基于TMS320C64x實現(xiàn)LFM信號的實時脈沖壓縮

引言

脈沖壓縮技術(shù)因解決了雷達作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現(xiàn)代雷達的一種重要體制，數(shù)字LFM（線性調(diào)頻）信號脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號處理的方法來實現(xiàn)雷達信號的脈沖壓縮，脈沖壓縮器的設(shè)計就是匹配濾波器的設(shè)計，脈沖壓縮過程是接收信號與發(fā)射波形的復(fù)共扼之間的相關(guān)函數(shù)，在時域?qū)崿F(xiàn)時，等效于求接收信號與發(fā)射信號復(fù)共軛的卷積。若考慮到抑制旁瓣加窗函數(shù)，不但要增加存儲器，而且運算量將增加1倍，在頻域?qū)崿F(xiàn)時，是接收信號的FFT值與發(fā)射波形的FFT值的復(fù)共軛相乘，然后再變換到時域而獲得的。若求N點數(shù)字信號的脈沖壓縮，頻域算法運算量大大減少，而且抑制旁瓣加窗時不需增加存儲器及運算量，相比較而言，用頻域FFT實現(xiàn)脈沖壓縮的方法較優(yōu)，因此選用頻域方法來實現(xiàn)脈沖壓縮，但是仍需要做大量的運算。

1 脈沖壓縮系統(tǒng)工業(yè)原理

1.1 用FFT法實現(xiàn)LFM信號的數(shù)字脈沖壓縮

時域脈沖壓縮的過程是通過對接收信號s（t）與匹配濾波器脈沖響應(yīng)求卷積的方法實現(xiàn)的，根據(jù)匹配濾波理論，h（t）=s*（t0-t），即匹配濾波器是輸入信號的共軛鏡像，并有相應(yīng)的時移t0。則壓縮網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)為：

h（n）=s*（N-n） （1）

式中：n=0，1，…，N-1；N表明當發(fā)射波形是有限寬度時，沖激響應(yīng)也是一個有限序列。 根據(jù)卷積定理，并采用N點DFT，則可得壓縮網(wǎng)絡(luò)的輸出；

y（n）=ID{D[s（n）D[s*（N-n）]} （2）

如采用FFT算法，則可得用FFT法實現(xiàn)數(shù)字式脈沖壓縮的數(shù)字模型為：

y（n）=IFFT{FFT[s（n）FFT[s*（N-n）]} （3）

當N=0時，y（n）=IFFT（|FFTs（n）|2）

LFM信號的突出優(yōu)點是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使用，這將大大簡化信號處理系統(tǒng)，LFM信號經(jīng)匹配濾波器后的輸出脈沖y（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。

頻域快速卷積法數(shù)字脈壓壓縮原理如圖1所示。

1.2 數(shù)字式LFM信號的形成

LFM信號是一種瞬時頻率隨時間呈線性變化的信號，LFM矩形脈沖信號的復(fù)數(shù)表達式為：
 
 

I（n）、Q（n）分別看作是匹配濾波器系數(shù)的實部和虛部，預(yù)先計算出來，存儲在存儲器中，計算時方便調(diào)用。

產(chǎn)生LFM信號的方法如圖2所示。

2 LFM信號實時脈沖壓縮的實現(xiàn)

2.1 TMS320C64x處理器特點

TMS320C64x是TI公司最新推出的高性能DSP，其時鐘頻率可達600MHz，最高處理能力為4800MIPS（百萬次指令每秒），軟件與C62X完全兼容，每個時鐘周期可以執(zhí)行8條指令。TMS320C64x采用TI公司獨有的VelociTI結(jié)構(gòu)，這是一種改進哈佛結(jié)構(gòu)、超長指令字的CPU。這種結(jié)構(gòu)使得TMS320C64x超過了傳統(tǒng)超標量設(shè)計CPU的性能。

TMS320C64x處理器的特點：

a）具有8個功能單元的先進的超常指令字，包括2個乘法器和6個算術(shù)單元，在統(tǒng)一個指令周期內(nèi)可最高同時執(zhí)行8條指令，是通常CPU的10倍。允許用戶開發(fā)出有效的類似于精簡指令集計算機（RISC）的代碼，以得到更高的性能。

b）指令打包，使得并行執(zhí)行的8條代碼長度保持一致性，同時減小了代碼長度、取指令時間和功率消耗。

c）所有的指令都具有條件可執(zhí)行的性能，從而減少了分支開銷，提高了并行運算的性能，峰值1600MIPS的指令執(zhí)行速度，峰值1 GFLOPS（10億次浮點運算每秒）。

d）業(yè)界最有效的C代碼編譯器、優(yōu)化器使得軟件開發(fā)有不可比擬的優(yōu)越性。

e）片內(nèi)64KB數(shù)據(jù)存儲器，64KB可配置為高速緩存模式的程序存儲器。統(tǒng)一編址的片外2GB地址空間提供對所有存儲器類型、數(shù)據(jù)寬度的有效支持，具有無粘著的存儲器接口及各種DRAM刷新邏輯。

2.2 程序流程

脈沖壓縮實現(xiàn)的流程圖如圖3所示。

                                                
 

在運算過程中所有數(shù)據(jù)采用32點浮點型數(shù)據(jù)，最后脈沖壓縮的精度鋪可達10-5。其中IFFT可以完全不改變FFT程序而直接調(diào)用，IDFT如下：
 

先將X（k）取共軛，直接利用FFT程序，最后將運算結(jié)果取一次共軛，以乘以1/N。

2.3 算法優(yōu)化

TMS320C64x提供了可以同時操作的8個運算單元，可以同時完成4個輸入數(shù)據(jù)的2個和、差或者完成2個32bit乘法，這對于在本系統(tǒng)中FFT/IFFT運算的大量蝶型運算具有很大的意義，配合硬件流水線，TMS320C64x可以不間斷的流水完成批量數(shù)據(jù)的FFT/IFFT，最好情況下單周期可以完全8次定點操作，大大降低了整個程序的時鐘周期數(shù)。

IFFT運算中第1次求共軛通過一次的算術(shù)變型在點乘的那一步就可以實現(xiàn)，以減少指令周期數(shù)，原理如下，設(shè)I1，Q1為接收回波數(shù)據(jù)FFT后的結(jié)果；I2，Q2為匹配濾波器求共軛后的結(jié)果，存儲在DRAM中，則有

A=（I1+JQ1）