（通信与信息系统专业论文）sar类杂波干扰技术研究及软硬件设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丕筮 日期：知舌年岁月；o 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：粒导师签名塑堕： 日期：j 年岁月岁。日 第章绪论 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论 s a r 由于具有高分辨率、强抗干扰等特点备受各方重视，因此对于s a r 的干 扰同样具有极大的实用价值。就干扰方式而言，主要分为遮盖性干扰和欺骗干扰。 遮盖性干扰能够达到一定的干扰效果，但由于s a r 信号带宽远超普通雷达，遮盖 ：眭王拙无法达到_ 兑时域、一频域曲完全密集覆盖，易被雷达抗壬拢系统抑带k 造成 干扰效果的降低；对于欺骗干扰，要想达到以假乱真的高逼真干扰效果，对于侦 察参数的精度要求很高，很难获得精确的雷达平台运动参数，这就大大增加了欺 骗式干扰的实现难度。正是从常规干扰方法的实际困难出发，根据宽带雷达的自 身特点，需要研究一种时域、频域有效覆盖的具有杂波类似特征的干扰方式，它 应该同时具有压制干扰的密集覆盖的特点，也具有欺骗干扰的伪装效果。因此， 如何利用侦收参数引导生成具有s a r 目标回波特点的类杂波干扰信号，使其能够 获得高处理增益，减小干扰功率要求，且相对于欺骗干扰有较低参数精度要求， 是一项有理论和应用价值的研究课题。 1 2 合成孔径雷达简介一”， 合成孔径雷达( s a r ：s y n t h e l i ca p e r i u r cr a d a r ) 是主动式微波成像雷达，能全天 候、全天时、实时获取大地域的地面图像，具有一定的植被和地面穿透能力，对资源 勘察和军事侦察有重大意义，已广泛应用于民用和军事领域。合成孔径雷达是现代 雷达领域的一项重大成就，它是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术，以真实的小 孔径天线获得距离向和方位向高分辨遥感图像的雷达系统。它使雷达的基本功能 发生了质的变化，扩展了人类观察自然界和生存环境的能力。s a r 成像作为雷达 成像技术的主攻方向，一直受到世界各国的高度藿视。目前国外已研制成功一批 高性能的星载和机载s a r 系统，星载系统已达到1 米分辨力，机载系统则能达到 0 3 米分辨力，现已广泛应用于军事侦察、资源勘探、重大灾情估计、大地测绘等 领域。随着s a r 系统的分辨力越来越高，以及三维s a r 技术的实现，该系统在现 代战争的战略和战术侦察中的作用愈来愈大，在海湾战争、科索沃和阿富汗反恐 怖战争中，合成f l 径雷达已成为美军的一种重要军事侦察手段。在以后的岁月里， 怖战争中，合成f l 径雷达已成为美军的一种重要军事侦察手段。在以后的岁月里， 电子科技大学硕士学位论文 合成孔径雷达不论是在军用还是民用中都会起着越来越重要的作用。 1 3s a r 对抗技术简介【2 0 】_ 2 3 】 现代战争中，通讯联络、作战指挥、军事情报和兵器控制等日益依赖无线电 电子设备，无线电电子设备的广泛应用导致现代战争中出现了新的领域一电子对 抗，又称为电子战( e w ) 。所谓电子对抗就是敌我双方利用电子设备和器材所进 行的电磁斗争。雷达对抗是电子对抗的一个重要组成部分。 随着数字信号处理和大规模高速数字器件的飞速发展，合成孔径雷达已经运 用到军事和民用领域中。s a r 雷达具有在不同频段、不同极化下可以得到目标的高 分辨率图像。因此加强对其对抗技术的研究显得尤为必要。 合成孔径雷达的对抗技术主要由侦察、干扰和抗干扰几个方面组成。一方面， 敌我双方采取各种侦察手段获得对方的雷达系统工作参数，引导干扰机扰乱和破 坏对方雷达正常工作，称为合成孔径雷达干扰；另一方面，双方想方设法使己方 雷达减少或消除对方干扰的影响，称为合成孔径雷达抗干扰。因此干扰和抗干扰 是一对矛盾的共同体，它们是在不断的斗争中相互共存。 1 4 国内外研究动态 1 4 1s a r 成像及应用技术研究动态 国外先进国家的研究动态表明：新一代s a r 系统的关键技术研究主要集中在 高分辨力s a r 成像技术、高精度干涉s a r 成像技术、多功能多模式s a r 系统技术、 s a r 图像信息获取应用技术等方面。 1 9 7 8 年5 月美国发射了海洋卫星岱d 蟠a n 在卫星上首次装载了合成孔径雷达， 此后星载s a r 技术得到了迅速的发展一系列星载s a r 先后升空除s e a s a t 外 n a s a 还发射了“航天飞机成像雷达”s m a 、s m b 和s i r c x s a r ，前苏联于 1 9 9 1 年发射了a i m a z 星载s a r ，欧空局于1 9 9 1 年发射了e r s 1 ，日本于1 9 9 2 年发射了j e r s 1 ，加拿大于1 9 9 5 年发射了r a d a r s a t 等。