（信号与信息处理专业论文）雷达杂波抑制及工程实现技术.pdf

摘要 杂波抑制是雷达信号处理中的重要组成部分。区分运动目标的和杂波干扰的 基础是它们在速度上的差别，这一差别反映在回波中是它们所具有的不同多普勒 频移。于是在时域互相混叠的目标信号和杂波有可以通过频域处理来区分，从而 达到杂波抑制的目的，主要方法有动目标显示( m t i ) 技术和动目标检测( m t d ) 技术。m t i 为带阻滤波，m t d 是在m t i 的基础上发展而来的，为带通滤波。两者 相比较，m t i 为准最优滤波处理，而m t d 为最优滤波处理，所以在杂波较强目标 较弱的情况下，通常采用m t d 处理。论文按照上述过程先分析了m t i 对消器的结 构框图和频率响应特性，然后对m t d 多普勒滤波器组的两种设计方法一m t i 加f f t 和f i r 分别进行了介绍。最后结合实际课题就基于f p g a 的多普勒滤波器组的实现 进行了详细探讨。对于工程的相关问题：数据转换、f p g a 的设计思想和技巧、流 水设计乘加器、滑窗式滤波器组的硬件设计等做了详细的分析和讨论。 关键字：杂波抑制 m t il g r df p g a a b s t r a c t c l u t t e rs u p p r e s s i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g t h e f o u n d a t i o no fd i s t i n g u i s h i n gt a r g e t sa n dc l u t t e r si st h ed i f f e r e n c ei ns p e e d t h a ti t r e f l e c t si ne c h oi st h e i rd i f f e r e n td o p p l e rf r e q u e n c y i no r d e t - f 6s u p p r e s st h ec l u t t e r , t h em e t h o do fd i s t i n g u i s h i n gt a r g e t sa n dc l u t t e rb ys i g n a lp r o c e s s i n gi nf r e q u e n c y f i e l di sa d o p t e d ，w h i c hi n c l u d e sm o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( m t d ) a n dm o v i n g t a r g e ti n d i c a t i o n ( m t i ) t h et e c h n i q u em t d ，a sab a n d p a s sf i l t e r ，i sb a s e d o n m t it h mi sab a n d s t o pf i l t e r b yc o m p a r i n gt h e m ，i tc a nb ef o u n dt h a tm t d i s m o r ev a l i dt h a nm t ii nf i l t e r m t di su s u a l l yu s e do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec l u t t e r i sm u c hs t r o n g e rt h a nt h et a r g e t s f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h e s t r u c t u r eo fm t ia n di t s c h a r a c t e r i s t i c si nf r e q u e n c yf i e l da r ea n a l y z e d t h e nt w od e s i g nm e t h o d so f d o p p l e rf i l t e r s m t ia n df f t f i ra r ei n t r o d u c e ds e p a r a t e l y 。