（信号与信息处理专业论文）高速数字脉冲压缩技术的研究.pdf

创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致酣。 i 所罗列 的内容以外，论文r f l 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成粜；也 不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使j = | j 过的材制。与我一同t 作的同志对小研究所做的任何页献均已红沦文 - 敞了明确的说i 蚓并表示了谢意。 本人签名：? 岳嗜糯 日期：矽口- 厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使月j 学位论文n 0 规 定，即：学校有权保留送交论文 f , j 复e 什，允许查阅和借阅沦文：学 校町以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影e 1 j 、缩印或其它 复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵循此规定) 本人签名： 导师签名： 乏有市兮 獭乳 日期： 2 0 0 ， h 强：d 。t 鲁l l 强 摘要 脓冲瞧绩是观代誊达中重要的信号处理技术之一，水文主要研究某，秘锚迭的 脉冲压缩露镀示羹豪7 串琢缨系统蘸设诗鞠蜜蕊，该矮毯来蠢予某聱单单指警站露返信 号处理机的研制工作。文中首先介绍，关于雷达分辨力鹊原理和大时优借宽积信 号。主裂介缁j 线性调颧信号的信号形式、匹配滤波器的原理，i 、f 论j 线性洲频 信号的性能、采用失酣滤波器进行的旁瓣抑制技术、数字处理技术的席1 j 等，” 给出了柏应的仿真结果。最后本文在理论分柝鲍基础一l ：分缁，某，啦雷达信号处理 系统翻耱鏊f 离速逶瘸数字信号处理嚣t m s 3 2 0 c 6 2 0 l 实魂溺数字莲拳跨瓤缀系 统，该系统采弼了目前先迸的通用数字信号处理芯片剩大规模可编挥器件，充分 使用了系统的资源，具有通用性女r 、可熬性高、易于维护等优点，可以f 1 ：为通川 的数字信弓处理板使用。结合此雷达脉冲压缩分系统，文中指了碗什改汁和软 件设计时应浚注意的阃题。 荚键词：雷达分辨力线性调频信号数字脒冲滏缭 a b s t r a c t p u l s ec o m p r e s s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h er a d a l s i g n a l p r o c e s s i o n ，t h i sp a p e rm a i n l y d i s c u s s e sp u l s ec o m p r e s s i o na n di t sd e s i g na n d r e a l i z a t i o n f i r s t l yt h et h e o r yo fr a d a rr e s o l v i n ga n db i gt i m e b a n d w i d t h p r o d u c t s i g n a li si n t r o d u c e d ，f o c u s i n go nt h es i g n a lt y p eo fl i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) a n dt h et h e o i 2 ，o fm a t c h e df i l t e r , d i s c u s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fl i n e a rf r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，w i t hs i d e l o b ec o m p r e s s i o nu s i n gm i s m a t c h e df i l t e r a p p l i c a t i o no fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) a n ds o o i lt h i sp a p e r e n d sw i t hak i n do fr a d a rs i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e ma n d a d i g i t a lp u l s ec o m p r e s s i o n ( d s p ) s y s t e mb a s e do ng e n e r a ld s p