在1 9 9 1 年的海湾战争中， 美国的两架载有x 波段s a r 的j s t a r s 预警飞机和一颗“长曲棍球”s a r 卫星 充分显示了s a r 技术在现代高技术战争中所表现出来的卓越的战场监视和侦察 能力被认为是赢得这场现代高技术战争的关键因素之一。从九十年代起对能够提 供三维信息的干涉式s a r 的研究引起了世界各国的格外关注，成为s a r 技术发展 的新热点。2 0 0 0 年2 月美国奋进号航天飞机顺利地实现了全球范围内的高精度三 第一章绪论 维成像在全世界引起了不小的震动。当前一些发达国家正在筹划和研制新的可长 期进行观测的各种技术先进的空间雷达卫星，如欧洲空间局预计发射的a s a r 是 到目前为止正在研制的最先进的星载s a r 。美国下一个计划是发射s i r d 它将是多 频段可能有4 个多极化的星载成像雷达。另外，美国目前正在进行“发现者二号” 天基雷达的研究。 7 0 年代中期中国科学院电子学研究所率先开展了s a r 技术的研究。1 9 7 9 年 取得突破研制成功了机载s a r 原理样机，获得我国第一批雷达图像。目前机载 s a r 系统已成为我国民用遥感的有效工具，近年来多次在我国洪涝监测中发挥了 重要作用。自8 0 年代末国家“8 6 3 ”计划部署了发展s a r 及相关技术的一系列课 题，其中中国雷达卫星一号列为“8 6 3 ”计划重大项目，由中科院电子所、电子科 技大学、航天总公司五院和北京航空航天大学联合攻关，将于最近发射升空。中 国科学院空间科学与应用研究中心开展了微波遥感系统与机理、空间微波遥感技 术与遥感器、遥感信息的传输和相关应用技术研究。先后建立了陆基、机载及星 载主动、被动微波遥感器，主要包括：雷达高度计、微波散射计和辐射计，并己 应用于地质、农业、海洋等领域研究中。另外，电子科技集团公司第1 4 所、3 8 所 以及航天6 0 7 所等单位在开展机载、星载s a r 的成像以及信号处理方面的研究。 同发达国家相比，国内在s a r 方面的研究虽然起步较晚，但发展较快，且具有很 大的发展前景。 1 4 2s a r 抗干扰技术应用及动态 由于某些原因，对合成孔径雷达的干扰和抗干扰技术研究的文章国外没有公开 报道但是由于其重要性，对它的研究肯定都在开展。国内方面落后于国外，现在电 子科技大学电子科技集团公司第2 9 所以及中国物理研究院等单位在开展合成 孔径雷达干扰方面的研究由于特殊原因也很少见有公开报道。研究重点有： 宽带s a r 信号的侦察和干扰的机理研究 宽带s a r 信号干扰技术研究 宽带s a r 干扰效果评估技术研究 宽带s a r 抗干扰技术研究 宽带s a r 对抗系统的硬件实现技术 第二章杂波模型分析 第二章杂波模型分析 杂波产生机理复杂，依赖于许多因素，包括雷达本身的工作状态( 入射角，发 射频率，极化，分辨率等等) 以及背景情况( 如地面植被情况，地面粗糙度，或海况， 风速，风向等) ，是一个随机过程。完整的描述一个随机过程是很困难的，但在实 际情况中，常常突出一部分重点特征。在当前雷达杂波的研究中，重点特征是杂 波的后向散射系数、幅度分布和相关特性( 或谱) 。 2 1 杂波模型概述 通过对杂波性质的大量研究，国内外已有的杂波模型大致可以分为以下两个 方面： 描述杂波后向散射系数盯。的概率密度函数的统计模型。雷达分辨单元内包 括许多随机分布的散射体，它们的介电常数和几何特性等都是随机变量，同 时散射体或雷达的运动也会引起回波振幅和相位的变化，这些因素导致杂波 后向散射系数c r 0 具有随机起伏的性质，此随机起伏性可用其通过雷达接收 机的包络检波器后的幅度概率密度函数来描述。该模型的缺点是对各种类型 的杂波数据，尚无一个综合的表达式能够概括所有现有的和常用的分布密度 函数。但利用已有的杂波分布模型，能够在特定条件下精确地逼近真实的数 据特性。 描述由实验数据拟合盯。与频率、极化、俯角和环境参数等物理量的依赖关 系的散射机理模型。建立各种雷达设备参数如频率、极化、俯角和环境参数 等对杂波影响的定量关系，由实验数据拟合杂波后向散射系数盯。其缺点 是雷达系统的参数限制了杂波模型所能达到的精度并且现有的此类模型都 只针对特定的地貌、海情或信号形式，缺乏通用的模型。 下面对这两种模型分别进行分析。 2 1 1 统计模型 雷达杂波按不同的类型主要可以分为点杂波、面杂波和体杂波，地海杂波主 要为面杂波。早期的雷达系统中，由于雷达的分辨率较低，杂波的幅度分布特性 服从高斯分布模型的假设。但是，现代雷达的分辨率越来越高，回波在时间性和 空间上均存在一定的相关性，许多实测数据也己经证实，在低仰角或高分辨率雷 第二章杂波模型分析 w e i b u l l 分布： 概率密度函数： ，( z ) = ( z 理) 9 1 ( p g ) e x p 卜( z q ) 】 产生随机数的计算公式为： x ( n ) = 卢( 一l i l r ( ，1 ) ) “8 k 分布： 概率密度函数 他掣，一志， ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中a 为尺度参数，仅与杂波的平均值有关，v 为形状参数，控制分布尾 部的形状。七。( ) 为修正的v 阶贝塞尔函数。 