基于FPGA的雷達脈沖壓縮系統(tǒng)設計

1、基于fpga的雷達脈沖壓縮系統(tǒng)設計脈沖壓縮技術是指對雷達放射的寬脈沖信號舉行調(diào)制(如線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼)，并在接收端對回波寬脈沖信號舉行脈沖壓縮處理后得到窄脈沖的實現(xiàn)過程。脈沖壓縮有效地解決了雷達作用距離與距離辨別率之間的沖突，可以在保證雷達在一定作用距離下提高距離辨別率。線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮脈沖壓縮的過程是通過對接收信號s(t)與匹配的脈沖響應h(t)求卷積的辦法實現(xiàn)的。而處理數(shù)字信號時，脈壓過程是通過對回波序列s(n)與匹配濾波器的脈沖響應序列h(n)求卷積來實現(xiàn)的。匹配濾波器的輸出為：（1）依據(jù)式（1）的實現(xiàn)辦法叫做時域相關法。按照傅里葉變換理論，時域卷積等效于頻域相乘，因

2、此，式（1）可以采納迅速傅里葉變換（fft）及反變換(ifft)在頻域內(nèi)實現(xiàn)，稱為頻域迅速卷積法。用頻域辦法實現(xiàn)數(shù)字脈壓，其基本原理是先對外部采樣信號舉行迅速傅里葉變換(fft)以求得回波信號頻譜s(w)，再將s(w)與匹配濾波器頻譜h(w)舉行乘積運算，最后對乘積結(jié)果舉行迅速傅里葉逆變換(ifft)得到脈壓結(jié)果y(n)，用公式表示為（2）頻域迅速卷積法的原理1所示，存儲器中存儲的是匹配濾波器傳遞函數(shù)h(k)。圖1 頻域脈沖壓縮原理框圖依據(jù)匹配濾波理論，數(shù)字匹配濾波器的脈沖響應h(n)及傳遞函數(shù)h(k)為h(n)s1(-n)，h(k)=s1(k) （3）其中， s(n)為雷達放射信號序列；s(

3、k)為信號序列頻譜。數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)1 系統(tǒng)構成和硬件設計本系統(tǒng)是單脈沖雷達信號處理機的一部分，因為單脈沖雷達所需要處理的距離、方位/俯仰兩路信號來自同一放射信號源的目標反射回波，要求對兩路信號舉行同時、同頻采樣和徹低相同算法的脈沖壓縮處理。針對這一特點，雷達數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)將相同的脈沖壓縮處理功能移至兩片芯片內(nèi)。因為對雷達體積、分量、功耗等指標有特別要求，本系統(tǒng)采納二個通道的脈沖壓縮處理硬件結(jié)構，即方位和俯仰兩路信號分時共用一個脈沖壓縮通道。雷達信號處理分系統(tǒng)硬件結(jié)構2所示。圖2 雷達信號處理分機硬件結(jié)構圖系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采樣后分為和路和差路（包括航向差和俯仰差）兩組數(shù)據(jù)，分離輸入兩片fpga單

4、獨舉行脈沖壓縮計算，脈沖壓縮后再送入后端的做譜分析，以確定目標的距離、速度、方位等狀況。由框圖中我們看到，fpga不僅要對數(shù)據(jù)做脈沖壓縮計算，還擔當了對輸入數(shù)據(jù)處理和讀寫狀態(tài)寄存器的任務。狀態(tài)寄存器存儲了脈沖壓縮計算的控制參數(shù)，由后端的dsp按照分析的結(jié)果對其做相應的控制。2 軟件設計按照位內(nèi)運算結(jié)構的特點，針對芯片內(nèi)嵌的塊ram資源豐盛的優(yōu)勢，脈沖壓縮系統(tǒng)采納兩片存儲器的乒乓操作，在fft的每一級運算中使一片雙口ram的兩個端口同時處于讀或?qū)憼顟B(tài)，達到每個時鐘周期輸出兩個操作數(shù)的需要。而且，數(shù)據(jù)經(jīng)蝶算單元運算結(jié)束后以相同的地址寫入另一片雙口ram，節(jié)約了寫地址生成的時光，為設計高速的fft系