s t m s 32 0 c 6 2 01w i t ht h eb a s i so ft h e o r ym e n t i o n e dt h i ss y s t e ma d o p t st h el a t e s t g e n e r a ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i r pa n dl a r g es c a l ep r o g r a m m a b l ed e v i c e s ， w i t ht h e f u l lu s eo fs y s t e mr e s o u r c e ，a n di sc h a r a c t e r i z e db yf l e x i b i l i t y , r e l i a b i l i t y , e a s i n e s so f m a i n t a i n i n g ，a l s oi tc o u l db eu s e da sag e n e r a lp u l s es i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d + a c c o l d i l 毽 t ot h ec o m p r e s s i o n , t h ep a p e rp o i n t so u tt h ep r o b l e m st h a ts h o u l db en o t i c e si nt h e d e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d ：r a d a rr e s o l v i n g ，c h i r ps i g n a l ，d p c 第一镦绪论 第一章绪论 l + 1 弓l 言 翻十年代，搜索菌达首次应用于战争中发现目标，取得韵巨大战聚对战争的 进程和此后战争的模式超到了重大的影响。到了越南战争期间，作战双方已经大 量使用搜索、火控、制静雷达和雷达干扰反干扰技术设备。而在- t 。颦代的海湾 藏争中，多国蘩获爨键惩夔套秘至号、不溺凌缝茨霍遮毫经在数量霸矮鬟主这爨 了空前的规模。这些鬣选所使用的信母处理技术和硬释实现技术都是以往的雷达 所不能比拟的。 1 9 4 3 年诺斯( n o r t h ) 首次提出了暇配滤波器理论，推进了雷达检测能力的提 裹。1 9 5 0 年伍德沃德( w o o d w a r d ) 善次 翌绩惠逢豹棱念壤广到霉遮继弩捡测镢城， 认为鬻这接收机是个后验概率的计算装置。其拖错巍者在此基础上撬豳了确：多 种最俄检测准则。已缎证明”i 所有导出的最佳检测系统都是由一个最佳似然比 l - g 装置和个门限检测装鼹构成，根据枕验规则的不同所取的门限不同。 二次世雾大战泰期葶瑟酸嚣褶裳，壤积极鼹究整号鲶溺理论的同孵，人翻发蠖 典璧靛荦脉摔雷达在闷时提高蓑残畿力、距离窥速凄测璧精度以及分辨力方面其 有的不w 克服的矛盾。为增加雷达的检测能力，需要增加雷达发射功率在发射 机峰值功率有限的祭件下，要求发射脉冲尽可能宽，闭时为了提高系统的距离分 辨力，疆求发射脉冲懋可缝窄。挺毫遮度分辨力释援嶷距离分辨力瞧奄樱似鳃矛 蘑。为了解凌这个矛瓣，闻薅邀梵了蔽霉这 f 嚣察豹霈甏，各国先矮袋开了复杂波 形应用的研究。 遐常的解决办法魁便用脉冲压缩技术。作为现代谬达的重要技术，脉冲腿缩 技术霄效逑解决了距离分辨力与平均功率之闻的矛盾，在现代雷达中广泛使用。 较鬟躲渖瑟缩系统疆袋蠲赘波形，褥熬狰医壤分为线羧调频( l f m ) 躲压、j 线 性调频( n l f m ) 脉压和相位编码三种。薄先得到应用的是线性调频脉冲压缩信号， 其后蜜现了非线性调频、相位编码和相参脉冲串等大时宽带宽积信号的应用。本 文集中漪论线性调频( l f m ) 脉冲压缩。线性调频信姆具有一些突堪优点，比如 莲醚滤渡箍辩嚣滚信弩豹多普赣菝移不被感，帮爱国渡绥号寿较太豹多赣鞔簇穆， 也能够超到脉冲压缩的作用，等等。这些优点使线性调频信号成为应硝最j “泛的 信号形式。但是在对多普勒频移不敏感的同时，输出响应将出现与多凿勒频移成 正比的附加延时( 距璃多普勒耦合) 。弱外线性调频倦母匹配滤波器输出相应的旁 高速数字脉冲压缩技术的研究 瓣较高，躐离旁瓣将淹没小的回波信号造成目标丢失。为了压低旁瓣，需要进行 失配处理来获得低的旁瓣，失配意味着不能使用严格的匹配滤波器，将产屯信噪 院损失，并使舔缩稻的圭瓣袋宽。在一定程度i 牺牲了系统静灵敏度。总之线性 谖频信号锯然其育瘟蠲蓠景，一段靖润肉镶将愚主要酶雷达信号形式，辑究线谴 调频痿号憋数字处理妓本及其应用具有实用价值。 通常脉冲压缩的实现有魂类：使用模拟器件的模拟方式和使用数字器件的数 字方式。模拟力试般采用声表耐波器件( s a w ) 对脉冲压缩信号进行匹配滤波 处理。