線性調(diào)頻信號頻域數(shù)字脈沖壓縮

　線性調(diào)頻信號具有拋物線式的非線性相位譜，能夠獲得較大的時寬帶寬積；與其它脈壓信號相比，很容易用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生，且技術(shù)上比較成熟；所用的匹配濾波器對回波信號的多卜勒頻移不敏感，因而可以用一個匹配濾波器處理具有不同多卜勒頻移的回波信號。這將大大簡化信號處理系統(tǒng)，因此它在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。采用這種信號的雷達(dá)可以同時獲得遠(yuǎn)的作用距離和高的距離分辨率。數(shù)字化的脈沖壓縮系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、受干擾小、工作方式靈活多樣等優(yōu)點，是現(xiàn)代脈壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

　　本文以TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP芯片作為實現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮的核心器件，實現(xiàn)了線性調(diào)頻信號的頻域數(shù)字脈沖壓縮。

　　1 數(shù)字脈沖壓縮原理

　　數(shù)字脈沖壓縮采用數(shù)字信號處理技術(shù)完成相關(guān)匹配濾波，通常采用時域處理和頻域處理兩種方法實現(xiàn)這一過程。

　　1.1 時域脈沖壓縮處理

　　時域脈沖壓縮直接對雷達(dá)回波信號進(jìn)行卷積運(yùn)算，如圖1所示。其算式如下：

　　s(n)=s1(n)+jsQ(n);h(n)=hI(n)+jhQ(n)

　　y(n)=s(n)×h(n) (1)

　　式中，s(n)為A/D采樣之后的回波信號；h(n)為匹配濾波器的沖激響應(yīng)信號；y(n)為時域脈壓輸入信號。采用時域方法進(jìn)行脈沖壓縮且當(dāng)卷積運(yùn)算速度達(dá)到A/D采樣速度時，可以進(jìn)行實時脈沖壓縮處理，輸入信號的長度不受濾波器階數(shù)的限制。但當(dāng)A/D采樣頻率較高時，脈壓處理將無法實時完成。

　　1.2 頻域脈沖壓縮處理

　　頻域脈沖壓縮先對輸入回波序列進(jìn)行FFT變換，將離散輸入時間序列變換成離散譜，然后乘以匹配濾波器沖擊響應(yīng)的離散譜，再用逆FFT還原成壓縮后的時間離散信號，如圖2所示。其算式如下：

　　S（k）=FFT(s(n));H(k)=FFT(h(n))

　　y(n)=IFFT(S(k)×H(k))=IFFT(FFT(s(n))×FFT(h(n))) (2)

　　在大時寬信號時，采用高速FFT算法，大大減少了運(yùn)算量，提高了運(yùn)算速度，因而現(xiàn)代雷達(dá)體制廣泛采用的是頻域算法。頻域算法的實現(xiàn)要求發(fā)展快速傅立葉變換的硬件，以前多用高速FFT運(yùn)算器件實現(xiàn)頻域脈壓。但隨著通用DSP器件速度的不斷加快，這些專用FFT器件不僅沒有了高速FFT算法運(yùn)算上的優(yōu)勢，同時還伴隨有功能單一、不便于功能擴(kuò)展、成本高、實現(xiàn)電路復(fù)雜等劣熱，因此逐漸被淘汰，取而代之的是高速DSP器件。本文正是TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP來實現(xiàn)頻域數(shù)字脈沖壓縮。

　　2 TMS320C6701的結(jié)構(gòu)和性能

　　TMS320C6701（以下簡稱C6701）是TI公司近年來推出的含多個處理單元的一種新型新點DSP芯片。它采用VLIW結(jié)構(gòu)，在167MHz的主頻下可以得到1GFLOPS的高處理速度。CPU中包括報兩套對套的運(yùn)算單元（L,S,M,D）和相應(yīng)的兩套寄存器組，每組有16個32位寬的寄存器。每個功能單元輸入輸出端口相互獨立，可實現(xiàn)并行處理。

　　C6701的地址總線為32位，尋址范圍達(dá)到4GB。存儲空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間，可通過對五個BOOTMODE引腳的靈活設(shè)置設(shè)定各空間的地址范圍。片內(nèi)數(shù)據(jù)空間又分成兩塊，每一塊RAM被組織為八個2K×16的存儲體，使得CPU可以同時訪問不同存儲體的數(shù)據(jù)，而不會發(fā)生沖突。片內(nèi)程序空間可設(shè)為Cache，存儲經(jīng)常使用的代碼，減少片外訪問次數(shù)，從而提高程序運(yùn)行速度。

　　C6701的外圍端口包括DMA控制器、主機(jī)接口（HPI）、中斷選擇等。兩個多通道緩存串行口（McBSP）除多通道、比緩存外，還支持多種數(shù)據(jù)格式、硬件A/μ率壓擴(kuò)展 、位時鐘和幀時鐘的靈活編程，另外還提供SBSRAM、SDRAM等高速存儲器的無縫接口。

　　C6701采用間接尋址，有線性方式和循環(huán)方式 兩種。程序按三級流水線執(zhí)行，即取指、譯碼、執(zhí)行。C6701具有豐富 的指令集，內(nèi)含50余條指令，且大部分是單周期的，可完成數(shù)據(jù)傳輸、算術(shù)邏輯運(yùn)算和程序控制等功能。

　　3 頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理

　　以C6701為核心器件，輔以相應(yīng)的輸入輸出電路，可完成數(shù)字頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的設(shè)計。實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。