復(fù)數(shù)乘法中,讀、寫(xiě)內(nèi)存比較頻繁。讀操作花費(fèi)指令周期較多(需5個(gè)指令周期)。如果以short類型(字長(zhǎng)16位)讀、寫(xiě)內(nèi)存,將要讀內(nèi)存6次, 寫(xiě)內(nèi)存4次。由于C6000指令集內(nèi)的讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)可以是32位。所以可以采用int類型(字長(zhǎng)32位)讀、寫(xiě)內(nèi)存,即每訪問(wèn)一次內(nèi)存,操作數(shù)為兩個(gè)Short數(shù)據(jù)。這樣只需讀內(nèi)存3次,寫(xiě)內(nèi)存2次.花費(fèi)時(shí)間可以減少一半。?

　　(3)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)?

　　C6000編譯器提供了大量的內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如16位乘法算:_mpy(),_mpyh(), _mpyhl(), _mpylh()等。內(nèi)聯(lián)函數(shù)可快速優(yōu)化C代碼,在程序中應(yīng)盡量使用。?

2.5 長(zhǎng)數(shù)據(jù)分段迭加?

　　當(dāng)一個(gè)雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度很大而相應(yīng)匹配濾波器的數(shù)據(jù)很短時(shí),可采用長(zhǎng)數(shù)據(jù)分段迭加來(lái)減小運(yùn)算量。即將信號(hào)長(zhǎng)數(shù)據(jù)分解成若干個(gè)小段(每小段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都與匹配濾波器數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相當(dāng)),對(duì)每小段數(shù)據(jù)分別作FFT處理后再相加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越大時(shí),采用此種方法相對(duì)于通常補(bǔ)零FFT方法的優(yōu)越性越大,可以滿足LFM信號(hào)實(shí)時(shí)脈沖壓縮的要求。?

　　通用DSP技術(shù)的不斷發(fā)展,給實(shí)時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了極大的方便。本文闡述的LFM信號(hào)實(shí)時(shí)脈沖壓縮為雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的一個(gè)實(shí)例,對(duì)于雷達(dá)或聲納等設(shè)備的實(shí)時(shí)信號(hào)處理具有一定的參考價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

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