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利用FPGA實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的方法研究

2018-07-10 01:00:10姜文博
通信電源技術(shù) 2018年4期
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)位脈壓旁瓣

姜文博

(陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006)

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)特別是固態(tài)源雷達(dá),由于其發(fā)射機(jī)峰值功率較小,為了增大雷達(dá)的作用距離,必須增加發(fā)射信號的時(shí)寬,但會降低信號的帶寬和雷達(dá)的距離分辨率。為了解決雷達(dá)作用距離與雷達(dá)距離分辨率之間的這種矛盾,脈沖壓縮技術(shù)被提出,并得到了廣泛研究和應(yīng)用。雷達(dá)信號的脈沖壓縮技術(shù),是指雷達(dá)通過發(fā)射大時(shí)寬脈沖信號保證雷達(dá)的作用距離,并在大時(shí)寬脈沖中調(diào)制大帶寬信號,在接收時(shí)通過對大帶寬信號進(jìn)行匹配濾波得到小時(shí)寬脈沖來提高雷達(dá)距離分辨率。利用脈沖壓縮處理的信號波形有很多,如調(diào)相信號、非線性調(diào)頻信號和線性調(diào)頻信號等。在各種利用脈沖壓縮處理的信號波形中,線性調(diào)頻作為一種具備產(chǎn)生簡單、多普勒特性不敏感等優(yōu)點(diǎn)的信號被雷達(dá)大量使用。

1 脈沖壓縮原理

信號的脈沖壓縮處理是基于匹配濾波的原理實(shí)現(xiàn)的。設(shè)信號為:

n(t)為高斯白噪聲,均值為0,自相關(guān)函數(shù)為Rn(τ)=N0δ(τ)/2,功率譜密度為 N0/2。

對應(yīng)的匹配濾波器的時(shí)域表達(dá)式為:

匹配濾波器的作用是對輸入信號x(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在t=t0時(shí)刻,信號各頻譜分量同相疊加得出相關(guān)峰值。由于與輸入信號中的s(t)具備強(qiáng)相關(guān)特性,與高斯白噪聲n(t)之間沒有相關(guān)性,因此最大輸出功率只與信號能量有關(guān)。匹配濾波器的這種相關(guān)特性,可以在高斯白噪聲中檢測出確定信號,是以輸出信噪比最大為準(zhǔn)則的最優(yōu)接收機(jī)[1]?;谶@個(gè)特性,匹配濾波器在許多場合都是最佳的處理器,有著極其廣泛的應(yīng)用。本文討論的脈沖壓縮技術(shù),就是基于匹配濾波器進(jìn)行討論的。

脈沖壓縮時(shí)會產(chǎn)生旁瓣,而旁瓣隨著離主瓣的間隔x按1/x的規(guī)律衰減,旁瓣的零點(diǎn)間隔為1/B。在多個(gè)目標(biāo)情況下,這些旁瓣會淹沒在其他微弱目標(biāo)中,使得目標(biāo)無法分辨。因此,必須將其抑制,以提高小目標(biāo)的辨別能力。旁瓣抑制利用在信號傳輸通路上以加權(quán)實(shí)現(xiàn)。加權(quán)可以在頻域、幅域和相域上操作,加權(quán)的位置可以是射頻、中頻和視頻。由于是利用匹配濾波器處理線性調(diào)頻信號,所以在匹配濾波器上進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)系數(shù)選擇Hamming窗函數(shù),其最高旁瓣電平為-43 dB,歸一化主瓣寬度為1.30 dB,最大信噪比損失為3.1 dB。通過Matlab仿真可以得出脈壓結(jié)果,主副比大概為42 dB。

2 脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)

采用時(shí)域卷積的方法實(shí)現(xiàn)匹配濾波,從而得到脈沖壓縮結(jié)果。利用FPGA實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 脈沖壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在一個(gè)實(shí)際的例子中,輸入信號的中頻為150 MHz,信號帶寬為40 MHz。

在A/D采集時(shí),根據(jù)帶通采樣定理,選擇4/5的中頻頻率作為A/D的采樣頻率,即為120 MHz。如此,DDC時(shí),對于I路本振系數(shù)變?yōu)?、0、-1、0的循環(huán)序列,Q路本振系數(shù)變?yōu)?、-1、0、1的循環(huán)序列。這樣就不需要DDS和乘法器做混頻,減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