i nt h el a s tc h a p t e r , t h ei m p l e m e n t a t i o no fd o p p l e rf i l t e r sb a s e do nf p g ai sd i s c u s s e di nd e t a i l i n a d d i t i o n s o m er e l e v a n tp r o b l e m ss u c ha sd a t at r a n s f o r m ，t h em e t h o da n ds k i l l s a b o u tf p g a ，p i p e l i n eu s e di nm u l t a d dd e v i c ea n dm o v i n gw i n d o wf i l t e r sa le d i s c u s s e di nd e t a i l k e yw o r d ： c l u t t e rs u p p r e s s i o nm t i m t d f p g a 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；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用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：蟹缢日期：兰塑】：q l 兰之 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用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：壑垦盗 日期：型! ：旦：兰墨 导师签名：当丞峻日期：2 1 丑：兰三 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究的背景与历史 雷达所要探测的目标一般存在于各种复杂的波环境中，如地物杂波，海杂波， 云雨及敌人施放的干扰等。这些干扰可能相对于雷达是不动的，如地杂波，可能 是低速运动的，如云雨，海浪等。这些杂波和雷达回波信号混叠在一起，使雷达 终端显示的画面模糊不清。而区分运动目标的和杂波干扰的基础是它们在速度上 的差别。这一差别反映在回波中是它们所具有的不同多普勒频移。于是在时域互 相混叠的目标信号和杂波有可以从频域予以区分。成熟的频域信号处理主要有动 目标显示( m t i ) 技术，动目标检测( m t d ) 技术和脉冲多普勒( p d ) 技术。 最早期的m t i 滤波器为传统的二脉冲及三脉冲对消器( 又称一次对消及二次 对消) ，增加对消次数可以展宽滤波器凹口宽度从而增加杂波抑制能力。多脉冲对 消器可以由二脉冲对消器级联构成，它与加权系数为二项式的横向f i r 滤波器等 效。适当改变这些加权系数可获得较好的滤波特性。数字m t i ( d m t i ) 除了可 用非递归型的f i r 滤波器实现外，还能用递归型的i i r 滤波器实现。更先进的 d m t i 即自适应d m t i 其滤波特性应能根据环境杂波的变化而实时的改变( 修正) ， 以确保最大程度的抑制杂波( 一般指气象杂波或消极箔条干扰) 。自适应d m t i ( a m t i ) 中的自适应算法主要有谱分析法和脉冲对求相法等。其目的是移动滤 波器凹口的频率轴位置，使之跟踪对准变化的杂波平均多普勒中心。为了对付两 种或两种以上的不同速度的杂波( 如地物和气象杂波) 则要求滤波器具有双凹口 或多凹口。 不管是用于对付固定杂波的传统m t i 还是对付运动杂波的a m t i 其设计思路 总是使滤波器止带凹口尽量对准杂波谱的中心频率。根据匹配滤波理论，m t i 处 理至多可看成是杂波抑制意义上的准最佳滤波，因为它没有考虑到对相参脉冲串 回波信号的匹配处理。7 0 年代初期m t i 技术在全面对付包括地物，气象，鸟群 及其它各种异常传播的复杂杂波方面还力所不及，以致虚警太多而难以实现自动 检测和跟踪。 为满足上述要求一种改进的处理m t d 产生了，它在以下三个方面做了改进。 ( 1 ) 改善滤波器的频率特性，使之更接近最佳匹配先行滤波，以提高改善因子； ( 2 ) 能够检测强地杂波中低速目标甚至切向飞行的大目标； ( 3 ) 不仅能抑制平均多普勒频移通常等于零的固定杂波，而且还能抑制如气象， 2 雷达杂波抑制及工程实现技术 鸟群等引起的运动( 慢动) 杂波。 一 1 9 7 4 年美国麻省理工学院林肯实验室研制出了第一代m t d 。它主要由一个 传统的三脉冲对消器级联一个8 点的f f t 构成。这一8 点f f t 等效为一组相邻有 覆盖的窄代滤波器组，它实际上就是用作脉冲串回波相参积累的匹配滤波器。此 外m t d 中还增加了一种称为杂波图的数字电路，它是对m t i 对消剩余做递归滤 波的背景存储“数字地图”；完成一种在每二距离单元取时阿平均的类似c f a r 功能，从而增强了强杂波区域附近目标特别是靠近强地物杂波的低速目标的检测 能力。第二代m t d 在7 0 年代末推出，它的主要改进是： 其，在匹配滤波处理后对同一单元不同滤波器频道的输出分别进行自适应 门限调整，即分频道c f a r 处理； 其二，增加了所谓“饱和干扰”试验电路，用于封锁特别强干扰的对应距离 单元的输出； 其三，具备了一定的气象估测能力。 更新一代的动目标检测是自适应m t d ( a m t d ) ，其关键是实时检测杂波的 存在，判定杂波强度甚至特性，据此对存储的杂波图进行修正，并自动产生或选 择滤波器加权因子。以期保证对地杂波的高度抑制的前提下，尽量减小对气象杂 波的灵敏性( 低的多普勒旁瓣) ，并具有最小的主瓣宽度和最小的s n r 损失。 随着现代电子技术，微电子技术的发展，使得雷达信号处理得以方便的在硬 件上实现。高速低功耗的a d 采样器既满足了高采样率的特点也使其稳定性得以 提高。