摘? 要: 時(shí)寬帶寬(TB)積較小的線性調(diào)頻(LFM)信號的脈沖壓縮" 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);對于TB積較大的LFM信號,在時(shí)域上對其進(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(shí)時(shí)信號處理? 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(shí)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(shí)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" title="調(diào)頻信號">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(shí)頻率隨時(shí)間呈線性變化的信號。零中頻" title="零中頻">零中頻線性調(diào)頻信號u(t)可表示為:?
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式中,T為線性調(diào)頻信號的時(shí)寬,B為帶寬,。?
對線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮處理,就是讓該信號通過一個(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作用。這將大大簡化信號處理系統(tǒng),。?
??? 線性調(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平的-13.2dB,。在多目標(biāo)環(huán)境中,旁瓣會(huì)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(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(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),需要將信號離散化,。當(dāng)信號時(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信號的脈沖壓縮,。?
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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(jì)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(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)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(diǎn)DSP芯片,。高速的數(shù)據(jù)處理能力和對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采用甚長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),單指令字長為32Bit,8個(gè)指令組成一個(gè)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(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%的匯編語言級C編譯器,。對于高速實(shí)時(shí)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(diǎn)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。?
2.2 硬件構(gòu)成?
以TMS320C6201為核心器件的LFM信號的實(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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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。?
2.3 工作流程?
LFM信號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(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(shí)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(shí),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(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(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信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮過程中,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(diǎn)型芯片,用它來計(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,。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)。?
(2)使用字訪問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(gè)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(gè)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(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)分解成若干個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)信號數(shù)據(jù)長度越大時(shí),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(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)信號處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來了極大的方便,。本文闡述的LFM信號實(shí)時(shí)脈沖壓縮為雷達(dá)實(shí)時(shí)信號處理的一個(gè)實(shí)例,對于雷達(dá)或聲納等設(shè)備的實(shí)時(shí)信號處理具有一定的參考價(jià)值,。?
參考文獻(xiàn)?
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