线性调频信号频域数字脉冲压缩

　线性调频信号具有抛物线式的非线性相位谱，能够获得较大的时宽带宽积；与其它脉压信号相比，很容易用数字技术产生，且技术上比较成熟；所用的匹配滤波器对回波信号的多卜勒频移不敏感，因而可以用一个匹配滤波器处理具有不同多卜勒频移的回波信号。这将大大简化信号处理系统，因此它在工程中得到了广泛的应用。采用这种信号的雷达可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨率。数字化的脉冲压缩系统具有性能稳定、受干扰小、工作方式灵活多样等优点，是现代脉压系统的发展趋势。

 　　本文以TI公司的高性能的TMS320C6701浮点DSP芯片作为实现数字脉冲压缩的核心器件，实现了线性调频信号的频域数字脉冲压缩。

　　1 数字脉冲压缩原理

　　数字脉冲压缩采用数字信号处理技术完成相关匹配滤波，通常采用时域处理和频域处理两种方法实现这一过程。

　　1.1 时域脉冲压缩处理

　　时域脉冲压缩直接对雷达回波信号进行卷积运算，如图1所示。其算式如下：

　　s(n)=s1(n)+jsQ(n);h(n)=hI(n)+jhQ(n)

　　y(n)=s(n)×h(n)     (1)

　　式中，s(n)为A/D采样之后的回波信号；h(n)为匹配滤波器的冲激响应信号；y(n)为时域脉压输入信号。采用时域方法进行脉冲压缩且当卷积运算速度达到A/D采样速度时，可以进行实时脉冲压缩处理，输入信号的长度不受滤波器阶数的限制。但当A/D采样频率较高时，脉压处理将无法实时完成。

　　1.2 频域脉冲压缩处理

　　频域脉冲压缩先对输入回波序列进行FFT变换，将离散输入时间序列变换成离散谱，然后乘以匹配滤波器冲击响应的离散谱，再用逆FFT还原成压缩后的时间离散信号，如图2所示。其算式如下：

　　S（k）=FFT(s(n));H(k)=FFT(h(n))

　　y(n)=IFFT(S(k)×H(k))=IFFT(FFT(s(n))×FFT(h(n)))     (2)

　　在大时宽信号时，采用高速FFT算法，大大减少了运算量，提高了运算速度，因而现代雷达体制广泛采用的是频域算法。频域算法的实现要求发展快速傅立叶变换的硬件，以前多用高速FFT运算器件实现频域脉压。但随着通用DSP器件速度的不断加快，这些专用FFT器件不仅没有了高速FFT算法运算上的优势，同时还伴随有功能单一、不便于功能扩展、成本高、实现电路复杂等劣热，因此逐渐被淘汰，取而代之的是高速DSP器件。本文正是TI公司的高性能的TMS320C6701浮点DSP来实现频域数字脉冲压缩。

　　2 TMS320C6701的结构和性能

　　TMS320C6701（以下简称C6701）是TI公司近年来推出的含多个处理单元的一种新型新点DSP芯片。它采用VLIW结构，在167MHz的主频下可以得到1GFLOPS的高处理速度。CPU中包括报两套对套的运算单元（L,S,M,D）和相应的两套寄存器组，每组有16个32位宽的寄存器。每个功能单元输入输出端口相互独立，可实现并行处理。

　　C6701的地址总线为32位，寻址范围达到4GB。存储空间可分为四部分：片内程序空间、片内数据空间、外部存储空间和内部外围设备空间，可通过对五个BOOTMODE引脚的灵活设置设定各空间的地址范围。片内数据空间又分成两块，每一块RAM被组织为八个2K×16的存储体，使得CPU可以同时访问不同存储体的数据，而不会发生冲突。片内程序空间可设为Cache，存储经常使用的代码，减少片外访问次数，从而提高程序运行速度。

　　C6701的外围端口包括DMA控制器、主机接口（HPI）、中断选择等。两个多通道缓存串行口（McBSP）除多通道、比缓存外，还支持多种数据格式、硬件A/μ率压扩展 、位时钟和帧时钟的灵活编程，另外还提供SBSRAM、SDRAM等高速存储器的无缝接口。

　　C6701采用间接寻址，有线性方式和循环方式 两种。程序按三级流水线执行，即取指、译码、执行。C6701具有丰富 的指令集，内含50余条指令，且大部分是单周期的，可完成数据传输、算术逻辑运算和程序控制等功能。