高速海量可编程的存储器的出现解决了脉冲积累等问题，可编程逻辑器件 和数字信号处理器芯片的出现使信号处理更加简单灵活。 本文将结合实际研究的课题具体讨论多普勒滤波器组和相关的技术的设计方 法以及工程实现。 1 2 论文的主要内容 本文先介绍了m t i 原理和对消器设计的框图及其频率响应，并在此基础上介 绍了m t d 滤波器组的设计方法，在最后一章结合实际课题介绍了m t d 滤波器组 的硬件实现的相关问题。具体章节的内容如下： 第一章为绪论，介绍了论文的研究背景和m t i 、m t d 的发展历史。 第二章主要介绍了m t i 杂波抑制方法。首先对雷达回波和杂波特性进行分 析，接着介绍m t i 杂波抑制的原理及其对消器的设计，并对反馈型和自适应型对 消器做了介绍。 第三章主要介绍m t d 杂波抑制方法。在第二章的基础上首先对m t d 原理进 第一章绪论 行分析，介绍了滤波器组设计的方法，最后对滑窗式处理的方法进行了介绍。 第四章主要结合课题介绍了m t d 的硬件设计实现，介绍了基于f p g a 的 m t d 滤波器组的实现。在本章的最后介绍了滑窗式m t d 滤波器组的设计。 论文最后对本文所做的工作做了简单的总结，并指出了存在的不足和将来可 以发展和处理方法。 4 雷达杂波抑制及t 程实现技术 第二章动目标显示( m t i ) 技术 本章先从目标回波和杂波的频谱特性分析入手，介绍了m t i 对消器的对消原 理，并且分析了一次对消器、二次对消器、反馈型、二次对消器以及自适应一、 二次对消器的结构框图，频率响应。 2 1 目标回波和杂波的频谱特性分析 2 1 1 固定目标回波特性 建筑物，山脉，树林等固定物回波对于雷达来讲是杂波，这些固定目标的回 波仍是等幅脉冲串，与发射脉冲串比较除了幅度大大减小外，唯一的特点是时间 上相对发射脉冲有一个时延。根据傅立叶延时定理，回波信号的相位谱有变化， 而幅度与发射信号的幅度谱的分布规律是一样的。 设雷达发射信号为： u ，= u ，木c o s ( g o o t + 缈o ) ( 2 - 1 一1 ) 式中：p ：发射信号幅度： 编：发射信号角频率； 仇：发射信号初始相位： 雷达接收的信号为： 材l = u ，奉c o s ( c o ：+ t p o + 仍) = u ，宰c o s g o o ( t f ，) + 十仍l 】 ( 2 - 1 - 2 ) 其中：u ，：目标回波信号幅度； 国：目标回波信号的角频率； t ，：回波相对于发射信号的延时； 缈。：回波信号瞬时相位； 目标到雷达的距离是不变的，所以t ，是常数，此时固定目标回波和发射信号 之间的高频相位差为： 矽2c o o ( t t ，) + + 仍l r o o t 一2 一c o o t ，+ 妒l i2 c o n s t a n t ( 2 - 1 - 3 ) 对回波信号的频率进行求导： o l g o o ( t t ，) + 纯+ 仍i 】a = c o o ( 2 1 4 ) 第二章动日标显示( m t i ) 技术 由式( 2 1 4 ) 可见固定目标的回波频率与发射信号的频率是相等的。 2 1 2 运动目标回波特性 由于动目标和雷达之间有相对的运动，所以动目标和雷达之间的距离是时间 的函数：r = 民+ f ， 其中： r 为动目标与雷达的距离； k 为动目标相对雷达的径向速度； 动目标对发射信号的时延为：t r = 2 r c = 2 ( r o + v ，t ) c 对动目标信号的相位求导，即可得到动目标回波的角频率 彳= 兀( 2 杉c ) f o ； ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 知动目标回波频率与发射信号频率不等，有一个多普勒频移。 雷达发射信号通常是窄带信号，因而运动目标回波频谱的特征是将发射信号 的频谱位置在频率轴上平移一个多普勒频率兀= 孚，兀的符号由目标运动的方 向决定，靠近雷达方向为正，远离雷达方向为负。 雷达发射相参脉冲串，其脉冲宽度为r ，脉冲重复频率为厂，。当天线不扫描 而对准目标时，所得脉冲为无限脉冲串。调制信号“，( f ) 及其频谱u 。( 厂) 分别为 “垆e 妻删( 半卜e r e c 砸q 要砸一删 月= 一 n = m ( 2 1 6 ) 呦2 等等套c 协 ， e 为信号振幅。而高频载波扰：( f ) 及其频谱u ：( ) 为 u 2 ( t ) 2c o s c o o t ( 2 1 8 ) u ：( 厂) = 去 万( 厂一f o ) + 6 ( f + 兀) 】 发射的相参脉冲串u ( t ) = u i ( ，) “：( f ) ，故其频谱u f ) 为 u ( ) = u l ( 厂) 圆u 2 ( 厂)( 2 1 1 0 ) 雷达工作时，天线以各种方式进行扫描，这时收到的回波脉冲为有限数，且 其振幅受天线方向图调制。设天线方向图可用高斯函数来表示，则收到的回波脉 冲串的包络函数可写为 6 雷达杂波抑制及工程实现技术 r e ( t ) = 瓜盯e x p ( - 2 n - 2 矿2 ，2 ) ( 2 1 - o r 是和天线波瓣宽度及扫描速度有关的参数。