可变时宽宽带LFM信号压缩接收技术研究

第３２卷第３期　２Ｏ１０年６月　压电与声光　ＶＯＩ．３２　Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ　２０１０　ＰＩＥＺＯＥＩ　ＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　文章编号：１００４—２４７４（２０１０）０３—０４７４—０２　可变时宽宽带ＬＦＭ信号压缩接收技术研究　黄　俊，戴梅生，黄　晶，李华利　（四川压电与声光技术研究所，重庆４０００６０）　摘要：研制了一种可变时宽宽带线性频率调制（ＬＦＭ）信号数字脉冲压缩组件。该组件由Ａ／Ｄ模块、数字下　变频器（ＤＤｃ）模块和脉冲压缩模块组成，着重介绍了时域实时数字脉压的方法和实现。对组件进行了试验验证，　其中心频率为７０　ＭＨｚ，带宽２５　ＭＨｚ，时宽ｌ０ｂ２５／ｚｓ，脉压主旁瓣比可达４Ｏ　ｄＢ。　关键词：线性频率调制（ＬＦＭ）信号；可变时宽；数字脉冲压缩　中图分类号：ＴＮ７６１．９３　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｔｉｍｅ　Ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ＬＦＭ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ＨＵＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＤＡＩ　Ｍｅｉｓｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｊｉｎｇ，ＬＩ　Ｈｕａｌｉ　（Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔｉｍｅ　ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｌｉｎｅａｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ（ＬＦＭ）ｓｉｇｎａｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｍａｎｔｌｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　Ａ／Ｄ　ｍｏｄｕｌｅ，ＤＩ）Ｃ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｕｌｓｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　７０　ＭＨｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｉｓ　２５　ＭＨｚ．Ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｗｉｄｔｈ　ｉｓ　ｌＯ～２５　ｕｓ，ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｍａｉｎｌｏｂｅ　ｔｏ　ｓｉｄｅｌｏｂｅ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　４０　ｄＢ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＦＭ　ｓｉｇｎａｌ；ｔｉｍｅ　ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ；ｄｉｇｉｔａｉ　ｐｕｌｓｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　脉冲压缩技术有效地解决了雷达的作用距离　和距离分辨力之问的矛盾，可在不损失雷达威力的　前提下提高雷达的距离分辨力ｌ】］。常用的脉冲压缩　信号是线性调频信号，它通过非线性相位调制或线　性频率调制（ＬＦＭ）来获得大的时宽带宽积。习惯　上，脉压系统都是用声表面波器件来实现的，即模拟　假设　（　）为Ａ／Ｄ采样后的回波信号；Ｘ（ａＯ为　其频谱；ｈ（　）为匹配滤波函数；Ｈ（∞）为其频谱；　．ｙ（　）为脉压输出。则数字脉压整个过程的时域为　（　）一ｌｚ（　）×ｈ（ｎ）一｛ＲｅＥｘ（ｎ）－］＋　ｊＩｍＥｘ（ｎ）］｝×｛Ｒｅ［－ｈ（ｎ）］＋ｊＩｍ［＾（ｎ）］）：　脉压。其脉冲响应是在制造时编码的，因而在雷达　工作期间不可改变。如果雷达系统要求信号形式灵　活多变，则每种信号均需与之相对应的一条脉压线；　而数字脉压具有灵活多变、抗干扰能力强等许多优　点，其脉冲响应可在任何时候通过选择一组新的滤　波器系数来改变，从而与不同的波形相匹配。　｛Ｒｅ［ｘ（ｎ）］・Ｒｅ［ｈ（ｎ）３一Ｉｍ￣ｘ（ｎ）３・　Ｉｍ［－ｈ（　）］｝＋ｊ｛ＲｅＶｘ（ｎ）］・Ｉｍｌ－ｈ（ｎ）］＋　Ｒｅ［－ｈ（，２）］・ＩｍＶｘ（ｎ）］）　相应的，脉压过程在频域可表示为　（　）一ＩＦＦＴＥＸＧｏ）・Ｈ（（￡，）］＝　（１）　１　数字脉冲压缩的两种方法　数字脉冲压缩技术应用数字信号处理方法完成　相关匹配滤波，通常用时域处理和频域处理两种方　法实现这一过程ｒ２。］。