基于FPGA的数字脉冲压缩系统实现

O 引言
    脉冲压缩体制在现代雷达中被广泛采用，通过发射宽脉冲来提高发射的平均功率，保证足够的作用距离；接收时则采用相应的脉冲压缩算法获得脉宽较窄的脉冲，以提高距离分辨力，从而能够很好地解决作用距离和距离分辨力之间的矛盾问题。
    线性调频(LFM)信号通过在宽脉冲内附加载波线性调制以扩展信号带宽，从而获得较大的压缩比。所需匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，因此LMF信号在日前许多雷达系统中仍在广泛使用。
    本文基于快速傅里叶IP核可复用和重配置的特点，实现一种频域的FPGA数字脉压处理器，能够完成正交输入的可变点LFM信号脉冲压缩，具有设计灵活，调试方便，可扩展性强的特点。

1 系统功能硬件实现方法
    该系统为某宽带雷达系统的数据采集和数字脉冲压缩部分。系统要求在1个脉冲重复周期(PRT)内完成距离通道的数据采集及1 024点的数字脉冲压缩，并在当前PRT将脉压结果传送至DSP，其硬件结构如图1所示。

    数据采集系统主要包括前端的运算放大器和模／数转换器。运算放大器选用ADI公司的AD8138，将输入信号由单端转换为差分形式以满足ADC的输入需求，并且消除共模噪声的影响。模／数转换器选用TI公司的ADS5500，具有14 b的分辨率和125 MSPS的最高采样率，用来对输入LFM信号进行60 MHz的高速采样。
    数字脉冲压缩模块在FPGA中实现，FPGA选用Xilinx公司的XQ2V1000芯片。在对输入采样数据进行脉冲压缩后，结果存储于FPGA片内的双口RAM中，并向DSP发送中断信号。DSP在接收到中断信号后读取RAM中的脉压数据进行主处理。

2 脉冲压缩模块的设计和实现
2．1 脉冲压缩原理
    数字脉冲压缩技术是匹配滤波和相关接收理论的实际应用，频域的匹配滤波等效于时域的相关接收。基于匹配滤波理论实现数字脉冲压缩的原理如图2所示。

    图2中θ(f)为发射信号的非线性相位谱，接收的回波信号在经过匹配滤波后，非线性相位谱得到校正。输出的窄脉冲为：
   
    匹配滤波器有一个重要的特性：对波形相同而幅度和时延不同的信号具有适应性。也就是说，与信号s(t)匹配的滤波器，对信号as(t-τ)也是匹配的。回波信号s(t)在波门中的位置反映在脉压结果峰值出现的位置，这也是利用雷达脉冲进行测距的主要依据。
2．2 脉冲压缩原理
    脉冲压缩模块包括FFT、与IFFT单元、复数乘法单元以及存储单元，其结构框图如图3所示。其中，FFT和IFFT单元是通过复用Xilinx公司提供的快速傅里叶变换IP核来实现的，而硬件乘法器则为复乘提供了解决途径。

    采样数据首先存入FIFO中进行全局缓存，然后FFT单元从FIFO中读取采样数据，紧接着进行FFT运算，结果在流水输出时直接与匹配滤波器系数相乘，并将运算结果写入块RAMl中，最后IFFT单元从块RAMl中读取复乘后的数据进行IFFT(复用FFT运算IP核)运算，结果写入块RAMl后发送中断信号，等待DSP读取。
2．2．1 FFT处理单元的硬件复用
    在系统中FFT处理单元通过使用软核Fast Fourier Transform v3．O来实现的。该IP核提供3种结构选择。
    (1)管线级，数据流水I／0。这种结构将若干基-2蝶形单元级联起来，使得数据的输入、计算、输出可以流水进行，从而可以达到很高的处理速度，但资源消耗较大；
    (2)基-2，最少资源消耗。这种结构采用单个基-2蝶形单元对输入数据进行变换，运算消耗的时间较长；
    (3)基-4，突发I／O；这种结构采用单个基-4蝶形单元对输入数据进行变换，并利用块RAM来存储旋转因子，占用系统资源较少，在1个PRT内可以完成脉压结果的输出，从而在资源和速度这两者之间达到很好的平衡，也是设计中实际采用的结构。
    FFT处理单元主要包括2个过程：数据I／O和运算过程，但两者不是流水执行的。FFT启动信号有效后，数据开始进行装载，装载完成后开始进行FFT运算；等待运算结束后，结果才可以输出。在运算过程中，不发生数据的装载或输出。
    在数字设计中，FFT和IFFT处理单元时可以采用相同的结构来实现的。具体的方法是：在做IFFT运算前，先交换输入数据的实部和虚部，然后送入FFT处理单元按照FFT的结构进行运算，并交换FFT运算结果的实部和虚部，最后除以运算点数N，就可以得到IFFT的运算结果。
    该IP核基于上面的方法同时具有进行IFFT运算的功能，通过实时配置端口FWD INV上的电平可以实现复用，分别完成FFT和IFFT运算。在FPGA设计中，利用结构复用减少逻辑单元块，不仅可以节约系统资源，而且能够减少结构间的硬连线及传输线时延，有利于提高系统的工作频率。
2．2．2 脉冲压缩模块的时序设计
    由于FFT和IFFT的逻辑运算功能已经在IP核中实现，因此时序设计便显得尤为重要。在FFT(或IFFT)运算单元中，主要的状态与时序控制信号及其功能描述如表1所示。