o r 越小，表示观察时间增加。 天线扫描时收到的回波信号，可以用r e ( t ) 和无限脉冲串u r ( f ) 的乘积表示。u r ( f ) 为 天线不扫描时的回波脉冲串，即 甜。( f ) = m ( t ) u ，( f ) 其包络函数m ( t ) 的频谱为： m ( 厂) = e - ，2 2 一 天线扫描时回波信号的频谱虬( 为： ( 厂) = 肘( f ) 圆( ，( 厂) ( 2 - 1 - 1 4 ) 由式( 2 一l 1 4 ) 可以知道无限回波脉冲串频谱u ( 厂) 的每一根谱线均按m ( f ) 的 形状展宽。 2 1 3 杂波的频谱特性 雷达工作时可能会碰到的杂波包括地物、海浪、云雨及敌人施放的箔条等。 除了孤立的建筑物可认为是固定的点目标外，大多数杂波均属于分布杂波且包含 内部运动。当天线不扫描时，固定杂波的功率谱是位于矾仰= o ，1 ，监，) 位置上 的离散谱线。当天线扫描时，由于回波脉冲数有限，将引起谱线的展宽。此外， 由于天线扫描引起双程天线方向图对回波信号调幅，也会导致功率谱展宽。一般 杂波谱可用高斯函数表示为 g ( 厂) = g 。p 一，2 碰 ( 2 1 - 1 5 ) 其中盯。= 0 2 6 5 n ，刀为在单程天线方向图3 d b 宽度内的脉冲数。设乃为天 线照射目标的等效时间，则行= 厂，即吒= 0 2 6 5 t a ，即吼与目标照射时间成 正比。 大多数分布杂波的回波性质比较复杂。在雷达的分辨单元内，雷达所收到的 回波是大量独立单元反射的合成，它们之间具有相对运动，其合成回波具有随机 的性质。且由于杂波内部的运动，各反射单元所反射的多普勒频率值不同，这也 引起回波谱的展宽。对预设计杂波抑制滤波器来讲，我们关心的是杂波的频谱特 性，暂不去讨论杂波幅度及其统计特性。 杂波信号的功率谱的实验公式可近似为 、， ) 2 3 l l i _ l l - - 2 2，l ，l 第一二章动目标硅永( m t i ) 技术 7 矽c 厂，= l g c 厂，1 2 = l g 。| ze x p 一口( 丢) 2 ( 2 - i - 1 6 ) 其中： w ( f ) 为频率函数的杂波功率谱，g ( ) 为杂波的傅立叶变换， 为雷达载 波，口是和杂波相关的参数。 杂波频谱可以用杂波频率分布的均方根值o r ，( 舷) 或速度分布的均方根值 仃。( m s ) 来表示，式( 2 1 1 6 ) 表示为： 町m 唧( - 割嘶x p ( - 等 其中：w o = i g 。1 2 ，吒= 孕，五= 寿，可得口= 。o - c s o 2 为杂波功率谱方差。 以 - ，o” 仃，为杂波内部起伏运动速度的均方根值，和工作波长无关。相同的仃，值，对不同 的雷达工作波长产生的杂波谱线的宽度也是不同的。工作波长越短，杂波谱的展 宽越严重。 雷达设备的不稳定性( 如振荡器频率不稳定性等) 也会使杂波功率谱展宽。 使杂波谱展宽的因素很多。如果各项因素是不相关的，各杂波功率谱总的的展宽 可以用功率谱方差仃；表示即 仃至= 仃? + 仃；+ ( 2 1 - 1 7 ) 综上所述，当杂波平均速度为零而只有内部起伏时，杂波的频谱位置在矾上， 但是每一根谱线均被展宽。如果杂波还有平均径向速度，则功率谱的位置将产生 相应的多普勒频移。 2 2 数字对消器设计 m t i 本质含义是：基于回波多普勒信息的提取而区分运动目标与固定目标( 包 括低速运动的杂波等) 。因此m t i 通常包括两个最基本的部分，即完成多普勒信 息提取的相参处理与完成目标区分的对消处理( 又称滤波处理) 。提取多普勒信息 的相参处理的方法主要有三种：加性相检，乘性相检和中频直接采样；而对消处 理一般有一次对消，二次对消。 2 2 1 对消处理原理 当固定目标、地杂波等与运动目标处于同一距离单元时，前者的回波通常较 强，以至于运动目标的回波被淹没其中，故必须设法对二者进行区分。因固定目 标回波的多普勒频率为零，慢速运动的杂波中所含的多普勒频移也集中在零频附 8 雷达杂波抑制及工程实现技术 近，它们的回波经相位检波后，输出信号的相位将不随时间变化或者不随时间做 缓慢变化，反映在幅度上则为其幅度不随时间变化或者不随时间做缓慢变化。相 反运动目标回波经相检输出后，因其相位随时间变化较大，反映在幅度上也是幅 度随时间变化较快。因此若将同一距离单元在相邻重复周期内的相检输出做相减 运算，则固定目标回波将被完全对消，慢速杂波也将得到很大程度的衰减，只有 运动目标回波得以保留。显然这可以将固定目标、慢速目标与运动目标区别开来。 这就是m t i 对消的基本原理。对消器如果用数字器件实现称之为数字对消器，实 际上就是数字滤波器。下面对数字滤波器的设计介绍一下。 2 2 2 对消器设计 1 一次对消器 图2 2 1 一次对消器的结构图 一次对消器的结构如图所示，一次对消器也称双脉冲对消器。其对消公式为： j ，( 胛) = x ( ，z ) 一x ( n 一1 ) ( 2 - 2 i ) 对它求z 变换则得： y ( z ) = x ( z ) 一z 叫x ( z ) ( 2 2 2 ) 由此得系统函数为： 日( z ) = l z ( 2 2 3 ) 它是一个单零点系统，零点得位置在z = 1 。