2 i 1 2 常用杂波功率谱分布模型 由前面的论述我们知道，雷达杂波仿真除了上述有特定概率密度函数的非相 关雷达杂波仿真外，还要知道杂波功率谱分布。常见的杂波功率谱分布的模型有 高斯型、立方型、指数型。 高斯型： 跗) = 西三下e x p ( - 上笋) ( 2 9 ) 式中：丘是杂波的中心频率，仃是杂波的均方谱宽。 立方型： s ( ，) = s ( o ) 【1 + f ，丘1 3 】( 2 1 0 ) 式中：s ( o ) 是零频处功率谱强度，丘是归一化特征频率。 指数型： s ( ，) = s ( o ) e x p ( ，正) ( 2 - 1 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 海况2 - 3 级，入射角4 7 。海况4 5 级，入射角47 。 图2 1 不同海况杂波概率密度比较图 通过以上真实杂波概率密度分布分析可知：在入射角较小( - 珂r + f 2d r ( 5 1 ) ( 5 - 2 ) t 表示脉宽；丁为脉冲重复周期；n 为整数；4 为噪声幅值，服从正态高斯分 布；矗是中心频率。 分析脉冲式干扰噪声，我们可以得出其具有的特点：第一，该噪声与s a r 雷 达回波在时间域上具有不完全重合性，特别是当脉冲重复频率低、脉宽窄的时候， 它们之间的重合区域少；第二，就是该噪声具有周期性。 由于脉冲干扰在频域上完全覆盖了目标信号，但在时域上并未完全覆盖，为了 对抗这种于扰，可以在时域上进行信号处理。最简单的方法是将时域上处于目标 信号中的干扰脉冲挖掉( 置零) ，通过限幅也可以减弱干扰的能量。对占空比较大 的脉冲干扰，还应考虑置零后信号恢复的问题。 5 1 1 2 去脉冲式干扰方法 利用脉冲式干扰信号和s a r 原始回波信号在时域上的不完全重合性我 们研究了在时间域内去掉脉冲式于扰的方法。 我们对接收的a d 后的数据统计其平均的幅度作为检测脉冲门限然后把该 数据每一个离散点的幅度与该门限做比较我们认为若高于该门限则可认为该点 数据受到脉冲干扰则把该点数据置为o 用下式表示： r “u ma z n u m 一 2 + x 。2 ，) = j 生三旦卫型l 一 r n u m x a z n u m ( 5 3 ) 其中p 为所求的功率门限砌州m ，a z n i i m 分别为距离向和方位向的数据个 数玛。，工k 分别代表各个点的实部和虚部数据其中含有脉冲式噪声信号和目 标回波信号判别时如果巩。+ 工。 尸 x 电子科技大学硕士学位论文 5 1 1 3 仿真结果 对分别受脉冲干扰和类杂波干扰图像用去脉冲干扰方式进行处理，其中脉冲脉 宽0 5p s ，类杂波取l o g n o m a l 分布杂波，分布参数弘，= 0 6 ，= o 1 。 原始图像 脉冲干扰成像类杂波干扰成像 图5 2 脉冲干扰与类杂波干扰成像比较图 原始图像 脉冲式干扰抑制成像 类杂波干扰抑制成像 图5 3 抗脉冲式干扰抑制成像比较图 如图，经过抗脉冲干扰方式的抑制，脉冲干扰基本被去掉，图像和原始图像差别 很小，而类杂波干扰的图像仍然模糊，说明去脉冲干扰方式对类杂波干扰不能起到 很好的抑制效果。 第五章宽带s a r 类杂波干扰反抑制性能分析 5 1 2 对相干平均法反抑制效果评估 5 1 2 1 相干平均法原理 相干平均法用于强噪声背景下弱信号的提取，多用于处理高斯白噪声。假设 s a r 固定在某一位置多次发射和接收信号这第i 次接收到的回波信号为x ( n ，i ) 为 离散采样点，它是由真正的目标回波信号j ( n ，i ) 和白噪声“( n ，f ) 所组成即： x o ，i ) = s 0 ，f ) + “0 ，f ) i = 1 ，2 ，3 m ( 5 - 4 ) 上式中m 代表s a r 在该点所发射和接收的次数，每一次都得到的回波信号 x ，f ) 由于噪声很强，又是随机的，所以难以从单一的回波中去掉白噪声干扰。 由于s a r 每一次都在同一位置发射信号，系统的其他参数不变所以对于不同 的次数f ，得到的目标回波信号s ( n ，f ) 应该保持不变，那么我们可以假设s 0 ，f ) 在每次 的回波中保持不变，近似为一个确定性信号，即： s ( n ，1 ) = s ( n ，2 ) = - s ( n ，m ) = s ( n )( 5 - 5 ) 假设白噪声“o ，f ) 是0 均值，方差为盯2 的平稳随机信号而且在不同次数i 内 它们是互不相关的，即： e “( n ，姐0 ，f ) = 0 f ，j( 5 - 6 ) 若记5 0 ) 的功率为p 则对于每一次的回波z 0 ，f ) 的信噪比为p 0 2 ，现将x ( n ) 的m 次回波记录对应相加并取平均，有： 上式的运算即称为相干平均，经过m 次平均后，信号的功率仍为p ，噪声的均值 仍为。但是噪声的方差变为盯2 m ，这样( n ，j ) 的信噪比吉薹x 。，f ) 的信噪比为： s n r = p | 吣产| m 、= m p | 孑 ( 5 - 8 ) d睁 0“ m 孓鲁 ，一m 咖 菇删 卜m 了智 州o m m 善 上m 吣 电子科技大学硕士学位论文 可以看出，比没有经过相干积累的信噪比提高了m 倍，也就是说对白噪声进行 了抑制，就是对白噪声进行抗干扰。 