用数字有限冲击响应（ＦＩＲ）　实现的脉冲压缩时域处理过程如图１所示，用快速　傅里叶变换（ＦＦＴ）及其逆变换（ＩＦＦＴ）实现的脉冲　压缩频域处理过程如图２所示。　而　．　ｙＯ）＝ｘ（ｎ）ｘ　）　ＦＦＴ｛ＦＦＴ［ｘ（ｎ）］・ＦＦＴ［ｈ（　）］）　（２）　由数字信号处理基本理论可知，时域的两个信　号的卷积相当于频域的乘积，故两种实现方法的本　质一致。频域脉压因其运算量较小的优点，在数字　脉压兴起的早期获得了较为广泛的应用。随着现场　可编程门阵列（ＦＰＧＡ）技术的飞速发展，单片ＦＰ－　ＧＡ内的存储器以及硬件乘法器的数量急剧增加，　时域脉冲压缩运算量大的缺点早已被克服，而其实　时性的优点正日益突出。本文所设计的脉冲压缩接　收机正是采用的时域流水线实时处理脉冲压缩算　法。　图１时域脉冲压缩　一　——一　２　系统设计　本文设计了一种基于ＦＰＧＡ的可变时宽宽带　线性调频信号压缩接收机，其基本结构如图３所示。　｛ｎ（ｏ０｝　图２频域脉冲压缩　收稿日期：２００９—１０　２８　作者简介：黄俊（１９７８一），男，重庆人，工程师，硕士，主要从事信息处理技术的研究。　第３期　黄　俊等：可变时宽宽带ＬＦＭ信号压缩接收技术研究　４７５　即先计算正弦信号相应相位的值，并以相位为索引　地址存储相应的正弦值。由式（７）可知，归一化角频　率∞　是一个常数。ＤＤＣ工作时，输入端口每输入　一图３数字脉冲压缩原理框图　２．１　理论推导　个采样信号样本，ＮＣＯ就增加一个　的常量并　累加，再以累加值为地址取出相应的正弦值，最后送　设中频输入信号为　－厂（ｆ）一Ａ（　）ＣＯＳ［２　７ｃ　￡十　（ｆ）］　其中　２　一　（３）　㈩　人乘法器与输入信号样本相乘，完成混频。　２．４时域实时匹配滤波器设计　为实现脉冲压缩的实时处理，本文在匹配滤波　器设计中使用流水线算法来提高运算速度。使用　ＡＬＴＥＲＡ公司的ＬＰＭ宏单元来减少系统资源，其　（￡）一尼７ｃ　＋　。　（５）　式中　丁为脉冲宽度；ｋ为频率变化斜率；　。为初　相。经模数转换器（ＡＤＣ）采样后：　厂（　）＝＝＝Ａ（　）ＣＯＳ［∞。ｎ＋　（　）］（　＝０，１，２…）　（６）　∞　一２７ｃ　ｆ　／ｆ　（７）　式中＿厂ｃ为本地振荡频率；ｆ　为输入信号的采样频　率。ｌ厂（　）与数控振荡器（ＮＣＯ）产生的两路相互正　交的信号ＣＯＳ　Ｑｏ　１＂１）、ｓｉｎ　Ｑｏ　）在混频器中相乘后，　可得　ｆＩｏ（　）一掣｛ｃ。ｓ　２ｗｏｎ＋　（　）］｝＋ｃ。ｓ　Ｉ－９（　）］　ｊＱｏ（　）一　｛ｓｉｎ［２　＋　（，ｚ）］）一ｓｉｎ［　（　）］　（８）　设滤波器增益为１，则经低通滤波后，可得输出　信号：　｛【　Ｑ（，ｚ）一一（Ａ　ｓ　）　ｉ　ｎ　Ｅｇ　（　；）］／２　㈩　＇『（　）、Ｑ（，ｚ）正是我们所需的正交基带信号，可　对其进行抽取后送入后端的信号处理器，以减轻基　带信号处理的压力。　２．２采样率与抽取因子ｌ４　针对给定的输入信号，需合理地选择ＡＤＣ的　工作频率，使在现有器件的水平下能顺利完成宽带　模拟信号到数字信号的转化。本系统采用带通采样　技术，在确保采样后的信号频谱不发生混叠的前提　下，以采样率相对较低的ＡＤＣ来完成中频信号的　采样。　尽管采用了带通采样技术，经ＡＤＣ采样后的　数据流，其数据速率和带宽的指标仍较高。针对这　一情况，我们在数字下变频器（ＤＤＣ）中，将输入信　号先混频到基带，再送入抽取器进行降速处理；而抽　取因子Ｄ则应保证输出信号速率大于原信号带宽。　２．３数控振荡器设计　ＮＣＯ作为ＤＤＣ的重要组成部分，其目标就是　产生一个理想的正弦信号Ｓ（　），有　Ｓ（　）一ＣＯＳ　Ｑｏ　・ｎ）　（１０）　本文采用查表法产生ＮＣＯ的正弦信号样本，　算法结构如图４所示。　图４　时域数字脉冲压缩算法结构图　匹配滤波器的主要组成部分是乘法器和加法　器，因此，乘法器和加法器的设计决定着整个系统的　速度和占用的资源。在本方案中所有的乘法器和加　法器都使用ＡＬＴＥＲＡ公司的Ｉ　ＰＭ宏单元。　针对本系统时宽可变的要求，设计了多组匹配　滤波器以对应不同的输入信号时宽，通过外部控制　码进行切换。　２．５系统功能验证　经过实验验证，本文设计的系统接收中频为　７Ｏ　ＭＨｚ、带宽２５　ＭＨｚ、时宽１０￣２５　ｂｔｓ的线性调频　信号，其数字脉压主副比可达４０　ｄＢ。图５为系统　脉压结果，图６为产品实物图。　图５实测压缩结果　图６产品实物图　（下转第４７９页）　第３期　周世纪等：改进卡尔曼滤波算法在伺服跟踪系统中的应用　４７９　究［Ｄ］．长春：中国科学院长春光学精密机械与物理　研究所，２００２．　Ｅ２］徐剑，段哲民．卡尔曼滤波器在目标相关跟踪中的　应用［Ｊ］．计算机仿真，２００５，１１（１１）：１２０—１２２．　ＸＵ　Ｊｉａｎ。ＤＵＡＮ　Ｚｈｅｍｉｎ．Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｎ　ｔａｒｇｅｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００５，１１（１１）：　１２０—１２２．　［３］　吴玉敬，纪　明．光电吊舱大速率平稳跟踪补偿技术　研究ＥＪ］．应用光学，２００６，２７（４）：２９３—２９７．　Ｘ数据组藏　ＷＵ　Ｙｕｊｉｎ，ｊＩ　Ｍｉｎｇ．Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　图７遮挡时位置预测误差　ｈｉｇｈ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｏｄＥＪ］．