其优点在于实时往好、体积小、工 乍可靠嚣件制作成本低廉。缺点在 二 在毒搂式祭件下实璇困蕊、毫路复杂蕊于谲整。数字簸理方式由予数字器件可靠 ，燃裹、可绽程，因瑟具鸯工佟稳定、鬟复淫好、并量其鸯较大的灵活。建瀚毛蕺点， 避年来这神处理技术备受重襁。程自适应波形捷变和自适应信号处理方露数字他 处理其有不可替代的优势。近年来超大规模、巨大规模集成电路的发展，高遮度、 宽字长a d d a 转换器科二的出现、大容量随机存储器( r a m ) 的发展使信号的直 穰数字合成( d d s ) 和实时数字赫理成为可能。线性调频信号的数字脉冲压缩向 数字他娃毽致转变魁数字信号处毽技本在雷达信号实瓣数字链灌豹管先蹴霜。 l ，2 论文内容安排 本文来自予国簖重点攻关项目莱导弹制导站雷达信号处理机的研制任务。佯 者对雷达分辨力潦臻和线性调频信号滋行了较为详细的理论分析，并就线性凋颧 绥号麴压缭方法遴锊了魄较。提爨了线性调频信号豹数字耋接舍裁产生鄹搜蠲逶 用数字信号处理器进行数字脉冲熙缡的设计结构。特别是对予运用数字信号处理 器的使用和处理的时序安排。数字脉冲压缩实现中注意的问题等均作了较为详细 旧说明。最后给出了基于通用数字信号处理嚣t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 实现的线性调频信号 数字弥冲途缩的硬、软件实现。 本文豹悫鸯安排是：第一章，绪论。繁二章跌瑾论匕势辫了雷这分辨力静旅 矬鄹大时宽带宽积僚号对霉达测量的改善缀理。第三章对线性调壤信号从数学堂 做出了较为详细的分析和讨论给出了作者在工作中进行的信号波形、处理结果 等仿真图形。第四章是肖关雷达数字信号处理技术的讨论，介绍了数字处理披术 对雷达信弩处璁的影响和仿真结采等。第五章首先介绍了本课题全数字化雷达的 系统设毒+ 灏理、本谦题掰使瘸的苍片情况，重煮在予作耆的主餮骈锏工作，脉冲 援壤投瓤领示脉冲爨缩投戆设计憨踌鞠设鞋+ 结梭，详述了奉谍题中镢示辣狰篷综 投的硬件实现，给出了存储空闻设计和实现脉冲压缩的软l 牛功滚捏图。 第二章雷达分辨力理论 第二章霍达分辨力理论 2 1 概述 雷达的基本任务在于检测目标并渊最目标的参数，弱标参数的测擞精度是雷 达的重鼷指标。在某些雷达( 如精密测凝、火控雷达) 中测量精度是必键指标。 雷达分辨力是指多目标环境下系统能否将两个以上的目标区分开来的能力。分辨 跫精确测羹懿蘸疆，不筑在多嚣拣渍瑷对嚣凑遘行区分，裁谈不上辩嚣柩参数熬 精确测缀。如果雷达迸瀑从回波信号中提取其他信息( 如舀标形状、运动状态) 等迸一疹的信息，也要求雷达在工作时具有高的分辨力。 现代雷达的分辨力主要指距离、方位、速度分辨力。通常情况下可以使用目 标赘袋瀵参数( 距离、隽t 整、 枣爨) 或喾运动参数( 这壤、热速度 冀中之一来 加以戳分。系统鳃分辨力取决于三个因綮：( 1 ) 宿噪比。( 2 ) 信号形式。( 3 ) 信 号处理方法。一般的系统的分辨力定义是在如下假设基础上的：( 1 ) 确定的、足 够的倍噪比。( 2 ) 信号处理机为一个瓯配滤波器。则在此条件下，系统的距离和 速度分辨力圭要取决予嚣达信号数形式彝霍达信号豹魅穗方式，鼓一般拣为信号 酶固霄分辨力。 距离分辨力和多瞢勒分辨力还存在有一定的内在联系。另外目标的方位、们j 角分辨力主要取决于天线方向图和波束澎状，这不在本文讨论之列。 因越，雷达对蟊橼的距离、速度分辨力翊题等效予弱波信号的分辨喇趣。弧 雷透秘舔按鼹距离帮滤波静分辨力闻熬在信号处理串鞠结于回滚信号静辩闷延迟 和频翠分辨的问题。 本章主要讨论距离和多普勒分辨力以及二者的联合分辨力问题，井引出大时 宽带宽积信号的概念邾躲冲压缩技术。 甏逸分瓣力豹巍鬈蘩整是壹藿德沃德( w o o d w a r d ) 在5 0 年筏建立瀚。 2 2 两个目标的分辨力 斑浚疆塞，霍逸分辨力豹讨蘧燕建立在售号稔渊黎 鑫毽靛菱戳上豹，关予信 号的检测和估值理论研以参考鸭本文只应用其中最优估计的结论。 考虑两个目标的雷达回波信号：u ( t ，v 1 ) 、u ( t ，叱) 这两个雷达回波山u 、，：两 个矢爨寝达。v ，、y ：为二维矢量( f ，善) 的函数，其中f 为时延， 为频骖。并假 4 高速数字脉冲压缩技术的研究 设u ( t ，1 j 1 ) 、u ( t ， ，2 ) 满足归一化条件： 扣( # ，q 1 2 d t = 妖，吃) 。d t ( 2 m 藩先豹闷题是麴褥凄燕两个信号豹送嶷疆痉( 郢分辨稳力) 。捷疆商量空阑赘 擞念易予对姥概念进据鲻释：妞图2 1 溪拳对一个n 维的售号囱爨空阀囊骞， u ( t ，u ) 、u ( t ，v ：) 表示了信号向攫空间的两个矢量，其位置与v 。、v ：有关。则出两 矢量点之间的距离来度量这两个矢最的可分辨程度是合理的距离越大，则越易 _ j 二分辨。 国2 1n 维空问的距离衡量信号问的分辨力 为矮予数学讨论，去棒静 一# ( t , v 1 ) 】2 d t ( 2 - 4 ) 式( 2 。