将z = e ，2 r 代入得到频率响 应为： h ( 2 7 2 7 ) l - 2ls i n ( 矿，) l ( 2 2 4 ) 第二章动目标显示( m 1 1 ) 技术 9 口 瑙 罂 图2 2 2 一次对消器频率晌席 图2 2 2 是其频谱图，取c = 1 0 0 0 h z ，由此看出这是一个不十分理想得倒锯 齿形滤波器。它在f = o ，f ，2 f , 处有零点，因此能起到抑制固定目标和慢速杂波 得作用。但由于其频率响应是正弦形得，抑制凹口较窄，故杂波抑制能力有限； 同时，它对各种不同的的多普勒频率得灵敏度相差较大。但它有结构简单、暂态 过程短得优点。 2 二次对消器 由于一次对消器的杂波抑制能力有限，故采用二次对消以致多级延迟对消来 改善对消器得振幅频率特性。二次对消器也称为三脉冲对消器其结构图为 图2 2 3二次对消器结构图 可求得其系统函数为： 日( z ) = 卜尬。+ z ( 2 2 5 ) 这个系统具有两个零点 z 1 2 = k 2 _ + ( k 2 2 ) 2 2 ( 2 2 6 ) 当k = 2 时，h ( z ) = ( 1 一z 一) 2 ，它等效于两个一次对消器级联。在z = 1 处有 双重零点。此时的频率响应必然是二脉冲对消器的平方，即：lh 0 以) i 12 s i n r r f f , 1 2 其频率响应如图为了便于说明比较我们在图中分别画出一次与二次对消器的特性 1 0 雷达杂波抑制及t 程实现技术 曲线。其中虚线是二次对消器的频率响应，实线是一次对消器的频率响应。 倒 罂 图2 2 4一二次对消器的频率响应 由图可见，二次对消器的频率响应抑制凹口加宽了，但增益仍然是不均匀的， 特别是脉冲响应与一次对消器相比加长了。 当k 的值在+ 2 _ 2 之间变化时，滤波器有一对共轭零点位于单位圆上，这时 虽然零频率处的响应值不等于零，但抑制杂波的凹口比较宽，对一些功率谱较宽 的杂波，抑制性能反而更好。 仿二次对消器电路也可构成由更多脉冲加权后相加的对消电路。不难证明如 果多脉冲按二项式系数加权( 例如三脉冲为l 、2 、l ，四脉冲为1 、一3 、3 、一l 等) 它就等效于多个一次对消器级联。假如用n 级单延迟线对消器作级联，其数 字滤波器系统函数为日( z ) = ( 卜z 叫) ，其频率响应为h ( f ) = 2 ”s i n ”( x f ；) 。这种 对消器的实现框图可用以下框图实现 图2 2 6 多脉冲对消器框图 二项式系数加权是应用最广的，但它不是最佳的，可以求出一组最佳加权系 数使改善因子最大。不过当用于对消的脉冲数不大时( 例如小于5 ) ，采用最佳加 权系数收益不大，反而使设备变得复杂。 第_ 二章动目标显示( m t l ) 技术 3 反馈型一次对消器 从一、二次对消器的频谱可以看出，虽然对消器有较宽的抑制凹口，对杂波 的抑制能力增强了，但在通带内的增益相差很大，特别是正弦平方曲线的下部， 增益很低，这就可能也抑制了动目标回波。如果采用反馈系统，特性则有所改善。 下面研究一下递归型m t i 滤波器。 在一次对消滤波器罩，加一条反馈支路，如图所示 图2 2 7 反馈型一次对消器 设输入输出分别是x ( 托) ，y ( 船) ，并设中间变量为以挖) 则差分方程为 j ，( 刀) = w ( n ) 一w ( n 一1 ) w ( 投) = x ( n ) + 意1 w ( n 一1 ) z 变换后的 r ( z ) = w ( z ) 一w ( z ) z 一 ( z ) = x ( z ) + k i w ( z ) z 。 从上面二式可以的到系统函数为： ( z ) = z - 1 z k 1 。 ( 2 - 2 9 ) 式( 2 - 2 - 9 ) 表明增加反馈支路的结果，是在z 平面引入新的极点g = 毛，k 。v 。 模块1 输入数据流选 输i h 数据流选 择单元 择单元 八数据流运算处 理模块 m u x 删x 2 选1 2 选1 数据缓冲 莎 模块2 图4 2 1 乒乓操作不恿图 乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分 配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元 为双口r a m ( d p r a m ) 、单口r a m ( s p r a m ) 、f i f o 等。在第一个缓冲周期，将输 入的数据流缓存到“数据缓冲模块1 ”；在第2 个缓冲周期，通过“输入数据选择单元” 的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块2 ”，同时将“数据缓冲模块1 ”缓存的 第1 个周期数据通过“输入数据选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行 运算处理；在第3 个缓冲周期通过“输入数据选择单元”的再次切换，将输入的数据 流缓存到“数据缓冲模块1 ”，同时将“数据缓冲模块2 ”缓存的第2 个周期的数据通过 “输入数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。 乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节 拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块” 进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据， 雷达杂波抑制及工程实现技术 输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据 流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝 缓冲与处理。 乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。在本系统中，由于数据是连 续不断的过来，如果把所有的数据都作存储，那么所用存储器的容量无论多大都 解决不了这个问题。但是采用乒乓操作所需的存储器的单块容量只要大于3 8 4 k 个字就够了。 巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果，如图4 2 2 ： 扒 ，靠圮槛 n i l卜 理模块1ly 塑dpam1 l 输出数据流 输入数据流 l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 。_ 一 选择单元 选择单j 卜、数据流 一j 运算处 y理模块 m u x m u x 2 选l 2 选1 l 模块f 、坪 l 一 一j 扒 d p r a m 2 图4 2 2低速模块处理高速模块的结构图 数据缓冲模块采用了双d r a m ，并在d p r a m 后引入了一级数据预处理模块，这 个数据预处理可以根据需要的各种数据运算。在本工程中很多地方都运用了乒乓 操作的技巧。 2 串并转换设计技巧 串并转换是f p g a 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段，也是面 积与速度互换思想的直接体现。串并转换的实现方法多种多样，根据数据的排序 和数量的要求，可以选用寄存器、r a m 等实现。 3 流水线操作设计 流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段。如果某个设计的处理流程分为 若干步骤，而且整个数据处理是“单流向”的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步 骤的输出是下一个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工 作频率。 流水线设计的结构示意图如图4 2 3 所示。 幽4 2 3流水设计示意图 因为将适当划分的n 个操作步骤单流向串联起来。流水线操作的最大特点和要 第四章基于f p g a 的m t dt 程实现 3 7 求是，数据流在各个步骤的处理从时间上看是连续的，如果将每个操作步骤简化 假设为通过一个d 触发器( 就是用寄存器打一个节拍) ，那么流水线操作就类似一个 移位寄存器组，数据流依次流经d 触发器，完成每个步骤的操作。 流水线设计时序如图4 2 4 所示。 t叫弼园 丽里卜下历习竺 图4 2 4 流水发计时序图 流水线设计的一个关键在于整个设计时序的合理安排，要求每个操作步骤的划 分合理。如果前级操作时间恰好等于后级的操作时问，设计最为简单，前级的输 出直接汇入后级的输入即可；如果前级操作时间大于后级的操作时间，则需要对 前级的输出数据适当缓存才能汇入到后级输入端；如果前级操作时间恰好小于后 级的操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流，或者在前级对数据采用存 储、后处理方式，否则会造成后级数据溢出。 4 2 2 存储器的应用 1 存储器在积累数据上的应用。如图4 2 5 所示： 来自d b f 的复序列是按不同距离单元、再不同扫略( 重复周期) 的顺序输入 的，而m t d 处理是对同一距离单元的相邻若干次扫略内的信号进行频谱分析( 或 频域滤波) ，且所需处理的通常不是某一个或某一部分的距离单元，而是作用距离 的全程。因此在d b f 和m t d 滤波器之间必须要有一特殊的接口电路，来完成序 列的暂存与格式转换。m t d 输入缓存器就用来完成这个任务。 为了叙述方便，用p 表示脉冲，用b 表示波束，用s 表示采样点。在本工程 中，从d b f 输入到输出至s r a m 的信号顺序是按照p s b 的方式，即先波束，然 后在采样点，最后是脉冲的顺序。从s r a m 读出的数据是b p s 的方式，即先采 样点，后脉冲，最后是波束的顺序。我们可以想象在图上面加一个z 轴。这些转 换都在f p g a 罩面实现。 团园圈一 围园团一 雷达杂波抑制及工程实现技术 图4 2 5 数据转换示意图 在工程中我们对3 个波束的1 2 8 个脉冲的1 0 2 4 点采样做积累，每个采样点的值用 3 2 b i t 来表示，所以我们所要存储的总的数据量是3 1 2 8 1 0 2 4 3 2 b i t - - 3 8 4 k 个字 ( 1 字= 3 2 b i t ) 。