基于快速傅里葉IP核的數(shù)字脈壓處理器的實(shí)現(xiàn)

引言

脈沖壓縮體制在現(xiàn)代雷達(dá)中被廣泛采用，通過發(fā)射寬脈沖來提高發(fā)射的平均功率，保證足夠的作用距離；接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得脈寬較窄的脈沖，以提高距離分辨力，從而能夠很好地解決作用距離和距離分辨力之間的矛盾問題。

線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)通過在寬脈沖內(nèi)附加載波線性調(diào)制以擴(kuò)展信號(hào)帶寬，從而獲得較大的壓縮比。所需匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，因此LMF信號(hào)在日前許多雷達(dá)系統(tǒng)中仍在廣泛使用。

本文基于快速傅里葉IP核可復(fù)用和重配置的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種頻域的FPGA數(shù)字脈壓處理器，能夠完成正交輸入的可變點(diǎn)LFM信號(hào)脈沖壓縮，具有設(shè)計(jì)靈活，調(diào)試方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能硬件實(shí)現(xiàn)方法

該系統(tǒng)為某寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字脈沖壓縮部分。系統(tǒng)要求在1個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRT)內(nèi)完成距離通道的數(shù)據(jù)采集及1 024點(diǎn)的數(shù)字脈沖壓縮，并在當(dāng)前PRT將脈壓結(jié)果傳送至DSP，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括前端的運(yùn)算放大器和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算放大器選用ADI公司的AD8138，將輸入信號(hào)由單端轉(zhuǎn)換為差分形式以滿足ADC的輸入需求，并且消除共模噪聲的影響。模／數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS5500，具有14 b的分辨率和125 MSPS的最高采樣率，用來對(duì)輸入LFM信號(hào)進(jìn)行60 MHz的高速采樣。

數(shù)字脈沖壓縮模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的XQ2V1000芯片。在對(duì)輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮后，結(jié)果存儲(chǔ)于FPGA片內(nèi)的雙口RAM中，并向DSP發(fā)送中斷信號(hào)。DSP在接收到中斷信號(hào)后讀取RAM中的脈壓數(shù)據(jù)進(jìn)行主處理。

2 脈沖壓縮模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2．1 脈沖壓縮原理

數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)是匹配濾波和相關(guān)接收理論的實(shí)際應(yīng)用，頻域的匹配濾波等效于時(shí)域的相關(guān)接收?；谄ヅ錇V波理論實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮的原理如圖2所示。

圖2中θ(f)為發(fā)射信號(hào)的非線性相位譜，接收的回波信號(hào)在經(jīng)過匹配濾波后，非線性相位譜得到校正。輸出的窄脈沖為：

匹配濾波器有一個(gè)重要的特性：對(duì)波形相同而幅度和時(shí)延不同的信號(hào)具有適應(yīng)性。也就是說，與信號(hào)s(t)匹配的濾波器，對(duì)信號(hào)as(t-τ)也是匹配的。回波信號(hào)s(t)在波門中的位置反映在脈壓結(jié)果峰值出現(xiàn)的位置，這也是利用雷達(dá)脈沖進(jìn)行測(cè)距的主要依據(jù)。

2．2 脈沖壓縮原理

脈沖壓縮模塊包括FFT、與IFFT單元、復(fù)數(shù)乘法單元以及存儲(chǔ)單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，F(xiàn)FT和IFFT單元是通過復(fù)用Xilinx公司提供的快速傅里葉變換IP核來實(shí)現(xiàn)的，而硬件乘法器則為復(fù)乘提供了解決途徑。

采樣數(shù)據(jù)首先存入FIFO中進(jìn)行全局緩存，然后FFT單元從FIFO中讀取采樣數(shù)據(jù)，緊接著進(jìn)行FFT運(yùn)算，結(jié)果在流水輸出時(shí)直接與匹配濾波器系數(shù)相乘，并將運(yùn)算結(jié)果寫入塊RAMl中，最后IFFT單元從塊RAMl中讀取復(fù)乘后的數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT(復(fù)用FFT運(yùn)算IP核)運(yùn)算，結(jié)果寫入塊RAMl后發(fā)送中斷信號(hào)，等待DSP讀取。

2．2．1 FFT處理單元的硬件復(fù)用

在系統(tǒng)中FFT處理單元通過使用軟核Fast Fourier Transform. v3．O來實(shí)現(xiàn)的。該IP核提供3種結(jié)構(gòu)選擇。

(1)管線級(jí)，數(shù)據(jù)流水I／0。這種結(jié)構(gòu)將若干基-2蝶形單元級(jí)聯(lián)起來，使得數(shù)據(jù)的輸入、計(jì)算、輸出可以流水進(jìn)行，從而可以達(dá)到很高的處理速度，但資源消耗較大；

(2)基-2，最少資源消耗。這種結(jié)構(gòu)采用單個(gè)基-2蝶形單元對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，運(yùn)算消耗的時(shí)間較長(zhǎng)；

(3)基-4，突發(fā)I／O；這種結(jié)構(gòu)采用單個(gè)基-4蝶形單元對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，并利用塊RAM來存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)因子，占用系統(tǒng)資源較少，在1個(gè)PRT內(nèi)可以完成脈壓結(jié)果的輸出，從而在資源和速度這兩者之間達(dá)到很好的平衡，也是設(shè)計(jì)中實(shí)際采用的結(jié)構(gòu)。

FFT處理單元主要包括2個(gè)過程：數(shù)據(jù)I／O和運(yùn)算過程，但兩者不是流水執(zhí)行的。FFT啟動(dòng)信號(hào)有效后，數(shù)據(jù)開始進(jìn)行裝載，裝載完成后開始進(jìn)行FFT運(yùn)算；等待運(yùn)算結(jié)束后，結(jié)果才可以輸出。在運(yùn)算過程中，不發(fā)生數(shù)據(jù)的裝載或輸出。

在數(shù)字設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FT和IFFT處理單元時(shí)可以采用相同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。具體的方法是：在做IFFT運(yùn)算前，先交換輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部，然后送入FFT處理單元按照FFT的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算，并交換FFT運(yùn)算結(jié)果的實(shí)部和虛部，最后除以運(yùn)算點(diǎn)數(shù)N，就可以得到IFFT的運(yùn)算結(jié)果。

該IP核基于上面的方法同時(shí)具有進(jìn)行IFFT運(yùn)算的功能，通過實(shí)時(shí)配置端口FWD INV上的電平可以實(shí)現(xiàn)復(fù)用，分別完成FFT和IFFT運(yùn)算。在FPGA設(shè)計(jì)中，利用結(jié)構(gòu)復(fù)用減少邏輯單元塊，不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源，而且能夠減少結(jié)構(gòu)間的硬連線及傳輸線時(shí)延，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率。