Ｊｏｕｒ－　３　结束语　ｎａｌ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃ，２００６，２７（４）：２９３—２９７．　在实际系统中，图像跟踪器输出的脱靶量数据　１－４］杨蒲，李奇．三轴陀螺稳定平台控制系统设计与　含有较多的噪声信号，如果直接使用或进行简单的　实现［Ｊ］．中国惯性技术学报，２００７，４：１７１—１７６．　滤波处理即用来进行跟踪，跟踪效果很差甚至无法　ＹＡＮＧ　Ｐｕ，ＬＩ　Ｑｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　跟踪。根据伺服跟踪系统的要求，采用卡尔曼滤波　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓ　ｇｙｒｏ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ［Ｊ］．　算法进行目标位置及速度预测，考虑遮挡情况下跟　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｉｎｅｒｔｉａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，４：１７１—　１７６．　踪信号的处理，并根据文献［１］所示的方法进行延迟　［５］李兴红，张淑梅，续志军，等．基于ＤＳＰ的光电跟踪　补偿。在某型伺服跟踪系统中应用文中的算法并取　架伺服控制器的设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２００６，　得了良好的跟踪效果。但在跟踪试验过程中发现，　１４（１２）：１６３２—１６３４．　系统在跟踪机动性较强的目标时效果较差，仔细分　ＬＩ　Ｘｉｎｇｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕｍｅｉ，ＸＵ　Ｚｈ￣ｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅ－　析后认为主要原因及下一步改进措施如下：　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｒａｃｋｅｒ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　（１）本控制算法在对非线性系统的估计预测还　ＤＳＰ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００６，　需改进，单纯的卡尔曼滤波算法还不能完全解决问　１４（１２）：１６３２—１６３４．　题。　［６］ＬＥＥ　Ｂ　Ｊ，ＰＡＲＫ　Ｊ　Ｂ，Ｊ００　Ｙ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　（２）图像跟踪器处理速度需提高，在试验过程　Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａ　ｍａｎｏｅｕｖｆｉｎｇ　ｔａｒｇｅｔ　ｒａｄａｒ，　ｓｏｎａｒ　ａｎｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ［Ｃ］／／Ｓｏｕｔｈ　Ｋｏｒｅａ：ＩＥＥＥ　Ｐｒｏ—　中发现，当目标运动速度较快时采集到的图像目标　ｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００４，１５１（６）：３４４—３５０．　清晰度下降，易出现丢失目标的情况。　［７］ＬＥＥ　Ｊ　Ｈ，ＰＡＲＫ　Ｋ，ＹＯＵ　Ｋ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　参考文献：　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ－ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／Ｓｏｕｔｈ　Ｋｏｒｅａ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　［１］　王连明．机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００６（１７）：９６９—９７０．　（上接第４７５页）　参考文献：　３　结束语　［１］林茂庸，柯有安．雷达分辨理论Ｉ－Ｍ］．北京：国防工业　在这个设计中，我们选择合适的Ａ／Ｄ变换器和　出版社，１９８２．　ＦＰＧＡ芯片，实现了可变时宽宽带线性调频信号的　［２］刘松强．数字信号处理系统及其应［Ｍ］．北京：清华　大学出版社，１９９６．　数字脉冲压缩。随着高速Ａ／Ｄ变换器和超大规模　Ｅ３］贺知明．多波形频域脉压并行处理机的设计及相关技　可编程逻辑器件的发展，基于ＦＰＧＡ实现的中频数　术研究［Ｄ］．成都：电子科技大学，２００３．　字脉压接收机必将在通信、雷达等领域发挥更大的　－Ｉ４］杨小牛，楼才义，徐建良．软件无线电原理与应用　作用。　［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００１．