当存储完3 8 4 k 字后，在对这些数据来做m t d 滤波处理。因此虽然 我们处理的数据在时域上是无穷多个，但是可以将处理的数据用帧来表示，这样 可以处理完上一帧的同时存储下一帧，在处理下一帧的同时处理上一帧。这种操 作类似于上述乒乓操作，虽然这种操作不是发生在f p g a 内部的但是我们可以在外 部用s r a m 来实现。 因为乒乓操作需要两个数据缓冲块，所以在硬件上实现就需要两套独立的地 址数据总线来实现数据缓冲块1 和数据缓冲块2 。在该硬件系统中是用s r a m l 、 s r a m 2 、s r a m 3 、s r a m 4 来级联实现。s r a m 选用的是c y p r e s s 公司的 c y 7 c 13 8 2 d 型号的芯片。 它是3 3 v 5 12 k 3 6 b i t 大小的同步s r a m ，能通过很少的粘合逻辑很容易独 立设计和高速的微处理器的接口通讯。从时钟上升沿算起，最大的存储延时是 6 5 n s ，它有一个2 b i t 的片上寄存器，在迸发存储的过程中，寄存器会从输入的 第一个地址开始自动的按要求增加地址。所有的同步输入信号会在时钟上升沿所 存在寄存器中。它的同步输入包括，所有的地址数据输入，片使能和深度扩展使 能，迸发控制输入和全局写使能。异步输入包括输出使能和z z 引脚。 迸发存储备地址闸控制器或地址闸处理器来初始化的，增量控制受地址增量 输入控制。当地址闸控制器或处理器被激活后，地址和片使能会在时钟上升沿锁 入寄存器中。它的核电压是3 ，3 v ，i ，o 口电压支持2 5 v 和3 3 v 在t q f p 封装中 所有的输入输出是j e d e c 标准。在把数据从s r a m 读出时，为了加快处理的速度， 可以从“面积和速度”的关系入手，把处理用并行的三部分来完成，每一部分结 构都一样。如图4 2 6 所示。单个滤波器组的实现如图4 2 7 所示。 第四章基于f p g a 的m t dt 程实现 3 9 而在从s r a m 中读出的数据可以在f p g a 内部用r a m 块来对数据进行缓存。 图4 2 6 三波束数据并行处理示意图 匹困 图4 2 。7单个滤波器组的实现框图 s t r a t i x i i 系列f p g a 内部集成了具有t r i m a t r i x 存储结构的嵌入式r a m 块，提供了 多达9 m b 的r a m ，可以方便地配置成不同位宽和容量的r a m 、双e i r a m 、乒乓 r a m 和f i f o 等应用，性能高达3 7 0 m h z 。 2 存储器变换函数。 在做雷达检测的过程中会用到求模，取对数。这两种数学的运算的实现可以又 很多种方法。下面分别介绍一下： 求模的方法有很多种一种方法是近似计算，将非线性运算转化为f p g a 可以实 现的线性运算。考虑采用以下近似公式： x = r e + j i m ，l = m a x ( 1r ei , ii mi ) ，s = m i n ( 1r ei , ii mi ) xl _ 4 ( r e ) 2 + ( 1 m ) 2 m a x ( 1 一吉一击) 三+ ( 专+ 古一面i ) s + ( 吉+ 击) s 】 近似公式中包含有加、减、求绝对值、求最大和最小值运算，这些基本运算可以 方便的用v h d l 语言实现。但这一近似算法的最大误差为1 3 7 9 。 另一种方法是采用求平方根i p 核结合乘法器来实现。求平方根i p 核是a l t e r a 公司 提供的免费i p 核，它的结构很简单，仅有向量( r a d ) 输入端口和平方根( r o o t ) 输出端口，同时内部定义的两个参数w i d t h 和p r e c 用来定义端口的位宽。设计 规定输入向量的位宽w i d t h 6 ，而输出平方根的位宽p r e c w i d t 舭，其中最 高的( w i d t h 2 ) 位表示整数部分，其余位表示小数部分。所以调整输出位宽p r e c 的值就可以相应改变计算精度，非常便于使用。当然，精度越高，在f p g a 内资 源占用率就越高。 第三种方法是采用存储器变换函数的技术实现，这种方法在后面会详细讨论。 求对数的方法有两种，采用a l t e r a 公司免费提供的求对数i p 核来实现。对数 i p 核可以计算以2 、以l o 或是以e 为底的对数，能单周期并行方式工作，也可以 雷达杂波抑制及工程实现技术 流水线方式工作。它的主要参数有w i d t h ( 定义输入输出数据的位宽，其范围是8 至1 j 2 4 位，输入为无符号整型( u n s i g n e d ) ) 、e x a c t ( 对数计算被分为精确和近 似两部分，其近似部分又进一步被分为精确和近似两个子部分，e x a c t 参数定义 了这一精确子部分的精度，即位宽，其范围是4 、5 或6 ，值越大，计算结果越准 确，相应的资源占用越多。) 、b a s e ( 这一参数需要输入文本字符串“t w o ”、 “t e n ”或“e ”，分别代表对数核以2 、以1 0 和以e 为底进行计算。) 