基于FPGA的雷達(dá)脈沖壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖壓縮技術(shù)是指對(duì)雷達(dá)發(fā)射的寬脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(如線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼)，并在接收端對(duì)回波寬脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理后得到窄脈沖的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。脈沖壓縮有效地解決了雷達(dá)作用距離與距離分辨率之間的矛盾，可以在保證雷達(dá)在一定作用距離下提高距離分辨率。

線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮

脈沖壓縮的過(guò)程是通過(guò)對(duì)接收信號(hào)s(t)與匹配濾波器的脈沖響應(yīng)h(t)求卷積的方法實(shí)現(xiàn)的。而處理數(shù)字信號(hào)時(shí)，脈壓過(guò)程是通過(guò)對(duì)回波序列s(n)與匹配濾波器的脈沖響應(yīng)序列h(n)求卷積來(lái)實(shí)現(xiàn)的。匹配濾波器的輸出為：
 
  （1）

依據(jù)式（1）的實(shí)現(xiàn)方法叫做時(shí)域相關(guān)法。根據(jù)傅里葉變換理論，時(shí)域卷積等效于頻域相乘，因此，式（1）可以采用快速傅里葉變換（FFT）及反變換(IFFT)在頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，稱為頻域快速卷積法。

用頻域方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈壓，其基本原理是先對(duì)外部采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)以求得回波信號(hào)頻譜      S(w)，再將S(w)與匹配濾波器頻譜H(w)進(jìn)行乘積運(yùn)算，最后對(duì)乘積結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT)得到脈壓結(jié)果Y(n)，用公式表示為

 （2）

頻域快速卷積法的原理如圖1所示，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是匹配濾波器傳遞函數(shù)H(k)。

圖1  頻域脈沖壓縮原理框圖

依據(jù)匹配濾波理論，數(shù)字匹配濾波器的脈沖響應(yīng)h(n)及傳遞函數(shù)H(k)為

h(n)＝s1(-n)，H(k)=s1(k)  （3）

其中， s(n)為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)序列；S(k)為信號(hào)序列頻譜。

數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)

1 系統(tǒng)構(gòu)成和硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是單脈沖雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的一部分，由于單脈沖雷達(dá)所需要處理的距離、方位/俯仰兩路信號(hào)來(lái)自同一發(fā)射信號(hào)源的目標(biāo)反射回波，要求對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行同時(shí)、同頻ADC采樣和完全相同算法的脈沖壓縮處理。針對(duì)這一特點(diǎn)，雷達(dá)數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)將相同的脈沖壓縮處理功能移至兩片FPGA芯片內(nèi)。由于對(duì)雷達(dá)體積、重量、功耗等指標(biāo)有特殊要求，本系統(tǒng)采用二個(gè)通道的脈沖壓縮處理硬件結(jié)構(gòu)，即方位和俯仰兩路信號(hào)分時(shí)共用一個(gè)脈沖壓縮通道。雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采樣后分為和路和差路（包括航向差和俯仰差）兩組數(shù)據(jù)，分別輸入兩片FPGA單獨(dú)進(jìn)行脈沖壓縮計(jì)算，脈沖壓縮后再送入后端的DSP做譜分析，以確定目標(biāo)的距離、速度、方位等情況。由框圖中我們看到，FPGA不僅要對(duì)數(shù)據(jù)做脈沖壓縮計(jì)算，還承擔(dān)了對(duì)輸入數(shù)據(jù)處理和讀寫狀態(tài)寄存器的任務(wù)。狀態(tài)寄存器存儲(chǔ)了脈沖壓縮計(jì)算的控制參數(shù)，由后端的DSP根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)其做相應(yīng)的控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)位內(nèi)運(yùn)算結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對(duì)芯片內(nèi)嵌的塊RAM資源豐富的優(yōu)勢(shì)，脈沖壓縮系統(tǒng)采用兩片存儲(chǔ)器的乒乓操作，在FFT的每一級(jí)運(yùn)算中使一片雙口RAM的兩個(gè)端口同時(shí)處于讀或?qū)憼顟B(tài)，達(dá)到每個(gè)時(shí)鐘周期輸出兩個(gè)操作數(shù)的需要。而且，數(shù)據(jù)經(jīng)蝶算單元運(yùn)算結(jié)束后以相同的地址寫入另一片雙口RAM，節(jié)省了寫地址生成的時(shí)間，為設(shè)計(jì)高速的FFT系統(tǒng)提供了可能。