　　3 频域脉冲压缩系统的硬件结构和原理

　　以C6701为核心器件，辅以相应的输入输出电路，可完成数字频域脉冲压缩系统的设计。实现的硬件结构如图3所示。

　　将正交的两路采样信号输入到放大器。放大器一方面对信号放大。另一方面也将放大的信号以差分方式输出。信号以差分方式输出是为了抑制掉高阶谐波分量，滤掉各种干扰信号（如电源和地的噪声），这样有利于提高A/D转换器的性能。系统选用了12位A/D转换芯片AD9220，该芯片具有单端输入和差分输入两种方式，因此，放大器输出信号能直接输入到AD9220进行模/数转换。两路回波信号经AD9220正交采样后，再经符号扩展成16位存入FIFO。C6701处理器将输入的32位信号送到内部RAM，按照图2所示的方法进行频域脉压处理。首先对输入信号进行FFT变换，将信号变换离散的频域抽样值。然后将FFT变换 结果和匹配滤波系数相乘。设计中将匹配滤波器的系数存放在FLASH ROM中，上电后将此系数搬移到内部高速数据RAM，然后才进行运算。为了获得-40dB以下的副瓣电平，通常将匹配滤波器的系数进行汉明加权后存放在ROM中。再后，对相乘结果进行反傅立叶变换，完成频域脉压。量后，将反傅立叶变换结果进行求模运算，得出离散的脉压信号并将其输出。由于C6701是浮点处理器，既保证了较高的精度，又不用考虑溢出问题，使得有限字长的影响可以忽略不计。当雷达发射周期较长时，可以将输入信号分段进行处理，每段单独进行频域脉冲压缩，然后按照重叠保留法将每段压缩结果组合成整个信号脉压输出。

　　以上脉压算法可以通过编程在DSP内部实现，这不仅简化了电路、减小了体积、提高了系统的可靠性，而且扩展了系统的功能，使系统具有较高的灵活性，即在不改变硬件电路的情况下，只需改变系统软件和外部ROM中的匹配系数，就能完成不同信号的脉冲压缩功能。

　　4 频域脉冲压缩系统的软件设计

　　频域脉冲压缩系统的软件设计主要采用TI公司的CCS软件开发。在CCS下，软件可分为三个阶段。第一阶段，根据任务编写C语言程序，并对程序进行优化。当代码性能较低时，为改进代码性能进入第二阶段，第二阶段利用优化方法重新编写C代码，并检查所生成的代码性能。第三阶段，从C语言程序中抽出对性能影响很大的程序段，使用线性汇编语言重新编写，然后使用汇编优化器对线性汇编程序进行优化，从而得到满意的代码性能。根据以上方法，编写出的脉冲压缩系统的软件包括系统初始化子程序、DMA子程序、正傅立叶变换FFT子系统和反傅立叶变换IFFT子程序、复数相乘子程序、求模子程序等。其流程如图4所示。

　　在执行系统初始化程序时，要对系统的控制状态寄存器、外部存储器接口控制寄存器等进行参数设置，保证系统按要求正常工作。为提高系统效率，系统通过DMA通道从外部CE2空间将数据读入片内RAM，所以初始化程序必须设置好外部存储器CE2空间的控制寄存器。在进行FFT变换子程序的设计时，因为基四算法比基二算法快，并且频率抽取算法比时间抽取算法能更好地发挥C6701的并行运算能力，所以采有基四频率抽取算法。对4096点信号进行FFT变换，所需时间≤400μs。编写的复数数组相乘通用子程序实现4096点运算所需时间≤95μs。对于反变换，可以直接得用前面的FFT算法实现，即先对输入频域序列作共轭变换，然后进行FFT运算，并对所得的时域序列再作共轭变换 ，最后除以FFT变换 数据的个数。但这样进行反变换所需要的时间较长，不能实时处理。为此按照其四频率抽取的算法编写了IFFT子程序，此IFFT子程序经过CCS优化之后，对4096点逆变换来讲，需要400μs左右。本程序和FFT子程序配合使用，可以方便地实现信号的正傅立叶变换和傅立叶变换，而不需要进行位反转操作，不仅节省了存储空间，而且加快了运算速度。为求复信号的模值，可以采用迭代等算法编写求模子程序。

　　系统初始化程序如下：

　　system_intr()

　　{LOAD_REG_FIELD(CSR,0,0,2);

　　SET_REG(ICR,0xFFF0);

　　REG_WRITE(EXITERNAL_INTR_POL_ADDR,0);

　　INTR_MAP_RESET();

　　SET_REG(ISTP,0);

　　LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,5,READ_SETUP,READ_SETUP_SZ);

　　LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,8,READ_STROBE,READ_STROBE_SZ);

　　}

　　图5是利用CCS提供的数据图形显示工具进行坐标变换后的脉压结果。此线性调频脉冲参数为：时宽32μs，带宽5MHz，采样频率为5MHz。

　　采用先进的高速数字信号处理器，使得大点数脉冲压缩能够在很短的时间内高质量地完成。同时利用本系统，只要改变存储器的系数，就可以方便地实现非线性调频脉冲压缩及其它滤波，具有通用性。对于要求更高速度的系统，可采用多片TMS320C6701并行处理。而TMS320C6701所带的符合IEEE1149.1标准的JTAG口能够方便地进行了多片级联调试，再加上开发软件CCS所具有强大的功能，可以大大提高工作效率和缩短产品的开发时间。