脈沖壓縮原理及FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決雷達(dá)作用距離和距離分辨力的問(wèn)題，分析了線性調(diào)頻脈沖壓縮的原理及工程實(shí)現(xiàn)方法，并利用Matlab軟件對(duì)加權(quán)前后的線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮波形進(jìn)行對(duì)比。簡(jiǎn)述了分布式(DA)算法的基本原理，給出一種基于FPGA分布式算法的時(shí)域脈沖壓縮實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用QuartusⅡ軟件完成脈沖壓縮處理模塊設(shè)計(jì)以及波形仿真。通過(guò)分析可以得出基于分布式算法實(shí)現(xiàn)的脈沖壓縮可以減少資源利用率，大大節(jié)省硬件資源。
關(guān)鍵詞：脈沖壓縮；匹配濾波器；分布式算法；FPGA

0 引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)雷達(dá)的作用距離、距離分辨力等性能提出了越來(lái)越高的要求。根據(jù)雷達(dá)理論，距離分辨力取決于信號(hào)的帶寬，探測(cè)距離取決于信號(hào)的時(shí)寬，所以理想的雷達(dá)信號(hào)應(yīng)具有大時(shí)寬帶寬積。單載頻脈沖信號(hào)的時(shí)寬帶寬積近似為1 ，因此作用距離與距離分辨力存在矛盾。采用脈沖壓縮可以有效解決上述矛盾，這樣既提高了雷達(dá)的作用距離，又保證了較高的距離分辨力。用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的脈沖壓縮具有可靠性高，靈活性好，可編程、便于應(yīng)用。因此，這里介紹一種在FPGA上用分布式算法實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈沖的壓縮，它是一種基于查找表的計(jì)算方法，與傳統(tǒng)算法(乘累加)相比，分布式算法可以極大地減少硬件電路地規(guī)模，易于實(shí)現(xiàn)流水線處理，從而提高電路的執(zhí)行速度。

1 脈沖壓縮原理及Matlab仿真
1．1 線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮原理
大時(shí)寬帶寬信號(hào)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)脈沖壓縮濾波器實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)是載頻按一定規(guī)律變化的寬脈沖，即具有非線性相位譜的寬脈沖。然而，脈沖壓縮濾波器具有與發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律相反的延遲頻率特性，即脈沖壓縮器的相頻特性應(yīng)該與發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位共軛匹配。所以，理想脈沖壓縮濾波器就是匹配濾波器。匹配濾波器的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)si(t)與匹配濾波響應(yīng)h(t)求卷積得到的，即：

數(shù)字脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)方式有兩種。一是時(shí)域卷積法；二是頻域FFT法。時(shí)域處理方法比較直觀、簡(jiǎn)單，運(yùn)算量相對(duì)較少。另外，由于FPGA等器件的迅速發(fā)展，時(shí)域卷積法得到了更大程度的應(yīng)用。頻域FFT法是先經(jīng)過(guò)FFT的運(yùn)算，再進(jìn)行IFFT運(yùn)算，然后得到脈壓結(jié)果，其處理在本質(zhì)上是與時(shí)域卷積法一樣的。通常脈沖壓縮用數(shù)字濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)輸入信號(hào)si(t)需要通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)si(n)。此時(shí)，脈沖壓縮匹配濾波器的輸出為：

其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。本文的設(shè)計(jì)就是按圖1的原理而實(shí)現(xiàn)的。


1．2 線性調(diào)頻脈沖壓縮的Matlab仿真
線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器直接得到的脈沖壓縮輸出信號(hào)并不理想，主副瓣比只有13．2 dB，這在多數(shù)情況下是不能滿(mǎn)足要求的。因?yàn)榇蟮母卑陼?huì)在主瓣周?chē)纬商摷倌繕?biāo)，而且大目標(biāo)的副瓣也會(huì)掩蓋其鄰近距離上的小目標(biāo)，造成小目標(biāo)丟失，所以必須降低輸出信號(hào)的副瓣。常用的方法就是加權(quán)方法。如何選擇加權(quán)函數(shù)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要，依據(jù)最佳準(zhǔn)則在副瓣抑制、主瓣展寬、信噪比損失、副瓣衰減速度以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易等幾個(gè)方面考慮。