、p i p e l i n e ( 这一参数需要输入文本字符串“y e s ”或“n o ”，若为“n o ”，对数核成为纯粹组 合逻辑块；若为“y e s ”，对数核采用流水线方式工作。) 令一种方法也是采用存储器变换函数的技术，下面我们介绍一下这种技术。 在介绍存储器变换技术之前，先来介绍一下函数的概念：设x 和y 是两个变量， u 是一个给定的数集。如果对于每个数x u ，变量y 按照一定法则总有确定的 数值与它相对应这时称y 是x 的函数，记做y = 厂( x ) 。数集u 叫做这个函数的定 义域，x n q 做自变量，y 叫做因变量。 如果将存储器的地址a 作为函数的自变量x ( 基本输入量) ，被选中单元的内 容作为输出量厂( x ) ( 存储器输出数据) ，由于输出数据d 与输入地址存在一一对 应的关系，这种地址a 与相对应的存储单元的内容数据d 之间构成了一种函数关 系。如果存储器数据d 按照d = 厂( 彳) 的函数关系写入，就使数据d 与地址a 之 间就有了函数关系，可以使存储器具有函数变换的功能。由此可以的到存储器函 数变换技术的定义：将存储器的地址线作为函数自变量a ，存储器的寻址空间2 ” 作为函数的定义域u ，当对应每个自变量a u ，变量d 按照法则d = 厂( 彳) 总有 确定的输出值与自变量a u 对应，则由此可构成存储器函数变换。即以存储器 作为函数变换的硬件基础，由此组成一种具有函数变换功能的硬件电路。存储器 实现函数的变换，主要取决于存储器的存取时间。 存储器函数变换器的变换精度由存储器地址线的位数n 和存储器输出的数据 位数两方面因素决定。 具体实现求模、取对数的方法如下，先根据所要求的精度和定义域来预先用 m a t l a b 算出值域的值，然后按上述方法，将值预先存储在f l a s h 当中，在运 用的时候可以直接通过存储器来取出来。 其硬件实现是用了板子上的两片f l a s h 来实现，采用器件为f u j i t s u 的 m b m 2 9 d l 6 4 d f 7 0 型号。它是一个大小为6 4 m b i t 的f l a s hm e m o r y 。它可以在 3 v 电压下来擦写，它可以拼成8 m 8 b i t 和4 m 16 b i t 两种结构。它内部有四个物理 块( a ，b ，c ，d ) 每个块都可以当作独立的块来进行操作。它典型的存储时间是7 0 n s ， 约为1 4 m 。其引脚有片使能( c e ) 、写使能( w e ) 、输出使能( o e ) 它们能够很 好的解决总线冲突问题。复位信号( r e s e t ) 当该信号有效时，片子进入读模式， 这可以与整个电路系统的复位信号紧密联系。尺y b y 引脚能反映器件内部的存储 第四章基于f p g a 的m t dt 程实现 4 1 状态，地址总线厶a b ，数据总线现d 巧，如果是8 b i t 的结构那么d 8 d 留出 不用而d 15 则作为地址线的最低位即彳一。在对该器件编程的时候必须执行其内部 的编程命令，器件会根据命令而执行其内部的嵌入算法。 本系统要求对数计算的输入和输出都是1 6 位数，因而所需存储器的容量为 6 5 5 3 6 x 1 6 ，即1 mb i t ，而所需存储时钟的频率为2 m h z ，可见该器件在硬件上满足 所需的要求。 4 2 3 滤波器的设计实现 m t d 处理是对同一距离单元的数据进行处理，一种常用的处理的办法是帧处 理，即把处理的数据当做一帧，处理的过程可以分为两部分：数据的积累和数据 处理。因为多普勒滤波器组是在把同一距离单元的信号作处理，所以工程中在把 数据从s r a m 读入到f p g a 中，要等读出1 2 8 个数据后再对这1 2 8 个数据做处理。等 处理完这组数据后再对下1 2 8 个数据进行处理即数据以1 2 8 为一帧。由前面介绍知 道，s t r a t i x l i 器件的r a m 资源很丰富。尽管器件的资源很多但是处理的运算量和存 储都很大，所以要尽量节省资源。这样可以根据前面分析的“乒乓操作”的原理， 采用两组r a m 来解决这个问题。 在前几张讨论可以知道，多普勒滤波器组用f i r 横向滤波器实现的，在实现 时，系数是共轭对称的，即若滤波器组共有n 个滤波器，则第k 个滤波器 ( k n 2 1 ) 的权系数与第n k - 1 个滤波器的系数共轭对称。当滤波器的输入 信号为墨( 刀) + j x , ( 刀) ，第k 个滤波器的系数为( 刀) + j w , k ( 刀) ( n = 0 ，1 n - 1 ) ， 则第k 个滤波器的输出为： ，一l 少( 尼) = 【t ( 门) + a ( 胛) 】【( ，2 ) + ，( ，2 ) 】 n - - - o = ( 4 一反) + ( g + 砬) 其中： _ 一ln l 4 = 一( 门) ( ”) ，b k = x ，( ，7 ) ( 刀) n = 0n = 0 ，一l 一l g = 薯( ) ( 刀) ，q = 一( 行) ( 玎) n = 0 n = 0 根据共轭对称性第n k 1 个滤波器的输出为： - i y ( 尼) =