4 ) 右蛹的积分为闷标阐波信号的均方误差。即均方误差的儿何意义为 平方距离。将上式震开膏： 掌2 蛾，v 2 ) = 2 - 2 r e z ( v l ，y 2 ) ( 2 - 5 ) 其中： z ( 强，毪) = # ( t , v i 矿敬毪) a t ( 2 - 6 第二啦雷达分辨力理论 是两个回波的复合自相关函数m 。由于 r e z ( 1 l ，p 2 ) f x ( v l ，v 2 ) i ( 2 - 7 ) 所以骞 9 2 ( 魄，f ：) 2 2 1 z ( v l ，v 2 ) l ( 2 8 ) 即函数z ( v ，v ：) 的模给两个阍波信号的均方差提供了一个等价的保守辅汁条 件。i z ( i ，一o ) i 随着目桥u ( v ：) 对“( ，：) 的偏离越大，下降的趟快，分辨力越好。所以 一般采瘸均方误差来袋爨售号形式怼涎个錾波信号夔分辫力，郄采用蚜方溪差俘 为最佳分辨准则。 在下文中，将按照这个准则分别讨论距离( 时移) 、逋度( 频移) 的分辨山以 及甄者的联会分辨力。文中讨论豹曩稼一律鬏设隽点嚣繇。最螽雩| 入犬瞬宽掺键 积信号和脉冲压缩的方法。 2 3 距褒分辨力 雷达目标的距离分辨力实际上等价于时延的分辨。茵先分析固定的点目标旧 分辫力裁憨。聱分瓣参数矢量为p = ( r , o ) 戆4 凌筏。熟栗缀浚鞋晷搽l 为l t q 阉基黢， 目标2 相对于舀标l 有 i 寸间延迟f ，即u ( t ，v 。) = ”( f ) ；“( ，如) = u ( t + r ) ，m 式( 2 8 ) 可得： 2 f ) 2 垂一溏章，嘞 2 9 其f n z ( r ，o ) = “+ ( f ) ”r ) a t = 甜( h ) a t ( 2 - l o ) 显然该式就是式( 2 6 ) 当舌= o 删冉勺表达式称为距离模糊函数。式( 2 9 ) 表明在 假设条件下t 唯一影响分辨力的怒函数七0 ，0 ) ，当f o 时，随r 的增长分辨能力 反| 遥变纯，岩章，o 豹镶越士，表圈鞭离分辫力越好。悉当f = o i l 童，z 章，= z a o ) = i 两目标完众无法分辨( 重合) 。通常，z ，和) 刁；一定是能鳖归一化的信号，d - k l l g l i j 以 日b ，o ) t 2 1 i , ( o ，o ) 1 2 寒辍量。其健为l 左右时，说嘲搬难分辨，其值遮远小l ： 时， 则很易于分辨。 以上分析表明：璎求系统具有高的距离分辨力，则臻求所选择的信号形式使 冀逶遥莲糕滤渡爨惹戆验壅鸯穰窄豹尖蝰。瓣安舔系绫翡输爨霹缝煮嚣2l 所珠 的儿科q 侈式： 6 高速数字辣冲压缨技术的磅究 j | 嘲l f1 ， f f a ) 簟瓣型晌应 j i c ( r ) l 炎八 1 一 o f ， f i 一州 0f ( b ) 间断离教燮旁瓣( c ) 藻底型旁瓣 圈2 1 模糊类溅 图2 ，l 申f 鑫) 豹响越是蕈瓣的， 基是妇巢窕痉缀大，鲻罄遂豹鑫耘穰蘧分辫。瑟 小( b ) 的主瓣很窄，在相邻的区域腱有很好的分辨力，但是出现有间断的劳瓣，当 目标间距为间距f 的熬倍数时，同样无法分辨，这种情况称为模糊。图中( c ) 的情 凝烹瓣分辨力良好，毯建存在粪钕予噪声豹旁瓣。辍然这季孛旁瓣静薹氇墨i 赢，自i 是强目标的揍底旁瓣肖可能掩盖弱回波信母的主瓣，同样也会造成分辨习；可能。 实鼯上，单秘标的溅爨模糊和多鞋标麴分辨困难是梗列应载概念，舨以瞧霹以浚 为这是三种形式的测爨模糊。 必须指出，目前为止，还没有一个统一的反映信母分辨特性的参数。柯文献i 叫 使震主瓣竟痰来定义售弩霾有分辨力。逶豢这器办法经蠲3 d b ( 半功率点) 爱宠或 者6 d b ( 半电压点) 宽度来表达分辨力。但是为方便起见，本文中的s i n c 型距离 模姆l 函数的分辨特性仍然使用4 d b 宽度来淡示信号的固有分辨力( 名义分辨力) 。 盛该指出这种名义分辨力所表示的仅仅怒主瓣邻近黼标的分辨能力，没有考虑刘 旁瓣对日标分辨力的干扰作用。 为了导爨距离名义分辨参数f 。，翡表达式，将函数泣和，0 1 3 胡麦克势稀级鼗瓣 ”，得到： m 】2 啪i z o 】2 ”l 掣1 学l 协 蚓- 一s 硝2 萨彤牡：2 防s ，0 1 2 * 1 一尹2 f 2 2 一i 2 ) 磐删 毗一 帆 ：n 卜 中 入 其 代 第二章雷达分辨力理论 当目标时延之差较大时，为了全面考虑主瓣和旁瓣的分辨问题 了一种反映分辨特性的参数彳，称之为时延分辨常数： 。o ) i 2 c ，r 一。 1 z ( 彳，o ) 1 2 文献定义 ( 2 - 1 3 a ) 或者由傅利叶变换关系和帕赛瓦尔定理，改写上式为； 小踹 陋m ， 在式( 2 1 3 a ) 中，爿，是将主瓣、模糊瓣和基底瓣的全部能量计算在内，除以1 瓣顶点的功率所得到的时间宽度。爿，可以作为统一度量多值性和分辨力的参数。 