5 1 2 2 相干平均法对类杂波抑制效果分析 由于类杂波干扰具有相关性，即： e “( n ，) “( h ，j ) ) o ( 5 9 ) 若记s ( n ) 的功率为p 则对于每一次的回波z 0 ，f ) 的信噪比为p 盯2 ，现将石0 ) 的m 次回波记录对应相加并取平均，有： 吉薯x 。力一吉薹s 力+ 吉薹“。，。 c s 邶， 实际s n r 并未有明显变化，即对高斯白噪声可行的相干平均法对类杂波干扰 无明显抑制作用。如图( 5 4 ) 、( 5 5 ) 使用相干平均法处理受高斯白噪声干扰信号， 信号方差变小，信噪比有所提高。但对类杂波干扰信号，方差变化不明显。 图5 4 相干平均法对白噪声处理效果图 图5 - 5 相干平均法对l 0 9 n o i i n a l 分布杂波处理效果图 第五章宽带s a r 类杂波干扰反抑制性能分析 ，：型鱼：g 旦 s ? i c ，c 。 该滤波器的改善因子j 可认为近似等于： ( 5 2 2 ) 卜彳玄刊而赢 乞3 ) 见形( _ j ) “疋形( 忌) 、 式中a 为常量。则应选择合适的形( 七) 使，达到最小。由于尺。的特征向量叶， i = 1 ，2 ，n 之间彼此正交，因此有： 叶”r 叶= 叶”( vv ”) _ = 乃 ( 5 2 4 ) 因此，当w 为r 最小特征值对应的特征向量时，( 七) ”r ( 七) 大小等于r 的 最小特征值丸一 从上面的分析可知，要使a m t i 系统的平均改善因子达到最大，可使滤波器 的权向量为输入杂波自相关矩阵的最小特征值所对应的特征向量，此时改善因子 可看作 l 。= 1 ，九。 ( 5 2 5 ) 式中九。为输入杂波自相关矩阵的最小特征值。 由上面分析可知，要得到最大改善因子，滤波器权向量应为杂波自相关矩阵。、 的最小特征值对应的特征向量。因此必须计算足= e 【c ( 后) c ”( i ) ，对于广义平稳 随机过程，根据自相关函数的定义可用时间平均代替集合平均求得。 5 2 1 2 仿真结果及分析 使用l o g n o 肌a 1 分布高斯型杂波对目标信号进行干扰，分布参数心= o 6 ，q = 0 1 ，滤波器阶数n = 3 ，仿真结果如图所示，图中横坐标对为归一化频率，纵坐 标为功率谱。可以看出在信号质量较好时基于最大改善因子滤波后信杂比有所提 高。 电子科技大学硕士学位论文 图5 7 输入信号功率谱图5 8s c r = 一5 d b 滤波输出信号功率谱 图5 9s c r = o d b 滤波输出信号功率谱图图5 1 0s c r = 5 d b 滤波输出信号功率谱 随着信杂比增加，改善因子随之增加，滤波器滤波效率增加。虽然增加滤波 器阶数可以提高滤波器效率，但是当滤波器阶数n 达到一定值后，系统效率提高 已经很小，相反那系统复杂度大大上升。 类杂波干扰虽然在统计模型上类似于普通杂波，但类杂波干扰还具有压制性 干扰和密集覆盖的特点，基于最大输出功率准则a m t i 滤波器在杂波能量较小时对 杂波抑制有一定作用，但对于类杂波干扰的压制性和密集覆盖抑制效果并不理想。 5 2 2 基于最小输出杂波功率准则的a m t i 滤波器干扰效果分析 5 2 2 1 基本原理 假定杂波比目标信号大得多，且目标信号能够完全通过滤波器，则滤波器的 加权系数为最佳时，杂波应该被大大滤除，输出主要为信号分量，因此输出杂波 功率相当小；当滤波器加权系数偏离最佳值时，输出杂波分量增加，因此输出杂 波功率相应增大。本节讨论基于最小输出杂波功率准则的滤波器，对图3 2 所滤 波器，设输入输出信号定义同5 2 1 节式( 5 1 2 ) ( 5 一1 5 ) ，杂波信号的输出y ，( h ) 功率应为： 第五章宽带s a r 类杂波干扰反抑制性能分析 则最佳权向量为： ；e y 。 ) y 。+ ) 】- 矽 ) ”r ( ) 讳0 = a r g m i n ( 5 2 5 ) ( 5 2 6 ) 但若不对此算式加以约束，会得出w = o 的结果。因此加上约束条件保证滤 波器对目标信号s ( t ) 的响应为常数，即： 缈”蕊= i ( 5 2 7 ) 式中氐为一常向量，矗是目标信号的多普勒频率。因此有线性约束的最小输 出杂波功率准则为： f m i i l ”r k w 。氐= 1 取 l ( 缈) = ”r 矽+ a ( 8 & 一1 ) 令 v ，工( ) ；o 可得相应的最佳权向量为：f k 。= r 4 & ( 5 2 8 ) ( 5 2 9 ) ( 5 3 0 ) ( 5 + 3 1 ) 5 2 2 2 仿真结果及分析 使用l o g n o 衄a 1 分布高斯型杂波，分布参数卢。= o 6 ，吼= 0 1 ，滤波器阶数 n = 3 ，仿真结果如图： 幽5 1 l 输入信号功率谱幽5 1 2 信杂比一5 d b 幽像 4 1 电子科技大学硕士学位论文 图5 一1 3 信杂比0 d b 图像图5 1 4 信杂比5 d b 图像 如图压丞：当信杂比为5 d b 时，基于最小输出功率准贝必避l 潼波器可以起到 一定抑制效果，但随着信杂比降低，滤波效果降低，当信杂比达到一5 d b 时，滤波 效果就不太明显。 基于最小输出功率准则a m t i 滤波器同样是在杂波能量较小时，对杂波有一定 抑制作用。