5、統(tǒng)提供了可能。3所示，采納兩片中間級ram：rama和ramb，用它們來完成乒乓操作。地址產(chǎn)生模塊生成的讀地址同時與中間級的兩片ram相連，控制相應的ram讀取所需的操作數(shù)，操作數(shù)經(jīng)蝶算模塊運算后以同址方式寫入到另一片ram的兩個端口。ram的讀寫由地址產(chǎn)生模塊生成的寫使能信號控制，處于讀狀態(tài)的ram寫使能置零，而另一片的寫使能端置高，處于寫狀態(tài)。而且，ram被設置為寫狀態(tài)時輸出端口不輸出，以削減ram的讀取次數(shù)。這樣，輸入ram變?yōu)檩敵鰎am，輸出ram變?yōu)檩斎雛am，如此反復，直到fft最后一級。圖3 脈沖壓縮系統(tǒng)的結(jié)構框圖fft的每一級運算結(jié)束后，兩塊ram功能互換，寫使能變反，運算結(jié)束

6、。ram的每次輸出數(shù)據(jù)需經(jīng)過數(shù)據(jù)挑選模塊（datamux），該模塊由地址產(chǎn)生模塊輸出的當前級數(shù)信號stage控制。本系統(tǒng)采納三種fft模式：1024點、512點和256點，均采納同一旋轉(zhuǎn)因子rom。按照fft點數(shù)的不同，rom的讀地址expaddr做相應的調(diào)節(jié)，這樣的設計也在很大程度上節(jié)約了芯片內(nèi)的塊ram資源。3 系統(tǒng)性能針對本雷達信號處理機對實時性和高精度的要求，我們設計研制出具有自主學問產(chǎn)權的高性能脈沖壓縮處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)具有以下特點：a 處理系統(tǒng)內(nèi)部采納24位自定制浮點數(shù)據(jù)格式，能夠兼顧處理系統(tǒng)的資源占用和處理精度。數(shù)據(jù)輸入為定點數(shù)據(jù)格式，輸出為標準32位浮點數(shù)據(jù)格式。b 處理系統(tǒng)

7、工作時，需要依次完成fft運算、復數(shù)乘法運算和ifft運算。在舉行fft和ifft運算時，蝶形運算/乘法運算單元完成蝶形運算操作；在舉行復數(shù)乘法運算時，該單元完成乘法操作。這兩種操作在實際工程中分時實現(xiàn)，并且分享浮點數(shù)規(guī)格化處理硬件。c 處理系統(tǒng)中舉行fft/ifft運算的長度n（n2048、1024或512）由雷達信號處理機的控制信號打算。d 內(nèi)置三組數(shù)據(jù)存儲器（輸入數(shù)據(jù)ram、同址運算ram、輸出數(shù)據(jù)ram），保證處理系統(tǒng)能全速運行，提高該處理系統(tǒng)的處理能力。e 旋轉(zhuǎn)因子（n=1024時的fft運算旋轉(zhuǎn)因子）以上電初值的形式存儲在fpga片內(nèi)存儲器中。當n=512、256時，其旋轉(zhuǎn)因子從n=1024的旋轉(zhuǎn)因子中抽取得到。n點ifft的旋轉(zhuǎn)因子由n點fft的旋轉(zhuǎn)因子取共扼得到。試驗結(jié)果本雷達信號處理機存在三組時光帶寬指標，分離對其舉行理論和實際輸出結(jié)果對比，其結(jié)果4、圖5和圖6所示。圖4 1024點脈沖壓縮狀態(tài)fpga計算結(jié)果與matlab計算結(jié)果對照圖圖5 512點脈沖壓縮狀態(tài)fpga計算結(jié)果與matlab計算結(jié)果對照圖圖6 256點脈沖壓縮狀態(tài)fpga計算結(jié)果與matlab計算結(jié)果對照圖圖4至圖6分離對應時寬為60s、20s、6s，帶寬均為5m的線性調(diào)頻信號。其中，左圖對應matlab的計算結(jié)果，右圖為fpga芯片的輸出結(jié)果。