线性调频信号基于FPGA IP核的脉冲压缩设计

liyf

摘要：为实现线性调频信号的数字脉冲压缩，设计一个FPGA硬件平台，并着重提出一种基于FPGA IP核的脉冲压缩设计方法。针对脉冲压缩进行了理论分析和Matlab仿真，设计完成后对系统软、硬件进行了全面测试，并根据实测数据对脉冲压缩结果进行了分析。结果表明，该系统可实现1 024点的脉冲压缩功能，主副瓣比、主瓣宽度等指标与理论仿真结果一致。该方法的参数设置灵活，可以简化软件设计，缩短研发周期。
关键词：FPGA；IP核；脉冲压缩；Matlab

0 引言
??? 根据雷达分辨理论，为了使雷达作用距离远，同时又具有高的测距精度和好的距离、速度分辨力，雷达发射信号必须是大带宽长脉冲形式。脉冲压缩过程就是对大时宽带宽积信号在接收时进行匹配滤波，重新调整信号中各频率分量的相对相位以得到窄脉冲信号，从而提高雷达的距离分辨力和测距精度。由于线性调频信号产生较为方便，而且它对多普勒频率不敏感，因此实际工程中常采用线性调频信号作为脉压信号。
??? 近年来，随着现场可编程门阵列(FPGA)在雷达信号处理中的广泛应用以及FPGA芯片技术的发展，为大家提供了一种较好解决数字脉压的途径。其中，利用IP核设计FPGA数字系统成为一种趋势，这些知识产权核可以大大简化FPGA的设计，加快设计速度，缩短研发周期，而且经过不断的优化，IP核具有了更好的精度和更快的运算速度，实际的工程应用效果很好。
??? 本文以此为出发点，对线性调频信号的脉冲压缩进行了研究，仿真，并提出了一种采用IP核设计脉冲压缩的方法。

1 线性调频信号的脉冲压缩
1．1 脉冲压缩的实现原理
??? 脉冲压缩可以采用“共轭滤波器对”的匹配滤波法和相关处理法。匹配滤波法对应于频域相乘，相关处理法对应于时域卷积。依据傅里叶变换理论：时域卷积等效于频域乘积。因此这两种方法是等效的，只是一种方法在频域实现，而另一种方法在时域实现。考虑到运算量，工程上一般采用频域法，可以利用快速FFT算法提高计算速度，然后将雷达回波与匹配滤波系数的频域响应相乘，再经过IFFT处理得到脉冲压缩结果。匹配滤波系数只与发射信号有关，预先可知，一般预先算好。
1．2 线性调频信号的脉冲压缩
??? 一般在时宽带宽积BT>30时，可以近似认为线性调频信号具有矩形振幅频谱，因此其匹配滤波器也应该具有矩形带通振幅特性。线性调频信号的匹配滤波器的近似频率特性可描述为：



??? 可以看出，线性调频的脉冲压缩结果具有sine函数形状。主瓣宽度为1／B，第一旁瓣电平约为-13．2 dB。如果是多目标环境，较大的旁瓣会埋没附近的小目标信号，为了抑制旁瓣，可以采用加权技术。其实质就是对信号进行失配处理以抑制旁瓣，其副作用是使输出信号的主瓣降低并展宽。
1．3 理论仿真
??? 设匹配滤波器的输入信号是线性调频I／Q基带信号，带宽为40 MHz，采样频率为100 MHz，脉冲宽度为6μs，信号幅度为1，通过Matlab对其进行脉冲压缩仿真。图1中是输入的I／Q基带信号波形以及脉压后的结果。从图中可以看到脉压后产生的窄脉冲，波形具有sine函数性质，除主瓣外，时间轴上还有延伸的一串副瓣；还可看出，经过海明加权后，第一副瓣比主瓣下降约40 dB，但主瓣宽度也有相应的展宽。如图2所示。




                          
                       
                          
                               

2 脉冲压缩系统设计
??? 该系统的主要功能是对线性调频I／Q基带信号进行高速采集，然后在FPGA中实现线性调频信号的脉冲压缩，之后通过D／A变换器输出脉压结果，监测脉压后的波形。
2．1 系统硬件平台
??? 该系统硬件平台主要包括：差分驱动电路，A／D采集电路、FPGA电路、晶振等电路、电路结构框图如图3所示。




