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用高速DSP在頻域上實現(xiàn)LFM信號的實時脈沖壓縮論文
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(jìn)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(dāng)雷達(dá)重要周期為300Hz時，對TB積為320的LFM信號進(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 信號處理器 實時信號處理 匹配濾波
為提高脈沖雷達(dá)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(jī)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(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(dāng)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(jìn)行線性調(diào)頻；在接收端對線性調(diào)頻的回波信號再進(jìn)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(dá)、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。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。
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。
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(biāo)環(huán)境中，旁瓣會埋沒附近較小目標(biāo)的信號，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(jìn)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(jī)中處理時，需要將信號離散化。當(dāng)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(jìn)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(dāng)N
2、LFM信號實時脈沖壓縮的實現(xiàn)。
�。�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(dá)、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(yùn)行。最大處理能力可達(dá)2400MIPS。
C6201的存儲器尋址空間為32Bit。外部存儲器接口包括直接同步存儲器接口，可與同步動態(tài)存儲器（SDRAM）、同步突發(fā)靜態(tài)存儲器（SBSRAM）連接，主要用于大容量、高速存儲；還包括直接異步存儲器接口，可與靜態(tài)存儲器（SRAM）、只讀存儲器（EPROM）連接，主要用于小容量數(shù)據(jù)存儲和程序存儲；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效率可達(dá)70%——80%的匯編語言級C編譯器。對于高速實時應(yīng)用，采用C語言和C6000線性匯編語言混合編程的方法，能夠把C語言的優(yōu)點和匯編語言的高效率有機(jī)地結(jié)合在一起，代碼效率達(dá)到90%以上。
�。�2）硬件構(gòu)成。
雷達(dá)中頻信號經(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信號的實時脈沖壓縮處理，包括FFT變換、中頻信號正交化、移頻、脈壓、IFFT等工作。
SDRAM為高速動態(tài)存儲器，用于存放LFM信號脈沖壓縮處理過程中的中間數(shù)據(jù)。
處理后的數(shù)據(jù)及處理過程中的數(shù)據(jù)均可送至PC機(jī)作保存、顯示等相關(guān)處理。
�。�3）工作流程。
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的同相分量（I）和正產(chǎn)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混頻到基帶（零中頻），然后用與信號帶寬相應(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題是I、Q兩個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，即只用一個支路和一個A/D變換器。中頻直接采樣的數(shù)據(jù)通過適當(dāng)?shù)奶幚砭涂色@得零中頻上的正交信號數(shù)據(jù)。
FFT變換將中頻直接采樣的數(shù)據(jù)從時域變換到頻域。
正交化的過程是從中頻數(shù)據(jù)獲得兩路正交信號數(shù)據(jù)的過程，亦即從中頻信號頻譜獲取正交信號頻譜的過程。當(dāng)采樣頻率fs、載頻f0和信號帶寬B之間滿足f0=(2M-1) ·fs/4關(guān)系（一般M=1,fs>2B）時，中頻信號頻譜的正頻率部分跟相應(yīng)正交信號頻譜是完全吻合的。
為了獲得零中頻上的正交信號頻譜，必須將中頻上的正交信號頻譜沿頻軸移動一個載頻數(shù)量的大小，即移頻。
用于脈沖壓縮的匹配濾波器的時域值及基頻譜在整個工作過程中是不變的。零中頻正交信號的數(shù)據(jù)經(jīng)脈沖壓縮后，再做IFFT得到最終的脈沖壓縮時域數(shù)據(jù)。
（4）軟件計算及其優(yōu)化。
在整個工作流程中，F(xiàn)FT及IFFT運(yùn)算占用的比例很大，因此在LFM信號的實時脈沖壓縮過程中，F(xiàn)FT程序的優(yōu)化至關(guān)重要。
FFT運(yùn)算采用基2時域抽取算法。在FFT的循環(huán)過程中，需要計算旋轉(zhuǎn)算子。這是一個三角浮點運(yùn)算，用C6201運(yùn)算速度慢，很難達(dá)到實時處理的要求。所以在FFT運(yùn)算之前把旋轉(zhuǎn)算子計算好，放在數(shù)據(jù)存儲器中加以調(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)很大的計算量。這樣大大提高了FFT的運(yùn)算速度。
N點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16位。模擬信號經(jīng)A/D變換后長度為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為定點型芯片，用它來計算整數(shù)類型的代數(shù)和運(yùn)算，能夠發(fā)揮其最大的運(yùn)算優(yōu)勢。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，能夠節(jié)省乘法運(yùn)算的指令周期數(shù)。
�、谑褂米衷L問short類型。
在復(fù)數(shù)乘法中，讀、寫內(nèi)存比較頻繁。讀操作花費(fèi)指令周期較多（需5個指令周期）。如果以short類型（字長16位）讀、寫內(nèi)存，將要讀內(nèi)存6次，寫內(nèi)存4次。由于C6000指令集內(nèi)的讀寫操作的數(shù)據(jù)可以是32位。所以可以采用int類型（字長32位）讀、寫內(nèi)存，即每訪問一次內(nèi)存，操作數(shù)為兩個Short數(shù)據(jù)。這樣只需讀內(nèi)存3次，寫內(nèi)存2次，花費(fèi)時間可以減少一半。
�、凼褂脙�(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()，_mpyh1()，_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。
（5）長數(shù)據(jù)分段迭加。
當(dāng)一個雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)長度很大而相應(yīng)匹配濾波器的數(shù)據(jù)很短時，可采用長數(shù)據(jù)分段迭加來減小運(yùn)算量。即將信號長數(shù)據(jù)分散成若干個小段（每小段數(shù)據(jù)長度都與匹配濾波器數(shù)據(jù)長度相當(dāng)），對每小段數(shù)據(jù)分別作FFT處理后再相加。實驗結(jié)果表明：當(dāng)信號數(shù)據(jù)長度越大時，采用此種方法相對于通常補(bǔ)零FFT方法的優(yōu)越性越大，可以滿足LFM信號實時脈沖壓縮的要求。
通用DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，給實時雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來了極大的方便。本文闡述了LFM信號實時脈沖壓縮為雷達(dá)實時信號處理的一個實例，對于雷達(dá)聲或納等設(shè)備的實時信號處理具有一定的參考價值。
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