对于类杂波干扰的密集覆盖仍无法进行较为有效的抑制。 对比图( 5 1 2 ) 和( 5 8 ) 可知，在相同的输入信号和滤波器阶数情况下， 基于最大改善因子准则a m t i 滤波器较之基于最小输出功率准则a m t i 滤波器能得 到更大的杂波抑制程度。这是因为前者侧重于抑制杂波来得到更完全的白化杂波 效果，而后者要求利用目标信号的多普勒频率信息。由于类杂波干扰除了压制性 密集覆盖的特点外，还具有时频域多维全覆盖的特点。基于最小输出功率准则a m t i 滤波器利用的目标信号多普勒频率信息被类杂波干扰，无法取得较好的效果。 5 3 本章小结 类杂波干扰作为一种新型的干扰方式，其干扰效果的评估是一项重要的课题。 本章首先使用s a r 的抗干扰方式对类杂波干扰进行处理，结果去脉冲式干扰的方 式和相干平均法都无法有效抑制类杂波干扰。然后分析了类杂波干扰对于动目标 检测的干扰效果，得到结论：基于最大改善因子准则a m t i 滤波器和基于最小输出 功率准则a m t i 滤波器都只是在杂波能量较小时有一定抑制作用，对于类杂波干扰 压制性干扰和密集覆盖的特点，抑制作用不明显。由于类杂波干扰还具有多维覆 盖的特点，基于最小输出功率准则a m t i 滤波器也无法利用目标回波的多普勒频率 信息，降低了杂波抑制效果。 4 2 第六章类杂波基带信号生成的d s p 设计 第六章类杂波基带信号生成的d s p 设计 通过以上理论分析，类杂波干扰作为一种可在时频域密集覆盖，兼具压制性干 扰和欺骗性干扰效果的有效干扰方式，具有很强实用价值。类杂波干扰的硬件实 现基于一整套干扰系统，出发点就是类杂波干扰基带信号生成模块的设计。设计 稳定高效的类杂波信号产生模块是类杂波干扰实用的基础。本次设计使用 “f p g a + d s p ”并行设计，两者可以根据需要分别计算不同数据进行组合，从而 实现在相同硬件结构上通过改变软件设置实现多种杂波波形的模拟。本文主要讨 论d s p 部分。 随着现代电子计算机技术的迅速发展，s a r 带宽越来越宽，这就对干扰机的 处理速度提出更高要求。因此，类杂波基带信号生成模块设计的难点就是尽可能 提高运算速度，以求达到实时肚的要求。 d s p 部分要实现的功能如下： 接收系统仿真计算的杂波时序序列及定时信号。 接收控制计算参数。 产生相对应的杂波数据。 将生成信号传出进行处理。 6 1 硬件设计 6 1 1 硬件平台需求分析 本次设计的杂波干扰基带生成系统采用的是“f p g a + d s p ”的形式，在接受雷 达参数的同时产生杂波干扰的基带信号。由f p g a 部分生成实时信号，d s p 部分 生成非实时信号，这里仅讨论d s p 部分的设计。d s p 部分需要达到的要求如下： 要求具有高速的数字信号处理能力。 要求具有丰富的存储器资源，能够完成一些需要大量存储空间的操作。 电子科技大学硕士学位论文 要求硬件平台具有高性能、高速度，灵活性，平台应有较强的通用性，便 于系统改进与调试。使得该平台可以很方便地通过算法改进，实现多种不同模式( 如 不同分布杂波1 的无线系统。 6 1 2 硬件平台设计方案 本次设计的平台要求具备高速的信号处理能力和高度的灵活性和通用性。 杂波模拟生成算法所需杂波参数由m c b s p s 口传入6 4 1 4 d s p 的中央处理模块： 中央处理模块根据该参数通过杂波模拟算法生成仿真杂波的各点参数经计算产生 的参数通过e m i f a 模块传入外部存储设备，由于t m s 3 2 0 c 6 4 x 的e m i f a 模块采用 6 4 位并行接口，传输速率完全满足实时传输要求设计如下图： 侦察 外部电源 _ l ”8 ”_ 6 1 3d s p 的选择 图6 1 硬件结构图 传输井口 数字信号处理器s p ) 是整个数字信号处理平台的灵魂和核心所在，本次设计 的高效性、灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过d s p 为中心硬件平台和d s p 软件来实现的。从前面的分析可知，本次设计要求具有高速的数字信号处理能力， 因此所选用的d s p 除了能适应运算处理的高速度、高精度、大动态范围、大运算 量外，它还应具有高效率的结构和指令集、较大的内存容量、较低的功耗。 目前，世界上生产d s p 芯片的厂商很多，例如，t i 公司、a d i 公司、m o t o r o l a 、 a t t ( l u c e n t ) 等。t i 公司和a d i 公司引领着d s p 领域的发展，二者均能提供高性 第六章类杂波基带信号生成的d s p 设计 能的d s p 器件。综合比较不同d s p 芯片的性能、价格和供货渠道，最终选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 处理器。