基于快速傅里葉IP核的數字脈壓處理器的實現

引言

脈沖壓縮體制在現代雷達中被廣泛采用，通過發射寬脈沖來提高發射的平均功率，保證足夠的作用距離；接收時則采用相應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題。

線性調頻(LFM)信號通過在寬脈沖內附加載波線性調制以擴展信號帶寬，從而獲得較大的壓縮比。所需匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因此LMF信號在日前許多雷達系統中仍在廣泛使用。

本文基于快速傅里葉IP核可復用和重配置的特點，實現一種頻域的FPGA數字脈壓處理器，能夠完成正交輸入的可變點LFM信號脈沖壓縮，具有設計靈活，調試方便，可擴展性強的特點。

1 系統功能硬件實現方法

該系統為某寬帶雷達系統的數據采集和數字脈沖壓縮部分。系統要求在1個脈沖重復周期(PRT)內完成距離通道的數據采集及1 024點的數字脈沖壓縮，并在當前PRT將脈壓結果傳送至DSP，其硬件結構如圖1所示。

數據采集系統主要包括前端的運算放大器和模／數轉換器。運算放大器選用ADI公司的AD8138，將輸入信號由單端轉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／數轉換器選用TI公司的ADS5500，具有14 b的分辨率和125 MSPS的最高采樣率，用來對輸入LFM信號進行60 MHz的高速采樣。

數字脈沖壓縮模塊在FPGA中實現，FPGA選用Xilinx公司的XQ2V1000芯片。在對輸入采樣數據進行脈沖壓縮后，結果存儲于FPGA片內的雙口RAM中，并向DSP發送中斷信號。DSP在接收到中斷信號后讀取RAM中的脈壓數據進行主處理。

2 脈沖壓縮模塊的設計和實現

2．1 脈沖壓縮原理

數字脈沖壓縮技術是匹配濾波和相關接收理論的實際應用，頻域的匹配濾波等效于時域的相關接收。基于匹配濾波理論實現數字脈沖壓縮的原理如圖2所示。

圖2中θ(f)為發射信號的非線性相位譜，接收的回波信號在經過匹配濾波后，非線性相位譜得到校正。輸出的窄脈沖為：

匹配濾波器有一個重要的特性：對波形相同而幅度和時延不同的信號具有適應性。也就是說，與信號s(t)匹配的濾波器，對信號as(t-τ)也是匹配的。回波信號s(t)在波門中的位置反映在脈壓結果峰值出現的位置，這也是利用雷達脈沖進行測距的主要依據。

2．2 脈沖壓縮原理

脈沖壓縮模塊包括FFT、與IFFT單元、復數乘法單元以及存儲單元，其結構框圖如圖3所示。其中，FFT和IFFT單元是通過復用Xilinx公司提供的快速傅里葉變換IP核來實現的，而硬件乘法器則為復乘提供了解決途徑。

采樣數據首先存入FIFO中進行全局緩存，然后FFT單元從FIFO中讀取采樣數據，緊接著進行FFT運算，結果在流水輸出時直接與匹配濾波器系數相乘，并將運算結果寫入塊RAMl中，最后IFFT單元從塊RAMl中讀取復乘后的數據進行IFFT(復用FFT運算IP核)運算，結果寫入塊RAMl后發送中斷信號，等待DSP讀取。

2．2．1 FFT處理單元的硬件復用

在系統中FFT處理單元通過使用軟核Fast Fourier Transform. v3．O來實現的。該IP核提供3種結構選擇。

(1)管線級，數據流水I／0。這種結構將若干基-2蝶形單元級聯起來，使得數據的輸入、計算、輸出可以流水進行，從而可以達到很高的處理速度，但資源消耗較大；

(2)基-2，最少資源消耗。這種結構采用單個基-2蝶形單元對輸入數據進行變換，運算消耗的時間較長；

(3)基-4，突發I／O；這種結構采用單個基-4蝶形單元對輸入數據進行變換，并利用塊RAM來存儲旋轉因子，占用系統資源較少，在1個PRT內可以完成脈壓結果的輸出，從而在資源和速度這兩者之間達到很好的平衡，也是設計中實際采用的結構。

FFT處理單元主要包括2個過程：數據I／O和運算過程，但兩者不是流水執行的。FFT啟動信號有效后，數據開始進行裝載，裝載完成后開始進行FFT運算；等待運算結束后，結果才可以輸出。在運算過程中，不發生數據的裝載或輸出。

在數字設計中，FFT和IFFT處理單元時可以采用相同的結構來實現的。具體的方法是：在做IFFT運算前，先交換輸入數據的實部和虛部，然后送入FFT處理單元按照FFT的結構進行運算，并交換FFT運算結果的實部和虛部，最后除以運算點數N，就可以得到IFFT的運算結果。

該IP核基于上面的方法同時具有進行IFFT運算的功能，通過實時配置端口FWD INV上的電平可以實現復用，分別完成FFT和IFFT運算。在FPGA設計中，利用結構復用減少邏輯單元塊，不僅可以節約系統資源，而且能夠減少結構間的硬連線及傳輸線時延，有利于提高系統的工作頻率。