如圖3所示，采用兩片中間級(jí)RAM：RAMA和RAMB，用它們來(lái)完成乒乓操作。地址產(chǎn)生模塊生成的讀地址同時(shí)與中間級(jí)的兩片RAM相連，控制相應(yīng)的RAM讀取所需的操作數(shù)，操作數(shù)經(jīng)蝶算模塊運(yùn)算后以同址方式寫入到另一片RAM的兩個(gè)端口。RAM的讀寫由地址產(chǎn)生模塊生成的寫使能信號(hào)控制，處于讀狀態(tài)的RAM寫使能置零，而另一片的寫使能端置高，處于寫狀態(tài)。而且，RAM被設(shè)置為寫狀態(tài)時(shí)輸出端口不輸出，以減少RAM的讀取次數(shù)。這樣，輸入RAM變?yōu)檩敵鯮AM，輸出RAM變?yōu)檩斎隦AM，如此反復(fù)，直到FFT最后一級(jí)。

圖3  脈沖壓縮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

FFT的每一級(jí)運(yùn)算結(jié)束后，兩塊RAM功能互換，寫使能變反，運(yùn)算結(jié)束。RAM的每次輸出數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)選擇模塊（datamux），該模塊由地址產(chǎn)生模塊輸出的當(dāng)前級(jí)數(shù)信號(hào)Stage控制。本系統(tǒng)采用三種FFT模式：1024點(diǎn)、512點(diǎn)和256點(diǎn)，均采用同一旋轉(zhuǎn)因子ROM。根據(jù)FFT點(diǎn)數(shù)的不同，ROM的讀地址expaddr做相應(yīng)的調(diào)整，這樣的設(shè)計(jì)也在很大程度上節(jié)省了芯片內(nèi)的塊RAM資源。

3 系統(tǒng)性能

針對(duì)本雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)性和高精度的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能脈沖壓縮處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

A 處理系統(tǒng)內(nèi)部采用24位自定制浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，能夠兼顧處理系統(tǒng)的資源占用和處理精度。數(shù)據(jù)輸入為定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，輸出為標(biāo)準(zhǔn)32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。

B 處理系統(tǒng)工作時(shí)，需要依次完成FFT運(yùn)算、復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和IFFT運(yùn)算。在進(jìn)行FFT和IFFT運(yùn)算時(shí)，蝶形運(yùn)算/乘法運(yùn)算單元完成蝶形運(yùn)算操作；在進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算時(shí)，該單元完成乘法操作。這兩種操作在實(shí)際工程中分時(shí)實(shí)現(xiàn)，并且共享浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化處理硬件電路。

C 處理系統(tǒng)中進(jìn)行FFT/IFFT運(yùn)算的長(zhǎng)度N（N＝2048、1024或512）由雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的控制信號(hào)決定。

D 內(nèi)置三組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（輸入數(shù)據(jù)RAM、同址運(yùn)算RAM、輸出數(shù)據(jù)RAM），保證處理系統(tǒng)能全速運(yùn)行，提高該處理系統(tǒng)的處理能力。

E 旋轉(zhuǎn)因子（N=1024時(shí)的FFT運(yùn)算旋轉(zhuǎn)因子）以上電初值的形式存儲(chǔ)在FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)器中。當(dāng)N=512、256時(shí)，其旋轉(zhuǎn)因子從N=1024的旋轉(zhuǎn)因子中抽取得到。N點(diǎn)IFFT的旋轉(zhuǎn)因子由N點(diǎn)FFT的旋轉(zhuǎn)因子取共扼得到。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)存在三組時(shí)間—帶寬指標(biāo)，分別對(duì)其進(jìn)行理論仿真和實(shí)際輸出結(jié)果對(duì)照，其結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4  1024點(diǎn)脈沖壓縮狀態(tài)FPGA計(jì)算結(jié)果與MATLAB計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

圖5  512點(diǎn)脈沖壓縮狀態(tài)FPGA計(jì)算結(jié)果與MATLAB計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

圖6  256點(diǎn)脈沖壓縮狀態(tài)FPGA計(jì)算結(jié)果與MATLAB計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

圖4至圖6分別對(duì)應(yīng)時(shí)寬為60μs、20μs、6μs，帶寬均為5M的線性調(diào)頻信號(hào)。其中，左圖對(duì)應(yīng)MATLAB的計(jì)算結(jié)果，右圖為FPGA芯片的輸出結(jié)果?？梢钥吹?，F(xiàn)PGA芯片的輸出結(jié)果和MATLAB仿真結(jié)果吻合。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果良好，最大誤差不超過(guò)-76db，在內(nèi)部時(shí)鐘頻率80MHz條件下，完成1024點(diǎn)FFT 運(yùn)行時(shí)間為146μs ，滿足了雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理要求，達(dá)到了滿意的效果。