用高速DSP在頻域上實(shí)現LFM信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮

摘要：時(shí)寬帶寬（TB）積較小的線(xiàn)性調頻（LFM）信號的脈沖壓縮可用A100等器件構成的橫向濾波器實(shí)現；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算量和硬件量太大。本文介紹用TMS320C6201 DSP在頻域上實(shí)現大TB積LFM信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮，內容包括海明加權、循環(huán)卷積、長(cháng)數據分段迭加、軟件流程圖和硬件框圖。實(shí)驗結果表明，當雷達重要周期為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 為提高脈沖雷達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)射機峰值功率；其二是加大發(fā)射脈沖的寬度來(lái)提高平均發(fā)射功率。發(fā)射機的發(fā)射功率峰值受電源、功率放大器、功率傳輸通道（功率過(guò)大，波導等器件易打火）等限制；簡(jiǎn)單增加發(fā)射脈沖的寬度，相當于降低發(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)射脈沖內的載波進(jìn)行線(xiàn)性調頻；在接收端對線(xiàn)性調頻的回波信號再進(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、聲納等系統，其中以線(xiàn)性調頻信號的應用最為廣泛。 1 線(xiàn)性調頻信號的脈沖壓縮 線(xiàn)性調頻（LFM）信號是一種瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化的信號。零中頻線(xiàn)調頻信號u(t)可表示為： u(t)=exp(jπBt2/T) -T/2DSP芯片。高速的數據處理能力和對外接口能力使其使用于雷達、聲納、通信、圖像等實(shí)時(shí)處理系統。 C6201 DSP采用甚長(cháng)指令字（VLIW）結構，單指令字長(cháng)32Bit，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(cháng)為256Bit。芯片內部設置了專(zhuān)門(mén)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)運行。最大處理能力可達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(dòng)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，主要用于小容量數據存儲和程序存儲；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(gè)效率可達70%～80%的匯編語(yǔ)言級C編譯器。對于高速實(shí)時(shí)應用，采用C語(yǔ)言和C6000線(xiàn)性匯編語(yǔ)言混合編程的方法，能夠把C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)和匯編語(yǔ)言的高效率有機地結合在一起，代碼效率達到90%以上。 2.2 硬件構成 以TMS320C6201為核心器件的LFM信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮的硬件構成如圖1所示。雷達中頻信號經(jīng)抗混迭濾波后，將其頻帶限制在一定的范圍內。再經(jīng)A/D變換后便得到中頻直接采樣的數據。雙口RAM用于存放中頻直接采樣的原始數據。 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)存儲器，用于存放LFM信號脈沖壓縮處理過(guò)程中的中間數據。 處理后的數據及處理過(guò)程中的數據均可送至PC機作保存、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、聲納和某些通信系統中，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。這種傳統的正交采樣方法存在的最大問(wèn)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。中頻直接采樣的數據通過(guò)適當的處理就可獲得零中頻上的正交信號數據。 FFT變換將中頻直接采樣的數據從時(shí)域變換到頻域。 正交化的過(guò)程是從中頻數據獲得兩路正交信號數據的過(guò)程，亦即從中頻信號頻譜獲取正交信號頻譜的過(guò)程。當采樣頻率fs、載頻f0和信號帶寬B之間滿(mǎn)足f0=(2M-1) %26;#183;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(guò)程中是不變的。零中頻正交信號的數據經(jīng)脈沖壓縮后，再做IFFT得到最終的脈沖壓縮時(shí)域數據。 2.4 軟件計算及其優(yōu)化 在整個(gè)工作流程中，FFT及IFFT運算占用的比例很大，因此在LFM信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮過(guò)程中，FFT程序的優(yōu)化至關(guān)重要。 FFT運算采用基2時(shí)域抽取算法。在FFT的循環(huán)過(guò)程中，需要計算旋轉算子。這是一個(gè)三角浮點(diǎn)運算，用C6201運算速度慢，很難達到實(shí)時(shí)處理的要求。所以在FFT運算之前把旋轉算子計算好，放在數據存儲器中加以調用。而且旋轉算子的調用很有規律，尋址比較方便，所以不需花費很大的計算量。這樣大大提高了FFT的運算速度。 N點(diǎn)FFT運算需要1/2（N%26;#183;log2N）復數乘法。乘法花費指令周期較多，因此復數乘法的優(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數據類(lèi)型 FFT中的數據類(lèi)型為short，字長(cháng)16位。模擬信號經(jīng)A/D變換后長(cháng)度為12位，與16位比較接近，這樣能夠很好的節省內存資源。由于TMS320C6201為定點(diǎn)型芯片，用它來(lái)計算整數類(lèi)型的代數和運算，能夠發(fā)揮其最大的運算優(yōu)勢。而且，C6000系列的指令集內只有16位乘法指令，這樣采用16位字長(cháng)，能夠節省乘法運算的指令周期數。 （2）使用字訪(fǎng)問(wèn)short類(lèi)型 在復數乘法中，讀、寫(xiě)內存比較頻繁。讀操作花費指令周期較多（需5個(gè)指令周期）。如果以short類(lèi)型（字長(cháng)16位）讀、寫(xiě)內存，將要讀內存6次，寫(xiě)內存4次。由于C6000指令集內的讀寫(xiě)操作的數據可以是32位。所以可以采用int類(lèi)型（字長(cháng)32位）讀、寫(xiě)內存，即每訪(fǎng)問(wèn)一次內存，操作數為兩個(gè)Short數據。這樣只需讀內存3次，寫(xiě)內存2次，花費時(shí)間可以減少一半。 （3）使用內聯(lián)函數 C6000編譯器提供了大量的內聯(lián)函數。如16位乘法算：_mpy()，_mpyh()，_mpyh1()，_mpylh()等。內聯(lián)函數可快速優(yōu)化C代碼，在程序中應盡量使用。 2.5 長(cháng)數據分段迭加 當一個(gè)雷達重復周期內采樣的數據長(cháng)度很大而相應匹配濾波器的數據很短時(shí)，可采用長(cháng)數據分段迭加來(lái)減小運算量。即將信號長(cháng)數據分散成若干個(gè)小段（每小段數據長(cháng)度都與匹配濾波器數據長(cháng)度相當），對每小段數據分別作FFT處理后再相加。實(shí)驗結果表明：當信號數據長(cháng)度越大時(shí)，采用此種方法相對于通常補零FFT方法的優(yōu)越性越大，可以滿(mǎn)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)雷達信號處理系統的實(shí)現帶來(lái)了極大的方便。本文闡述了LFM信號實(shí)時(shí)脈沖壓縮為雷達實(shí)時(shí)信號處理的一個(gè)實(shí)例，對于雷達聲或納等設備的實(shí)時(shí)信號處理具有一定的參考價(jià)值。