基于FPGA的數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

O 引言
脈沖壓縮體制在現(xiàn)代雷達(dá)中被廣泛采用，通過(guò)發(fā)射寬脈沖來(lái)提高發(fā)射的平均功率，保證足夠的作用距離；接收時(shí)則采用相應(yīng)的脈沖壓縮算法獲得脈寬較窄的脈沖，以提高距離分辨力，從而能夠很好地解決作用距離和距離分辨力之間的矛盾問(wèn)題。
線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)通過(guò)在寬脈沖內(nèi)附加載波線性調(diào)制以擴(kuò)展信號(hào)帶寬，從而獲得較大的壓縮比。所需匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，因此LMF信號(hào)在日前許多雷達(dá)系統(tǒng)中仍在廣泛使用。
本文基于快速傅里葉IP核可復(fù)用和重配置的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一種頻域的FPGA數(shù)字脈壓處理器，能夠完成正交輸入的可變點(diǎn)LFM信號(hào)脈沖壓縮，具有設(shè)計(jì)靈活，調(diào)試方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能硬件實(shí)現(xiàn)方法
該系統(tǒng)為某寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字脈沖壓縮部分。系統(tǒng)要求在1個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRT)內(nèi)完成距離通道的數(shù)據(jù)采集及1 024點(diǎn)的數(shù)字脈沖壓縮，并在當(dāng)前PRT將脈壓結(jié)果傳送至DSP，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括前端的運(yùn)算放大器和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算放大器選用ADI公司的AD8138，將輸入信號(hào)由單端轉(zhuǎn)換為差分形式以滿足ADC的輸入需求，并且消除共模噪聲的影響。模／數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS5500，具有14 b的分辨率和125 MSPS的最高采樣率，用來(lái)對(duì)輸入LFM信號(hào)進(jìn)行60 MHz的高速采樣。
數(shù)字脈沖壓縮模塊在FPGA中實(shí)現(xiàn)，FPGA選用Xilinx公司的XQ2V1000芯片。在對(duì)輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮后，結(jié)果存儲(chǔ)于FPGA片內(nèi)的雙口RAM中，并向DSP發(fā)送中斷信號(hào)。DSP在接收到中斷信號(hào)后讀取RAM中的脈壓數(shù)據(jù)進(jìn)行主處理。

2 脈沖壓縮模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
2．1 脈沖壓縮原理
數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)是匹配濾波和相關(guān)接收理論的實(shí)際應(yīng)用，頻域的匹配濾波等效于時(shí)域的相關(guān)接收。基于匹配濾波理論實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮的原理如圖2所示。

圖2中θ(f)為發(fā)射信號(hào)的非線性相位譜，接收的回波信號(hào)在經(jīng)過(guò)匹配濾波后，非線性相位譜得到校正。輸出的窄脈沖為：

匹配濾波器有一個(gè)重要的特性：對(duì)波形相同而幅度和時(shí)延不同的信號(hào)具有適應(yīng)性。也就是說(shuō)，與信號(hào)s(t)匹配的濾波器，對(duì)信號(hào)as(t-τ)也是匹配的。回波信號(hào)s(t)在波門中的位置反映在脈壓結(jié)果峰值出現(xiàn)的位置，這也是利用雷達(dá)脈沖進(jìn)行測(cè)距的主要依據(jù)。
2．2 脈沖壓縮原理
脈沖壓縮模塊包括FFT、與IFFT單元、復(fù)數(shù)乘法單元以及存儲(chǔ)單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，F(xiàn)FT和IFFT單元是通過(guò)復(fù)用Xilinx公司提供的快速傅里葉變換IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而硬件乘法器則為復(fù)乘提供了解決途徑。