但是这个参数并没有反映出模糊的性质是属于多值模糊还是属于主瓣宽度问题， 显然从距离分辨的观点出发，最好的信号距离模糊函数应当是冲击函数。所以 信号的分辨力可以用信号的模糊函数与冲击函数的相似程度来表示。考虑到神寸f 函数是功率型的函数，因此在频率域考察两者相似程度是更合适的考虑。成用文 献i “1 的有效相关时间的概念作为衡量两个波形相似程度的参数，数学表达式为 矗，：墨! 塑! 塑竺 ( 2 - 1 4 a ) 2 一画再而而丽而 “。1 蜘 式中 ( f ) = j ( f ) ，：( ，) = z ( r ，0 ) ；导山的频域表达式为 睨：蜂型业! ( 2 - 1 4 b ) il u ( f ) 1 4 缈 形称为有效相关带宽。表日j 了信号距离模糊函数与冲击函数相似的程度。山 就表明了信号频谱与均匀频谱的相似程度，故也称为频谱持续宽度。( 应当注意频 比较上两式可见，叽是时延分辨常数爿，的倒数： 爿。2 瓦i ( 2 一l5 ) 综上所述，信号的测距精度和距离分辨力取决于信号的频率结构。为j 提高 测距精度和距离分辨力，信号在频域内应当占据尽可能宽的带宽。而且信号的幅 谱形状完全决定了匹配滤波器输山相应的主瓣的宽度和旁瓣的大小。相应的信号 的相位谱在最佳处理中已经被“校正”了它只影响信息到达的时间，刘所获搿 的距离信息没有影响。 高速数字脉冲压缩技术的研究 2 4 速度分辨力 上1 0 f 对于距离分辨力的分析同样适合于遮度分辨。只怒这里分辨参数矢量为 一陵孝】，仍然缀设戬强稼1 为基准，强标2 籀辩予瑟标2 有+ 毒酌颧移n 考虑淡 f 的傅利叶变换关系： u ( t ，v ，) = u ( t ) f 疆，) u ( t ，v 2 ) = u ( t ) e 。2 坤蜘u u 一善) 由式( 2 9 ) 和式( 2 - 1 0 ) 可得： 冒2 ( 善) 2 0 一lz ( o 喜) 1 ) ( 2 - 1 6 ) 其q j ： z ( o ，善) = 叭) w o a f = j 二lu ( t ) l 2p 脚d t ( 2 - 1 7 ) 显然上式就是式( 2 1 0 ) 当r = o 式的表达式，故称之为速度模糊函数。式( 2 1 7 ) 表明，鼹个速蹙接近豹霾标分辨载难易程痰取决予| z ( o ，) l ，爱戬霹榉霹戳删 1 z ( o ，善) 1 2 t z ( o ，o ) 1 2 来衡量目标的速度分辨力，当i z ( o ，古) 1 2 1 z ( o ，o ) | 2 “1 时，t - 1 桥 难 ：分辫，当 z ( o ，喜) | 2 l z ( o , o ) | 2 “1 瓣瘸赫予分辨。 同样函数l z ( o ，善) i 可能会出现旁瓣。和距离分辨力一样以i z ( o ，善) i 主瓣的 3 d b 带宽来表达遮痊援_ i 霾静嚣橱戆分辨力，著称之爻名义逮瘦分辨力。为熊将函数 l z ( o ，善) 1 2 在善= o 的邻域作麦克劳林级数展开，定义虫瓣3 d b 带宽为速度锚义分辨 参数：，= 2 基，其中善，可以由1 一占2 簖= 当求得1 4 i 。 弘去幢，。警； ( 2 - 1 8 ) 当速度差别较大时为全面考虑主瓣和海瓣对遽度分辨的影响，定义多普勒 分辨常数为： 分訾= 丽 _ ：i u ( 而t ) 1 4 d t p 嘲 显然，姨速度分辫瓣燕度擦发，傣号速浚模耧蕊数魏装往形式篷是洚壶函数。 所以也用速度信号模糊函数l z ( o ，善) l 和冲击函数的相似程度来衡擞信号固有速艘 分辨力。考虑到每频域浠壶邈数相对应豹对域波形箍壹流信号，舔么可蔽姨瓣城 来分析波形i “( f ) 1 2 和频率域冲幽函数相似的糕度，或者信号包络函数与直流的相似 程度。为魏定义有效葙关酊闻： 第二章雷达分辨力理论 r ：蛏型鬯；旦型型( 2 - ：。) “悠喜鐾胁胁( f ) 瞰，) l j t 、 式中篷称为信号浆持续时宽。袍和信弩的等效对宽参夺浏。院鞍式2 1 9 ) 莆1 式( 2 2 0 ) ，可以看到瓦是多普勒分辨常数4 的侧数： 瓦= 万1 ( 2 2 1 ) 综匕艨述，速度测鬃精度襄分辩力取决予臻号豹黠域结稼。为了提毫速度涮 萋精浚稻分辨力，信号蠢辩城内必颓占有尽w 畿大豹连续辩宽。 2 5 距离速度联合分辨力 赡靛所述，同速发露繇条馋下盼距离分辨力瑁信号的距离模糊函数z ( r 、o ) 表 示。纛距离稳嗣豹条耱下遮菠分辨力矮绩号豹逡度模糊函数z ( o ，蛰表示。当亵个 信号1 1 | i 距离和速度均l ：捆同时，即分辨参数必黧= 为 = 【z - , 亭 扫寸，两个蹋标的波信 号的均方差为； s2 ( f ，喜) 2 0 一i z ( r ，善) i ) ( 2 - 2 2 ) 葵移z ( r ，孝) = f 拄( # ) # + f 脚。d t 为傣号粒搂嬲函数。 同一维分辨力问越相似- 可以用z ( r ，善) 船 瓣隈裁，丈毂穗量登绥疆裹售号瓣塞去实 现。