???? FPGA采用的是Xilinx公司的芯片XQ2V1000，其配置芯片为Xilinx公司的PROM芯片XQ18V04，以主动串行方式对FPGA进行上电配置。差分驱动电路选用ADI公司的AD8138，A／D、D／A电路分别为ADI公司的14位高速模／数转换芯片ADS5500和14位高速数／模转换芯片DAC5675A。硬件电路的设计注重细节：I／Q两通道传输线设计时保证线长相等，使得I／Q时延带来的相位误差一致；采用DCI(DigitaUy Controlled Impe-dance)端接技术，在FPGA的每个bank上外接两个参考电阻来对该bank的每个I／O管脚实现端接，减少外接电阻的数量，实现阻抗匹配，提高系统的稳定性；做好电源滤波，对元器件进行合理布局，布线，对模拟信号和数字信号进行有效隔离，减小信号间串扰。
2．2 软件设计流程
??? 整个脉冲压缩处理在时间上是顺序的，是典型的数据流驱动的系统，即先进行FFT，复乘然后是IFFT及FIFO输出，脉冲压缩的总时序关系见图4。该系统实现1 024点的脉冲压缩，算法上采用基于IP核的设计方法。主要用到了FFT核，乘法器核以及单口Block Memory核，这些IP核的应用及脉冲压缩的具体实现如下所述。




                          
                       
                          
                               
2．2．1 FFT运算
??? 对于长度为N的时域序列X(n)的离散傅里叶变换为X(k)：
???


???? FFT算法主要是利用旋转因子exp(-j2πnk／N)的周期性和对称性的特点进行改进的算法，可以有效地减小运算量。Xilinx公司的FFT核利用Cooley-Tukey算法实现FFT／IFFT运算，最高支持216点长度的运算，可以实现流水线型、基4、基2三种结构，蝶形运算后可选择对数据顺序输出还是倒序输出，对IP核进行不同的配置，可以实现资源和运算速度的最优化。在此选用基4蝶形运算，对于1 024点数据，需要5级蝶形运算。
??? Xilinx公司的FFT核的参数通过GUI界面(见图5)进行设置，可设置的参数包括FFT点数，运算实施方法，输入数据位数等，设置完毕后点击Generate可即时生成代码。




??? 硬件描述语言采用VHDL，使用时程序中要对器件初始化并进行定义，FFT核的器件定义语句见图6。




2．2．2 匹配滤波系数产生
??? 根据匹配滤波理论，对于一个确定的输入信号，匹配滤波系数就是这个输入信号的频谱的复共轭，系数可以通过Matlab预先计算出来并以二进制的文件格式进行存储。此处计算时可以进行加权处理，在系数中乘以窗函数即可。
??? 通过Xilinx公司的单口Block Memory核，可以把Matlab产生的存储文件加载进去。当程序运行时，根据使能控制信号，把匹配滤波系数数据(1 024点)依次读取出来，送入乘法器进行后续运算。BlockMemory核的参数设置通过GUI界面进行，可即使生成代码。
2．2．3 乘法运算
??? 乘法运算部分完成FFT后数据与匹配滤波系数数据的复数乘法运算。根据复数的乘法规则。
??? (A+aj)(B+bj)=(AB-ab)+(Ab+aB)j
??? 两个复数的乘法运算实际上包括了4个实数的乘法运算，因此，此部分的设计用到了4个乘法器核。Xilinx公司的乘法器核支持补码运算，可输入A，B两路数据，每路的输入数据长度可达64 b。乘法器核的参数设置也是通过GUI界面进行，可即使生成代码。
                          
                       
                          
                               
2．2．4 IFFT运算
??? IFFT运算的处理单元和FFT的处理单元采用相同的结构来实现。具体的实现方法是，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结构进行运算，得到运算结果后，再对其实部和虚部进行交换，然后除以运算点数1 024，就可以得到IFFT后脉冲压缩的运算结果。
2．3 工程软件仿真
??? 利用ModelSim仿真软件首先对程序代码进行时序功能仿真，完成逻辑的综合与实现之后再进行布局布线后仿真，此时的仿真已基本接近真实情况。综合后的仿真情况如图7所示，仿真结果表明软件运行正常，可实现线性调频信号的脉冲压缩。




2．4 测试数据分析
??? 完成程序编制及仿真之后，把软件加载至FPGA中进行全面测试。通过Chipscope软件可以采集到A／D之后的I／Q线性调频基带信号数据以及经过FPGA处理后的脉压数据，把A／D后采集到的数据放在Matlab中进行理想的脉冲压缩，与实际FPGA的脉压结果进行对比。从图8中可以看出，两种处理的结果是一致的，主副瓣比大约都在35 dB左右，主瓣宽度也基本相同。如图8所示。







??? 脉冲压缩系统软、硬件调试完毕之后，通过板上的D／A输出可以直接监测脉冲压缩后的I／Q信号波形，如图9所示。

3 结语
??? 本文主要介绍了一种利用FPGA IP核设计线性调频信号脉冲压缩的方法，通过各种仿真与实际测试表明脉冲压缩结果正确。这种基于IP核的模块化设计方法非常灵活，参数的设置和修改方便，大大缩减了设计的开发周期。需要注意的是，虽然IP核的内部结构和实现功能已经固定，但设计时也要结合算法原理和IP核的自身特点综合考虑，对参数进行合理设置，以便获得硬件资源和运算速度的最优化。