其主要特点如下： 指令周期时间最高1 3 9 n s ，时钟频率最高7 2 0 m i z ，每周期执行8 条指令， 最高5 7 6 0m i p s ； 与田“s 3 2 0 c 6 0 0 0 完全软件兼容； 6 4 个3 2 位通用存储器和8 个独立运算单元； 2 个3 2 位乘法器； 6 个使用v e i o c i t i 2 扩展结构的3 2 位算术逻辑单元( a l u ) ； l 1 l 2 两级存储器结构，分别为： 1 2 8 kl 1 p 程序存储器 1 2 8 k l l d 数据存储器 及8 ml 2 可寻址外围存储器； 可变长度指令集( i a b l e l c n g t hh s t r u c t i o ns e t ) ，具有指令集规定的并行 指令和用户自定义的并行指令； 2 个外部存储器接口( e m i f ：e x t e m a lm e m o r yi n t e r f a c e ) ，可与下列存储 器无缝接口：异步s r a m 、异步e p r o m 、同步d r a m 、同步突发s r a m ； 6 4 位e m i f a 1 6 位e m i f b 丰富的片上外设包括： 6 4 独立通道e d m a ( e n h a i l c e dd i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 控制器； 3 个多通道缓冲串口( m c b s p ：m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o n ) ； 3 2 1 6 b i t 并行主机接口( h p i ：h o s tp o ni n t e r f a c e ) ； 3 个通用输入输出端口( g p l 0 ) ； 可编程数字锁相环( d p l l ) 时钟发生器。 t m s 3 2 0 c 6 4 x 支持一种专门针对通信和图像应用的独特指令集，从而使原来 只能通过编程实现的功能现在可以直接调用函数来实现。 电子科技大学硕士学位论文 6 1 4d s p 内部模块设计 d s p 部分主要完成接收参数，生成信号和数据传输的任务。其中接收参数和 数据传输分别由m c b s p 模块和e m i e a 模块完成。 6 1 4 1m c b s p 模块设计 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 片内带有3 个m c b s p 。m c b s p 具有以下功能： 全双工同步和异步通信； 双缓冲发送和三缓冲接收，实现连续的发送和接收数据流的功能； 可向c p u 发送中断和向e d m a 控制器发送e d m a 事件； 与工业标准编解码器、模拟接口芯片( a i c s ) 以及其他串行d 和d a 器件的直接接口； 外部时钟输入或内部可编程时钟两种时钟控制方式； 接收和发送使用独立的帧信号和时钟信号，且极性可编程； 字宽可选：8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 、3 2 b i t 。 m c b s p 与外部设备的连接概念框图如图( 6 2 ) 所示，其外部引脚包括数据发 送d x 、数据接收d r 、发送时钟c i x 、接收时钟c l k r 、发送帧同步f s x 和接 收帧同步f s r 。m c b s p 内部由数据收发通路，数据、时钟与帧同步控制，多通道 控制和c p u 中断及d m a 同步事件控制器构成。 m c b s p 的数据接收通路包含3 组缓冲寄存器：接收移位寄存器r s r 【1 ，2 】、接 收缓冲寄存器r b r 1 ，2 】和数据接收寄存器d r r 1 ，2 】。到达d r 引脚的数据移存到 r s r 【1 ，2 】，接收到一个完整的字( 可以是8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 或3 2 位) 后，检查 r b r 1 ，2 】是否为空，若为空则将r s r 【1 ，2 】中的数据复制到r b r 1 ，2 】，在c p u 或 d m a 控制器没有对d r r 【1 ，2 】进行操作时，可以将r b r 1 ，2 中的数据复制到 d r r 【1 ，2 】，c p u 或者d m a 控制器通过读取d r r 【1 ，2 】中的数据来接收串口数据。 m c b s p 的数据发送通路只有2 组缓冲寄存器：数据发送寄存器d x r 【1 ，2 和发 送转移寄存器x s r 【1 ，2 】。m c b s p 发送数据时，c p u 或d m a 控制器将数据写入 d x r 【1 ，2 】。若x s r 【1 ，2 】中没有数据，则d x r 【1 ，2 】中的值移入x s r 【1 ，2 】，再由x s r 【1 ，2 】 电子科技大学硕士学位论文 吐率( 最高达到1 2 0 0 m b s ) ，而且可以与目前几乎所有类型的存储器接口。这些存 储器包括： p i p e l i n e 结构的同步触发s r a m ( s b s r a m ) ； 同步d r a m ( s d r a m ) ； 异步器件，包括s r a m 、r o m 、f i f 0 等； 外部共享存储空间的设备； c 6 4 x 具有2 个e m i f ：e m i f a 和e m i f b 。