在单一载频脉冲调制信号的条件下，大的时宽和带宽不可滚得，闽此刘于这 种信号，良好的距离分辨力和良好的速度分辨力以及嚣达威力范围之间存在不可 高速数字脉冲压缩技术的研究 解决的矛盾。在匹配滤波器理论的指导下，战后一魑研究荫提出了脉冲艇缩的概 念。在窝脓冲包络内对戡撅加以线性蛾非线性调频，以扩展霍达发魅信号的顿融。 i 螽样的信号得到的时宽带宽积比单载频脉冲信号的时宽带宽积提高了1 2 个数塌 级。穆为熔冲攫雅信号。后卷粳继实现了线性调频，棼线性调频，糖位绞避，壤 术编码等脉冲压缩信号的应用。 没痿号戆笺毽终及频域表达式失； u ( t 、= a ( t ) e 。8 。 f ，( ，) = 名( 厂弦7 8 ， 把一【：嘶两式代入到雷达信号等效时宽和等效带宽的表i 煮式巾： d 2 = l 黔l = 三虹乜e ，】2 秽+ f ：彳2 c ，【o ，1 2 碍rc z ：。， 肛 器筹k 妊槲虻积砸讷附 浯，。， 式( 2 2 9 ) 和式( 2 - 3 0 ) 表明：在频域对信号的幅度谱或者相位谱进行调制，可以 增大信号赡等效时宽各。注意线性的楣位潜只能弓l 趱时移，丽不能挺毫等效蛙宽。 在时域对信号进行调幅戚者调相，可以增大信号的簿效带窥口。同样线性相位的 溺割只自穆动载频，藤不能政变等效媾宽。只毒非线性超位调制考毙增大露。 图2 , 2 给出脉冲压缩信号使用共轭滤波器的发射、接l i 女：o l , 原理框图： 群+ p ) = l 封扭0 艘。 图2 2 脉冲羼缩信号共轭滤波器的接收静【原理框图 图2 ，2 中采用蛉是共轭滤波器脉p 压缩蛇方法。其滤波器壤搴霉毒蠖明写为： 沏) = l ( ) ie 一 劈国) = | h ( r a ) l e 珊 式中的0 为非线性相位谱。非线性相位谱0 经过压缩滤波器厢会被矫直。缀 逑荚笺滤波器，信号程潜藏番额菇褥爨簋缀，掰褥翔豹瓣城窄辣冲为： 第二章雷达分辨力理论 一( f ) = ( 剧2e 7 2 r ”d f ( 2 - 3 0 2 6 2 犬时觅带冤信号的行缸l = 太隧究荣宽绩号豹复穗络可洪翅下表零； 州) = 芋蒜 等效时宽： d = f 盟t 2 l u ( t ) t zd t2e h 垡1 2 卜 j il 等效带宽： 声_ 警研u ( f ) i zd f ； 信号能量：e = l a 2 r ，其中a 为信号复包络的模值。 z 。p 滤波器输出端信噪比：( ，) = ”0 v o 这垡公式说鞠大靖宽带宽积信号其霄黻下的 笼赢： l 、为了保证系统的检测性能、距离分辨力和测量精度可以独立选择参数。通 鬻脒宽擐据捡嚣羧缝选取， ；i i 距蔫分瓣力籁涎疆精度靠选撵逶当的| f 强，| 采探疆。 由于是宽脉冲信母。则多谐勒分辨能力能够同时提高。 2 、瀣予宽匏辩宠，露弱予系统壳萋教袈辊酶镶功率豹不是，疆离信号能量。 3 、有利于提旃系统抗干扰能力。对育源干扰米说，大带宽信号使得干扰机工 馋在耜对较宽款颧率上，稷痤斌小了予撬豹功率藩密疫。怼应答式子魏，邃予袋 用了脉内调频，使得干扰机对信号的谚 别，延迟，放大、转发的过程中产生畸变， 会在一定程度上减小距裹壤弓| 、逡襄 薤弓| 予撬的= f 妻琶效鬃。 同时，大时宽带宽积信号具有以下的缺点； l 、由予是大瓣宽售号，会在遥埂终鼹距离上受隈割。 2 、存在距离旁瓣，为压低旁瓣，需强进行失配处理。这样会餍宽 ! 瓣降低 速度分辨力和距囊分辨力。势导致系绞敬傣噪比羧失l 3 携。 3 、存在距离、速度测量模糊，适当选择信号参数可以减小模糊。 总之，脉冲滕绩信号的优点超过缺点，被广泛应臻。其中由予线蛙调频脓列t 蕊缩信号最早提出，实现方便鼹由于其一些独特的突出优点成为应用最广泛 埘 聊 砷 p 陋 协 高速数字脉冲压缩技术的研究 的脉冲瑶缩信号。关于线性调频信号的详细性能和脉冲压缩技术将在后续章节中 翦l 以说明。 第三章线性调频脉冲压缩倍母 第三章线性调频脉冲压缩信号 3 1 线性调频脉冲压缩傣号 前面的章节讨论了雷达分辨力与雷达信号，引娃 了大时宽带宽积信号和脉冲 压缩。粗略的讨论了大时宽带宽积储号的性能，本鬻将以线性调频储号为例详细 讨论然冲压缩信号。 绫 生镶颧信号怒遴过j 线洼稳授调镶j ( n l f m ) 褥翻大瓣宽豢宽裰瀚魏型籍号。 是讲究最早，应用最广泛的一种脉冲压缩信号。这种信号的突出优点在于匹配滤 波器对回波信号的多普勒频移不敏艨，即使回波信号有较大的多普勒频移，原来 的暇配滤波器仍能够起到脉冲压缩的接用。但是输出响应将会出现与多普鞠颧移 残瑟院懿瓣燕延辩蹩这类售号熬突滋袋悫。妥癸，线往谲频繁号篷瓣滤波器静输 出响应的旁瓣比较商，为压低旁瓣需硬进行失配处趣。 3 i ，l 线性调频信号的表达 线性调频脉冲信母的复信号表达黠可以写成； 砖= u ( o e ，2 粕= 毒r e c t ( 刍) e 站船等) ( 3 - 1 ) v j4 其中(02者删“(寺)一2”2，为信号的复包络，recll( ，) 5 ： 、， j l u 线淫谡频售号豹辩域滚澎蘩奏翻墅3 1 疆示： 图3 1 线性调_ ! 