脈沖壓縮原理及FPGA實現

摘要：為解決雷達作用距離和距離分辨力的問題，分析了線性調頻脈沖壓縮的原理及工程實現方法，并利用Matlab軟件對加權前后的線性調頻信號脈沖壓縮波形進行對比。簡述了分布式(DA)算法的基本原理，給出一種基于FPGA分布式算法的時域脈沖壓縮實現結構，利用QuartusⅡ軟件完成脈沖壓縮處理模塊設計以及波形仿真。通過分析可以得出基于分布式算法實現的脈沖壓縮可以減少資源利用率，大大節省硬件資源。
關鍵詞：脈沖壓縮；匹配濾波器；分布式算法；FPGA

0 引言
隨著現代科技的發展，對雷達的作用距離、距離分辨力等性能提出了越來越高的要求。根據雷達理論，距離分辨力取決于信號的帶寬，探測距離取決于信號的時寬，所以理想的雷達信號應具有大時寬帶寬積。單載頻脈沖信號的時寬帶寬積近似為1 ，因此作用距離與距離分辨力存在矛盾。采用脈沖壓縮可以有效解決上述矛盾，這樣既提高了雷達的作用距離，又保證了較高的距離分辨力。用數字方式實現的脈沖壓縮具有可靠性高，靈活性好，可編程、便于應用。因此，這里介紹一種在FPGA上用分布式算法實現時域脈沖的壓縮，它是一種基于查找表的計算方法，與傳統算法(乘累加)相比，分布式算法可以極大地減少硬件電路地規模，易于實現流水線處理，從而提高電路的執行速度。

1 脈沖壓縮原理及Matlab仿真
1．1 線性調頻信號脈沖壓縮原理
大時寬帶寬信號的實現是通過脈沖壓縮濾波器實現的。這時雷達發射信號是載頻按一定規律變化的寬脈沖，即具有非線性相位譜的寬脈沖。然而，脈沖壓縮濾波器具有與發射信號變化規律相反的延遲頻率特性，即脈沖壓縮器的相頻特性應該與發射信號實現相位共軛匹配。所以，理想脈沖壓縮濾波器就是匹配濾波器。匹配濾波器的實現是通過對接收信號si(t)與匹配濾波響應h(t)求卷積得到的，即：

數字脈沖壓縮的實現方式有兩種。一是時域卷積法；二是頻域FFT法。時域處理方法比較直觀、簡單，運算量相對較少。另外，由于FPGA等器件的迅速發展，時域卷積法得到了更大程度的應用。頻域FFT法是先經過FFT的運算，再進行IFFT運算，然后得到脈壓結果，其處理在本質上是與時域卷積法一樣的。通常脈沖壓縮用數字濾波器來實現，這時輸入信號si(t)需要通過A／D轉換器將其轉換為數字信號si(n)。此時，脈沖壓縮匹配濾波器的輸出為：

其實現框圖如圖1所示。本文的設計就是按圖1的原理而實現的。


1．2 線性調頻脈沖壓縮的Matlab仿真
線性調頻信號經過匹配濾波器直接得到的脈沖壓縮輸出信號并不理想，主副瓣比只有13．2 dB，這在多數情況下是不能滿足要求的。因為大的副瓣會在主瓣周圍形成虛假目標，而且大目標的副瓣也會掩蓋其鄰近距離上的小目標，造成小目標丟失，所以必須降低輸出信號的副瓣。常用的方法就是加權方法。如何選擇加權函數，應根據應用場合的需要，依據最佳準則在副瓣抑制、主瓣展寬、信噪比損失、副瓣衰減速度以及技術實現的難易等幾個方面考慮。