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用高速DSP在頻域上實(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮
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TMS320C6201DSP在頻域上實(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)重要周期為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
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(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)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)。零中頻線調(diào)頻信號(hào)u(t)可表示為：
u(t)=exp(jπBt2/T)-T/2<t<T/2（1）
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，就是讓信號(hào)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：
h(t)=exp(-jπBt2/T)-T/2<t<T/2（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<t<T(3)
線性調(diào)頻信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波器對(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(hào)處理系統(tǒng)。
經(jīng)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壓的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(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：
g(t)=u(t)*[h(t)·w(t)](4)
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：
w(t)=0.08+0.92·cos2（πf/B）（5）
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。
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(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）的長度為N1，h(n)的長度為N2,G（n）的長度為N。當(dāng)N<L（L為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)為無效數(shù)據(jù)。
2LFM信號(hào)實(shí)時(shí)脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)
2.1TMS320C6201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(duì)外接口能力使其使用于雷達(dá)、聲納、通信、圖像等實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。
C6201DSP采用甚長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，單指令字長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(jí)C編譯器。對(duì)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(hào)的實(shí)時(shí)脈沖壓縮的硬件構(gòu)成如圖1所示。
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(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(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(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。
正交化的過程是從中頻數(shù)據(jù)獲得兩路正交信號(hào)數(shù)據(jù)的過程，亦即從中頻信號(hào)頻譜獲取正交信號(hào)頻譜的過程。當(dāng)采樣頻率fs、載頻f0和信號(hào)帶寬B之間滿足f0=(2M-1)·fs/4關(guān)系（一般M=1,fs>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)域值及基頻譜在整個(gè)工作過程中是不變的。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，F(xiàn)FT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(shí)域抽取算法。在FFT的循環(huán)過程中，需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)算子。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(hào)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)和運(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，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()，_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。
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(hào)長數(shù)據(jù)分散成若干個(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(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)帶來了極大的方便。本文闡述了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)聲或納等設(shè)備的實(shí)時(shí)信號(hào)處理具有一定的參考價(jià)值。
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