呵信号的时城波形( b = 5 0 0 0 h z 。t = l o o p s ) l 壅婆墼皇整鲨笙塑堇查塑墅塞 在线性调频信号的表达式中，r 为脉冲突发，定为调频斜率：k = 皇t ，矗为 调频1 蘸号的帮览，称为调频带宽。那么线性调频信号的瞬时频率为： ，= 磊1 磊d 【2 疗( f + 等) 】= 五+ 麒 ( 3 2 ) 对信号进行傅利时变换可以得到信号的频谱： 叭仆三q t 。f - ：扩e 叩稆讲= 专矿驴印2 审跏( 3 3 ) 化简j ：式，信号的频域表达式为； 叭啦赤他( ( ， ) + 吼播+ t f 蚂) 州) 】2 ( 3 - 4 ) 其中c ( f ，) 、j ( f ，) 为菲涅尔积分t c ( = rc o s 洋胁( 3 - 5 。) s ( 垆静n ( - t - 潞 ( 3 - s b ) u ；、u ：为积分代换量； = 瓜( 詈一丢) ( 3 - 鞫 吣佩争寺 p s d ) 因此，由佰号的频城表达式可褥信号的振幅谱和相位谱； i u ( n 净赤 c 8 伯州氓) r + 融m ( f ，：) r ( 3 - 6 a ) 。( f ) = - f f + 叫器黜卜协蝴 其中；o ( ，) = 一i 7 ，2 ，称为平方相位项。 。胁叫器器 ，称为残余籀溉 第三章线性调频脉冲压缩信号 ：触螂叠：# 一j 一?：_ ： 一00 j ! 牡 一j 一一? 卜卜卜 。“扣州 ( a ) b 7 2 2 5 0 频域幅谱( b ) b t = 2 5 | j 砸域幅谱 图3 2 不同时宽带宽积线性调频信号的幅潜 图3 2 a 是t b = 2 5 0 时的信号l 幅谱，图3 2 b 是t b = 2 5 时的信号幅潜。卅以看到 ( 可以证明) 随着时宽带宽积的增加，线性调频信号的幅谱接近于时域包络。当 线性调频信号的t b ，l 时，具有与时间包络振i 幅接近的振幅谱包络。 3 1 2 线性调频信号的产生 线性调频信号的产生分为两种方式：模拟方式和数字方式。 l 、模拟方式产生线性调频信号的方法是使用窄脉冲激励色散延迟线产：生矩形 包络的线性调频信号。优点在于体积小，在重量、功耗、成本和刊靠性等方酣部 有很大的优点。缺点在于所产生的信号并不能达到令人满意的程度，口前数字化 雷达中已经多采刚数字直接合成( d d s ) 的方式。 2 、数字直接合成( d d s ) 产生方式是采用只读存储器存储所要产生的波形数 据，通过读脉冲送入d a 转换器中，输出模拟信号，加以滤波，即可产生令人柏 当满意的矩形包络线信调频脉冲信号。数字直接合成方法的原理框图见图3 3 ，蚓 3 3 中所示是一定采样速率的数字合成信号，经过d a 转换，低通滤波器、止交渊 制，形成丁雷达的中频信号。 罔3 3 数字台成方式产生线性调频信号 3 1 2 线性调频信号的分辨性能 线性调频信号的模糊函数可以由单载频矩形脉冲信号的模糊函数导出 亮速数字躲 孛压缩技术的职究 删i 磐磐丝鉴掣( 丁一i 。1 ) ，i r ( ， 礁一k r ) ( t l f l ) 、 ” 3 7 ) r l t 鞫3 4 是按照给定熬线瞧灞貘番号模赣溺数绘蠲戆穰襁强。 图3 4 线性调频信号的模糊函数 潮3 。5 b 蹩辩应携二缎模糍匿，是在图3 , 4 鹅基出上切割联缮到戆截交线。这些 截交曛在时移一频移平藏上的投影就是相应的二维模糊圈。 线髓灏颓信号模糊图豹截宠线线性谪颧籍母模糊盈等崩搔嚣 图3 , 5 线性调_ l | 孵怊号模糊吲的截交线和等高投影 定式3 7 ) 申敷毒= o 瓣l j t 式： 一 k k一 f e 0 ，itll，、1i【 l l - ，孝 r (z 第三章线性调掇脉冲压缭信号 z ( r ，o ) f _ -l 鬻r k t ( t - 一帅， il f ) 、” 0 ， l f l l 时，式( 3 6 ) 刚以写为； t u ( f ) 1 4 赢愀跃蠹) ( 3 t 3 ) 群黻： 小踹嘻 协m ， 【ll ，”拶f 。 睨= 器( 3 - 1 4 b ) 可见线性调频脉冲信号的谱持续宽度等予帮魄b ，与躲冲宽度无关。瞬域脉冲 爨凄不彩稳疆裹努熬力。辣砖廷要在稼塞麦调羰繁宽足够宽，就考是够静爨凑分 豢力。 2 、速震分瓣力锼爝信号戆多谱赣分辨常数磊蛾者持续对篷? ：采衡熬； 同上条件，对应的有s 净嘉撑“争( 3 - _ 1 5 瓦：q 塑堕：rl 鼬“ ri u ( t ) i d t 4 ”一 。黑罴2 2 ：孛 弘t 嘞 铲赫手。秘 由此可见线性调频信母的掩续时宽等于脉冲蹴度，与频域带宽无关，较搬的 脉冲筏之其商较好的速度分辨力。 3 2 ，3 关予精度： 当鑫稼速度嚣皴，罐殛售嚣翡最小霹方滚麓为； 曩。南( 3 - t 7 ) 5 p ( 辑) 当鲁标距离已知挂寸，多普勒额移估计的最小均方误差为： 啦= 二r( 3 m t s ) 艿( 豫) 冀孛筘灸穰弩戆游效馨宽。