在DDC中,對于I、Q兩路的低通濾波器,選擇FIR濾波器。采用xilinx公司提供的FIR ip核,可以很方便實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。首先,應(yīng)用Matlab的fdatool工具,生成一個(gè)采樣率120 MHz、通帶20 MHz、阻帶21 MHz、阻帶衰減80 dB、通帶平坦度0.1 dB的FIR濾波器系數(shù);然后量化為16 bit,導(dǎo)出coe文件。利用VIVADO軟件左側(cè)IP Catalog按鈕打開IP Catalog界面,然后在Digital Signal Processing子項(xiàng)Filters中找到FIR Compiler,雙擊鼠標(biāo)左鍵打開。FIR核第一頁Filter Options設(shè)置,Component Name本欄填寫IP核的名字。Select Source本欄有兩個(gè)選項(xiàng),其中一個(gè)為Vector,選擇Vector要求Coefficient Vector中填寫濾波器各個(gè)系數(shù),另一個(gè)是COE File,選擇時(shí)要在Coefficient File中選擇濾波器系數(shù)文件。在此,選擇濾波器系數(shù)文件方法,文件是在MATLAB中生成的coe文件。Filter Type本項(xiàng)選擇Single Rate,其余項(xiàng)默認(rèn)。FIR核第二頁Channel Specification設(shè)置,Select Format本項(xiàng)選擇Frequency Specification;Input Sampling Frequency(MHz)本欄填寫信號輸入速率,本例中信號采樣率為120 MHz,所以此處填寫120;Clock Frequency(MHz)本欄填寫IP核運(yùn)行頻率,本例選擇240 MHz,為信號采樣率的2倍;其余項(xiàng)默認(rèn)。FIR核第三頁Implementation設(shè)置,Input Data Type本項(xiàng)選擇Signed有符號數(shù)輸入;Input Data Width本欄填寫輸入數(shù)據(jù)寬度,為16位;Input Data Fractional Bits本欄填寫輸入數(shù)據(jù)中的小數(shù)位個(gè)數(shù),為0;Output Rounding Mode本欄選擇Truncate LSBs,截掉輸出數(shù)據(jù)低位;Output Width本欄填寫輸出數(shù)據(jù)位寬,為24位[2]。濾波器系數(shù)為16位有符號數(shù)。輸入數(shù)據(jù)為不大于24的無符號數(shù)或者不大于25的有符號數(shù)時(shí),每一級乘法所用的乘法器為1個(gè),所以考慮到下一級脈沖壓縮時(shí)的輸入數(shù)據(jù)位寬,此處設(shè)定輸出數(shù)據(jù)位寬為24;其余項(xiàng)默認(rèn)。FIR核第四頁Detailed Implementation設(shè)置,Goal本項(xiàng)為綜合方式。為了保證性能,選擇Speed,運(yùn)行速度優(yōu)先。如果資源緊張,可以選擇Area,以節(jié)省硬件資源。FIR核第五頁Interface設(shè)置為默認(rèn)項(xiàng)。

脈壓匹配濾波器配置類似于DDC中的低通濾波器,其更改的地方為FIR核第一、二頁Coefficient File中選擇系數(shù)文件為仿真過程中生成的匹配濾波器系數(shù)文件;FIR核第二頁Channel Specification設(shè)置中Input Sampling Frequency中填寫60 MHz,原因是對信號做了2倍抽取,信號頻率由120 MHz降到60 MHz;FIR核第三頁Implementation設(shè)置中Output Width數(shù)據(jù)位寬填寫31,由于從IP核中輸出的數(shù)據(jù)要做加減法后變?yōu)?2位數(shù)據(jù)。

做完匹配濾波后,對輸出的I、Q通道求模;采用CORDIC核,核執(zhí)行的是CORDIC算法。在第一頁設(shè)置中,F(xiàn)unctional Selection選擇Translate;Input width選擇32,Output width選擇32。最后,輸出結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié) 論

從結(jié)果上看,脈壓結(jié)果脈壓峰值明顯,基本符合Matlab仿真結(jié)果。系統(tǒng)處理5 μs時(shí)寬、40 MHz帶寬的線性調(diào)頻信號時(shí),延時(shí)為6.6 μs,處理延時(shí)小,可以快速得出結(jié)果。受限于FPGA的運(yùn)行頻率,本文方法對帶寬200 MHz以下的信號處理,在程序結(jié)構(gòu)、處理延時(shí)以及處理速度上有優(yōu)勢,適用于開發(fā)周期短、可靠性要求高的領(lǐng)域,而對于大時(shí)寬帶寬信號還需要利用頻域處理方法進(jìn)行處理。

圖2 脈沖壓縮結(jié)果

[1] 陳伯孝.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[2] 胡曉軍,倪震明.基于FPGA的雷達(dá)脈沖壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)制導(dǎo)與引信[J].今日電子,2007,28(1):53-56.

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