e m i f a 提供了6 4 比特宽的外部数 据总线结口，e m i f b 提供了1 6 比特宽的外部数据总线结口。c 6 4 x 增强了原有的 s b s r a m 接口，同时提供了可编程的同步接口模式，可以支持以下类型器件的无 缝接口： z b t ( z e r ob u st u m a r o u n d ) s r a m 同步f i f o p i p e l i n e 结构和n o w m m 结构的s b s r a m e e l k 阱 e c l k o u t i e c ；k 0 u t ?i m t li 裟嚣 m if 百融i 甜i 孽礤 冉o 黼黼o o x e 6 再黛器g 黜五s 撼n 遗鲁e a 甜口穗_ _ s 。f 面函丽丽；s 丽j 掣n g m 。r f m h o l d i 酾两 8 u s r e o 产0 t s n f 揩慨吲e 图6 3 e m m 外围接口 e m i f 时钟e c u u t x 基于e f 的输入时钟在片内产生。用户可以选择 三种时钟源：1 6 c p u 主频、1 4 c p u 主频和外部输入e c i k n 。所有的e m 邛接 电子科技大学硕士学位论文 c e x s e c 二二三二二工至三正三工三卫三丑 图6 6c e x s e c 寄存器结构 e m i f a 的接口设计主要考虑两方面：与r o m 连接以及同外部设备连接。与 r o m 连接用于在需要时载入代码或数据，与外部存储器连接用于生成数据传出。 这里设计的与外部设备交换方式为并联方式，加快传输速度。其电路原理图如下 6 1 5 功耗与电流分析 图6 7e m i f a 电路原理图 d s p 器件在发挥其高性能的计算能力的同时对功耗的需求也是较大的，其供 电系统的好坏直接影响到整个平台的稳定性。下面讨论d s p 的功耗需求情况。 表6 3t m s 3 2 0 c 6 4 l4 功耗表 电压值( v ) 纹波 上升时间 c 1 4 + 5 d 1 4 + 5 5 0 d ，。 3 3 + 5 电子科技大学硕士学位论文 直接执行方式。这种方式中，d s p 采用m a p 0 储器映射方式，即地址 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 指向片外的存储器。上电后d s p 直接从地址o x o o o o o 0 0 0 开始执行，这种模式并不适用于t m s 3 2 0 c 6 2 1 x c 6 7 1 x 系列的芯片。 主机启动模式。主机通过d s p 的h p i 口搬移代码和启动d s p e m i f 接口的并行r o m 启动模式。上电后d s p 通过e m i f 接口装载 代码在上述各种启动模式中，r o m 启动模式实现简单，速度较快，在实 际系统应用中也最为广泛，本次设计也使用这种启动模式。 根据算法以及所要求产生杂波点数的不同，读表法使用的表单和预存的高斯 随机数列可能占用大量存储空间，当所需数据或程序超过一定范围时就需要两次 的代码搬移，这就是所说的二级启动过程。 存储器的安排、二次b o o t 代码的编写和b o o l l a b l e 的设置是二次启动的关 键。b o o tt a b l e 的作用是告诉二次b o o t 代码所搬的各个程序段的大小，在片外r o m 中的源地址和在片内r a m 中的目的地址。存储器的安排通过c m d 文件来设置，本 设计的c i n d 文件部分如下： m e m o r y b o o t o r j g i n = o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，1 e n = 0 x 0 0 0 0 0 4 0 0 ，l 2 f o rc u s t o mb o o t c o d e + i r a m ：o r i g i n = 0 x 0 0 0 0 0 4 0 0 ，l e n = 0 x o 0 0 3 f c 0 0 l 2 f o rn o n c u s t o mb o o t c o d e + s d r a m ：o r i 舀n = 0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 ，1 e n = 0 x l 0 0 0 0 0 0 0 ，e m i f c e l s d r a m + ) 6 1 8 主要外围电路设计 电路如图主要实现d s p 基本控制功能与j 1 1 a g 调试功能。加入p l l 电路，当 数据传输所需时钟与主频时钟不同时，可以通过该电路实现所需时钟频率，频率 产生和控制由编程完成。j t a g 电路为标准电路。 电子科技大学硕士学位论文 图6 1 0l d g n o r m a l 分布杂波生成算法 当获得新帧后，首先读取一非相关随机序列数据，然后用h ( ) 滤波算法使其 获得相关性，再使用l 0 9 n o m a l 分布的各种参数进行调制，得到数据并传出。 