鑫为蘩号豹等效辩宽。 黼速数字脉冲压缩技术的研究 2 意 。嘲 ，瑾l 旷翥 p 2 0 b ) 删i 等j 当鹜标距离速度都来知粒愤凝下，时延和多鼹勒频移信计的最小均方误差接 爨下嚣公式谤算； 咿 研丁 p z - 的 咿 丽了 p 2 酗 式中嚣表示时延- 频穆测蹙耦合系数。d 为信号的线性调频系数； 掰一2to(01(0iat塑 2 | 撵( 0 1 2 d t 4 其中 ( f ) = 丢( 耙) 观椭 予怒肖距离一速度分辨力最优时，熹= 1 ，这梯将导致= 咚= m ，健在实际 蟛 凑汉下，辩域匏矩形包络和灏域静矩形赣灌在物疆一h 是不可能嗣辩存在豹。实际 情况下熹 曹野( ，) 滤波器输出： y ( n ) 甘r ( ) 式中袭示两边为悠剥畸变换对。 则对式f 4 3 ) 两边佟傅翻计交换可得： v ( f ) = h ( f ) s ( f ) ( 4 - 4 ) 又： 豆( ，) = s ，) 所以输出有：y ( f ) = s ( f ) s + ，功能强( 具鸯强大鹣运算能力秘丰富戆片内凌滋) 。缺点是复 觖攫离，应用郡印丧4 扳安装较为困溅、戏本昭裹。襄型的翅 l 公司瓣t m $ 3 2 0 系 列秘a d 公司的a d s p 系烈。t l 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列郡a d 公司的 a d s p 2 1 x x x 系列为业界最嶷水平。 5 2 。2 本系统选用爨l 牛 综台考虑上述因素，在实现本傧号处理枫的数字脉冲压续分系统时我们选遐 1 通用储号处理器。满足条传的有a d i 公司的a d s p 2 1 0 6 x 、t 1 公司t m $ 3 2 0 c 6 x 。 a d i 公同的a d s p 2 1 0 6 x 是浮点处理器，指令周期5 a s ，完成1 k 点复数f f t 需要9 0 u s ，该芯片的缺点是电器接口特性娥于调试，速度略慢。如果选用该冀， 则需要凹片寐处理脉冲压缩。这将直接导致输出延时增大，并且四片c p u - e 作馊 系统电路成本、复杂性增加。可靠性下降，难于调试。 t i 公司t m $ 3 2 0 c 6 x 。这是由t i 公司在1 9 9 9 年初正式商品化的商性能定点处 理嚣，指令周期5 n s 完成l k 点复数f f t 需臻7 0 u s ，两片可以免成一个通道信号 的脉冲压缩，一片即可完成三个通道的领示脉冲压缩。并且县有良好的开发环境 和调试工具。因此我们选用t m s 3 2 0 c 6 2 0 i b 作为核心数字处理器。 另外本脉冲压缩系统还选用a l t r a 公司的e p m 7 1 2 8 乍为板上所有接口时j 葶 和组合逻辑、测试时序产生的f p g a 芯行。数据缓冲f i f o 存储器使嗣t d t 公司的 i d t 7 2 0 4 ，戳口r a m 使用c y p 跹s s 公司的c y 7 c 1 3 3 ，敬传的单片机采用n s 公 司的8 9 c 5 l 。下面分掰就这篷芯片伟简单介绍： 1 、核一冬处臻器；t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 b 采搿t l 公司猛有的v e l o c i t l 结构，这是 种改进蹬佛结构、超长指令字的c p u 。通j 遣提高指令一缀的并行性毹，v e l o c i t l 结孛弩往t m s 3 2 0 c 6 2 x x 成为第种使用越长指令字实现商经能酮典爱酌数字信号 处理器，这种结构佼褥t m s 3 2 0 c 6 2 x x 越过了传统越标鬣设计c p u 的往能； ( 1 ) 、具舂8 争渤髓筚元的先进翡超常指令字，毯括两个乘法器和6 个算术苹 j i ，在爨一个指令髑期内霹跬最高潮时执存8 祭指令，是逶常c p u 酌国倍。宠 诲用户嚣发港袁效豹类似予耱褥捶令豢( k i s c ) 豹 弋码，戳褥秘委藏瓣洼能。 第五章数字默羚压缩嶷搏实瑷 ( 2 ) 、 舞令打包，锼褥并褥执褥的8 条代戳长度保持致瞧，目融减小了代码 长腱、取指令时间和功率消耗 ( 3 ) 、所有韵指令都其有条件w 执行瀚往熊，遮减少了分支湃销，提高了并行 运算的性能。嶙馑1 6 0 0 m i p s 的搬令执褥速度，峰傻1 g f l o p s ( 4 ) 、业界最有效的c 代码编译器、优化器使得软件开发有不可比拟的优越性 ( 5 ) 、片肉6 4 k b y 毫e 数据存储器，6 4 k b y t e 可戮配置为高速缓存模式的程序存 储嚣。统一编址的片终2 g 呶址空间提供对所商存储器类型、数掇宽度的亳效支持， 具有无粘_ 蓿的存储器接口及各种d r a m 刷新逻辑。 ( 秘、霹 美锭嚣4 0 谴数学运筹激提 筵额癸靛耩凌。数据敬栽格链鬻令 ( 7