基于FPGA的脈沖壓縮仿真與實現

1 引言
隨著現代武器與航天技術的發展，要求雷達應具有高精度、遠距離、高分辨力等性能。簡單矩形脈沖雷達存在雷達探測能力與距離分辨力之間的矛盾。為解決這一矛盾，大多數現代雷達采用脈沖壓縮技術，調制信號頻率或相位，從而產生大時寬帶寬信號，接收端通過具有匹配濾波器的接收機接收，產生窄時間脈沖，提高距離分辨率。以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，這里介紹一種分布式算法實現時域脈沖壓縮，它是一種基于查找表的計算方法，通過將各輸入數據每一對應位產生的部分積預先相加形成相應部分積，然后再對各部分積累加形成最終結果，從而實現乘加功能。與傳統算法(所有乘積產生后，再相加完成乘加運算)相比，分布式算法可極大減少硬件電路規模，易于實現流水線處理，提高電路執行速度。

2 脈沖壓縮
2．1 脈沖壓縮處理過程
脈沖壓縮處理有時域和頻域兩種方式。其中．時域處理是由數字有限沖擊響應(FIR)實現的過程，即信號與系數的卷積；而頻域處理則是先用FFT計算出數字回波信號的頻譜S(ω)，再將其與匹配濾波器的頻響H(ω)相乘，最后進行快速傅里葉反變換(IFFT)，得到脈壓結果。一般而言，對于大時寬帶寬信號，采用頻域處理較好；對于小時寬帶寬信號，采用時域處理較好。脈沖壓縮信號實現方法有：線性調頻信號、非線性調頻信號和相位編碼信號。線性調頻信號是通過非線性相位調制或線性頻率調制(LFM)來獲得大時寬帶寬積。與其他脈沖壓縮信號相比，它具有匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感的優點。這里采用的LFM信號是由一個匹配濾波器來處理，并具有不同多普勒頻移的信號。
IFM數字脈沖壓縮仿真流程包括線性調頻(LFM)信號產生、回波信號的模擬、正交相干檢波、I／O兩路信號低通濾波及抽取、視頻信號(零中頻)匹配濾波，如圖1所示。作為關鍵部分的匹配濾波器，它是一種線性相位的FIR濾波器，其濾波器系數為發射信號的復共軛，h(n)=x*(N-n)，而為了降低旁瓣，一般給系數加上相應權值。

2．2 脈沖壓縮處理仿真
設線性調頻信號的載頻fo=25 MHz，調制頻率帶寬B=5MHz，采樣頻率fs=20 MHz，滿足中頻采樣定理要求，脈沖寬度τ=60μs，目標距離12 km，時間延遲脈沖重復周期為320μs，信號幅度A=l。一個脈沖采樣點數為L=Tfs=1 200，線性調頻信號的時寬帶寬積即脈寬壓縮比D=300，則輸出脈沖寬度r'=60μs／300=200 ns。
由以上參數產生的線性調頻信號的目標回波信號，經正交相干檢波產生的I／Q兩路信號抽取。最后進行匹配濾波的各個過程的MATLAB仿真，脈沖壓縮結果如圖2所示。從圖2看出，脈沖壓縮后產生窄脈沖，輸出波形具有辛格函數性質．除主瓣外。在時間軸上還有延伸的一串副瓣。另外還可看出．經過海明加權后的第一副瓣比主瓣下降約40 dB，而主瓣寬度也相應拓展，比沒有加權的脈沖壓縮結果理想許多。