该算法中，主要使用f f t 、i f f t 、开平方、幂运算等子程序，f f t 和i f f t 库 函数可以调用，开平方和幂运算需要使用汇编语言手工修改。 6 2 3w 色i b u u 分布杂波生成程序设计 按照3 3 - 3 节生成步骤，生成w e i b u l l 分布杂波算法流程如下图： 图6 1 1w e i b u l l 分布杂波杂波生成算法 罔+ 辛 第六章类杂波基带信号生成的d s p 设计 w e i b u u 分布杂波生成算法较之l o g n o 珊a 1 分布杂波生成算法复杂度和计算量 大大增加，首先当获得新帧，算法运行时从表中读入两组不同非相关高斯序列， 然后分别用h ( m 1 滤波算法使其获得相关性，两组数据再经w e i b u u 参数调制算法 得到杂波数据传出。这里不仅要处理开平方、幂运算等运算，还要考虑两路数据 的并行问题。本算法使用类似于串行的方式进行处理，虽然牺牲了一定运算速度， 但是相应增加了算法的稳定性。 6 3 系统测试与性能分析 6 3 1 算法测试 由于硬件结构的原因，d s p 无法直接实现一些比较复杂的运算，比如开平方、 求幂运算等，只能用查表或者拟合的方法实现，这就可能给算法带来比较大的误 差。同时，本设计考虑最重要的因素是数据产生的速度，为了加快程序速度，有 可能会对一些算法进行简化，这也可能产生误差。基于这个原因，使用m a t l a b 中的s i m u l i n k 按照d s p 算法进行了数据流模拟，作为硬件算法的比照。计算结果 在下节给出。 l d g n o m a l 分布杂波生成数据流图如下： 图6 1 2l o g n o r m a l 分布杂波生成数据流图 图6 1 3 日) 滤波算法流图 电子科技大学硕士学位论文 w i j b u l l 分布杂波生成数据流图如下 6 3 2 资源使用分析 f u n d l on 1 图6 1 4w e i b u l l 分布杂波生成数据流图 6 3 2 1l d g n o m a l 分布杂波生成算法资源分析 计算资源分析 为了测试程序的执行效率是否满足系统设计需求，对各程序模所耗的时钟周 期进行了评估。 系统主要计算资源都集中在日( m ) 滤波算法和l 0 9 n o 瑚a l 参数调制算法上，现 就主要函数消耗资源进行分析。 日佃) 滤波算法 算法使用的f f t 和i f f t 为自带函数，运算周期不大，开平方运算相对运算量 较大，经手工调整，效率有所提高。消耗的周期约为2 0 0 0 0 0 个c v c l e s 。 l d g n o 硼a l 参数调制算法 算法对计算资源消耗最大的部分来在幂运算，也经过手工调整，效率有所提高， 消耗周期大约为7 2 0 0 0 0 个c y c l e s 。 存储资源分析 t m s 3 2 0 c 6 4 1 4 具有l 1 也两级存储器结构。分别为1 2 8 kl 1 p 程序存储器和 1 2 8 kl 1 d 数据存储器以及8 ml 2 可寻址外围存储器。相对来说，存储资源是比较 充足的。但由于算法中的查表等运算会占用较大数量的存储空间，高斯随机序列 也占用很大容量。 电子科技大学硕士学位论文 w e i b u l l 分布杂波生成算法由于要对两路杂波进行处理，复杂读和存储量都大 大增加。存储消耗及每产生一个杂波数据的算法复杂度见下表： 表6 6w e i b u l l 分布杂波生成算法资源分析 存储量( k b ) 算法复杂度( m i p s ) 程序数据 生 成 日扣) 滤波算法 o 5 8 算 5 3 27 7 3 1 法 w e i b u l l 参数调制算法 0 7 3 其他开销 o 1 51 0 54 2 3 总计 1 4 66 3 78 1 5 4 6 3 3 结果比较 6 3 3 1l d g n o 珊a 1 分布杂波生成程序结果比较 用c c s 对软件算法的设计进行仿真生成满足k g n o m a l 分布的杂波数据，仍 然产生1 0 0 0 个点的杂波数据，以= o 6 ，盯。= 0 1 ，杂波功率谱为高斯谱，生成原始 数据波形如下： 图6 1 5 l 0 9 n o m a l 分布的杂波数据图 将c c s ，m a t u 姬和s i m u l i n k 的生成数据概率分布进行比较，如下图 电子科技大学硕士学位论文 w e i b u l l 分布杂波生成算法由于要对两路杂波进行处理，复杂读和存储量都大 大增加。存储消耗及每产生一个杂波数据的算法复杂度见下表： 表6 6w e i b u l l 分布杂波生成算法资源分析 存储量( k b ) 算法复杂度( m i p s ) 程序数据 生 成 日扣) 滤波算法 o 5 8 算 5 3 27 7 3 1 法 w e i b u l l 参数调制算法 0 7 3 其他开销 o 1 51 0 54 2 3 总计 1 4 66 3 78 1 5 4 6 3 3 结果比较 6 3 3 1l d g n o 珊a 1 分布杂波生成程序结果比较 用c c s 对软件算法的设计进行仿真生成满足k g n o m a l 分布的杂波数据，仍 然产生1 0 0 0 个点的杂波数据，以= o