    在采样距离门有效期间，将样本数据写入FIFO中进行缓存。采样结束后，通过FFT单元的写使能信号(NFFT_WE和FWD_INV_WE)将NFFT=010 10及FWD_INV_WE=1写入状态控制寄存器设定工作模式，接着启动START信号进行FFT运算，写使能信号与sTART之间仅差1个时钟周期。运算结束后，DONE信号有效1个时钟周期，输出使能信号UNLOAD与DONE同步，经过7个时钟周期后数据有效信号DV开始有效，FFT运算结果开始流水输出，同时与匹配滤波器的系数相乘，并存入RAM中。由于乘法运算的固有延迟，写使能RAM_EN延迟DV信号2个时钟周期。存储结束时，IFFT单元的写使能信号同时有效，并设定NFFT=01010及FWD_INV_WE=0，接着启动START信号进行IFFT运算。运算结束后，DONE信号(与UNLOAD同步)再次有效，IFFT运算输出结果在DV信号有效期间直接写入RAM中。单个PRT内各控制信号的具体时序说明如图4所示。

2．2．3 块浮点数据格式
    在数字信号处理系统中，数据表示格式可分为定点制、浮点制和块浮点制，它们在实现时对系统资源的要求不同，工作速度也不同，有着不同的适用范围。定点表示法使用最多，简单且速度快，但动态范围有限，需要用合适的溢出控制规则(如定比例法)适当压缩输入信号的动态范围，但这样会降低输出信号的信噪比。浮点表示法的优点是动态范围大，可避免溢出，能在很大的动态范围内达到很高的信噪比，主要缺点是系统实现复杂，硬件需求量大，成本和功耗高，而且速度较慢。
    块浮点表示法兼有定点法和浮点法的某些优点，是以上2种表示法的结合。这种表示法首先对一组数据进行检测，归一化最大数的小数部分，再建立适当的指数。接着把剩下数据的小数部分转化为合适的数，使它们可以使用最大数的指数。块浮点算法的主要优点是：大动态范围、低截断(或舍入)噪声，是一种有效的数据表示形式。从芯片实现角度上看，块浮点表示法能够保证较高的信号处理质量，尤其适用于FFT运算的场合。脉压模块中的FFT核带有块浮点运算的功能，整个运算过程中的数据格式表示如图5所示。

    ADC输入数据为14 b的二进制补码形式，对其低位补零扩展为16 b(IP核要求的输入精度)后送入FFT运算单元，输出结果为16 b的定点数以及指数EXP1。复乘包括乘法和累加运算，即FFT结果与匹配系数进行16 b×16 b的乘法运算，所得结果再进行加法运算；在进行加法运算前，所有数据扩展为33 b以防止溢出的发生，最终数据截取高16 b送入IFFT处理单元，输出为16 b的定点数和指数EXP2，将其与EXPl相加后
得到指数EXP。脉压的最终结果即为IFFT后的16 b定点数以及指数EXP，两者分别存储在FPGA片内RAM中。
2．3 脉冲压缩模块的测试
    设输入理想LFM信号参数如下：带宽B=40 MHz；时宽T=6μs；系统样本速率为60 MHz；使用海明窗加权。在上述条件下，脉冲压缩系统的输出结果对数图如图6所示。

    在图6中，横轴代表距离采样单元，即系统最小距离分辨率。通过系统实际处理结果与Madab仿真结果的对比验证了设计的正确性和实用性。

3 结语
    系统采用ADS5500完成14位、60 MSPS的数据采集，并在FPGA中实现1 024点的数字脉冲压缩。设计采用并行流水方式提高工作速度，而块浮点算法则充分保证运算的精度。IP核的复用大大降低硬件规模，从而使整个系统具有高速度、高精度和低功耗的特点。