基于FPGA的脈沖壓縮仿真與實(shí)現(xiàn)

1 引言
隨著現(xiàn)代武器與航天技術(shù)的發(fā)展，要求雷達(dá)應(yīng)具有高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨力等性能。簡(jiǎn)單矩形脈沖雷達(dá)存在雷達(dá)探測(cè)能力與距離分辨力之間的矛盾。為解決這一矛盾，大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)采用脈沖壓縮技術(shù)，調(diào)制信號(hào)頻率或相位，從而產(chǎn)生大時(shí)寬帶寬信號(hào)，接收端通過(guò)具有匹配濾波器的接收機(jī)接收，產(chǎn)生窄時(shí)間脈沖，提高距離分辨率。以數(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，這里介紹一種分布式算法實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈沖壓縮，它是一種基于查找表的計(jì)算方法，通過(guò)將各輸入數(shù)據(jù)每一對(duì)應(yīng)位產(chǎn)生的部分積預(yù)先相加形成相應(yīng)部分積，然后再對(duì)各部分積累加形成最終結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)乘加功能。與傳統(tǒng)算法(所有乘積產(chǎn)生后，再相加完成乘加運(yùn)算)相比，分布式算法可極大減少硬件電路規(guī)模，易于實(shí)現(xiàn)流水線處理，提高電路執(zhí)行速度。

2 脈沖壓縮
2．1 脈沖壓縮處理過(guò)程
脈沖壓縮處理有時(shí)域和頻域兩種方式。其中．時(shí)域處理是由數(shù)字有限沖擊響應(yīng)(FIR)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，即信號(hào)與系數(shù)的卷積；而頻域處理則是先用FFT計(jì)算出數(shù)字回波信號(hào)的頻譜S(ω)，再將其與匹配濾波器的頻響H(ω)相乘，最后進(jìn)行快速傅里葉反變換(IFFT)，得到脈壓結(jié)果。一般而言，對(duì)于大時(shí)寬帶寬信號(hào)，采用頻域處理較好；對(duì)于小時(shí)寬帶寬信號(hào)，采用時(shí)域處理較好。脈沖壓縮信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法有：線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)。線性調(diào)頻信號(hào)是通過(guò)非線性相位調(diào)制或線性頻率調(diào)制(LFM)來(lái)獲得大時(shí)寬帶寬積。與其他脈沖壓縮信號(hào)相比，它具有匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感的優(yōu)點(diǎn)。這里采用的LFM信號(hào)是由一個(gè)匹配濾波器來(lái)處理，并具有不同多普勒頻移的信號(hào)。
IFM數(shù)字脈沖壓縮仿真流程包括線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)產(chǎn)生、回波信號(hào)的模擬、正交相干檢波、I／O兩路信號(hào)低通濾波及抽取、視頻信號(hào)(零中頻)匹配濾波，如圖1所示。作為關(guān)鍵部分的匹配濾波器，它是一種線性相位的FIR濾波器，其濾波器系數(shù)為發(fā)射信號(hào)的復(fù)共軛，h(n)=x*(N-n)，而為了降低旁瓣，一般給系數(shù)加上相應(yīng)權(quán)值。

2．2 脈沖壓縮處理仿真
設(shè)線性調(diào)頻信號(hào)的載頻fo=25 MHz，調(diào)制頻率帶寬B=5MHz，采樣頻率fs=20 MHz，滿足中頻采樣定理要求，脈沖寬度τ=60μs，目標(biāo)距離12 km，時(shí)間延遲脈沖重復(fù)周期為320μs，信號(hào)幅度A=l。一個(gè)脈沖采樣點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)=Tfs=1 200，線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬帶寬積即脈寬壓縮比D=300，則輸出脈沖寬度r'=60μs／300=200 ns。
由以上參數(shù)產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)的目標(biāo)回波信號(hào)，經(jīng)正交相干檢波產(chǎn)生的I／Q兩路信號(hào)抽取。最后進(jìn)行匹配濾波的各個(gè)過(guò)程的MATLAB仿真，脈沖壓縮結(jié)果如圖2所示。從圖2看出，脈沖壓縮后產(chǎn)生窄脈沖，輸出波形具有辛格函數(shù)性質(zhì)．除主瓣外。在時(shí)間軸上還有延伸的一串副瓣。另外還可看出．經(jīng)過(guò)海明加權(quán)后的第一副瓣比主瓣下降約40 dB，而主瓣寬度也相應(yīng)拓展，比沒(méi)有加權(quán)的脈沖壓縮結(jié)果理想許多。