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基于快速傅里叶IP核的数字脉压处理器的实现

发布时间:2020-07-21 18:20:11 阅读: 来源:H型钢厂家

引言脉冲压缩体制在现代雷达中被广泛采用,通过发射宽脉冲来提高发射的平均功率,保证足够的作用距离;接收时则采用相应的脉冲压缩算法获得脉宽较窄的脉冲,以提高距离分辨力,从而能够很好地解决作用距离和距离分辨力之间的矛盾问题。线性调频(LFM)信号通过在宽脉冲内附加载波线性调制以扩展信号带宽,从而获得较大的压缩比。所需匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,因此LMF信号在日前许多雷达系统中仍在广泛使用。本文基于快速傅里叶IP核可复用和重配置的特点,实现一种频域的FPGA数字脉压处理器,能够完成正交输入的可变点LFM信号脉冲压缩,具有设计灵活,调试方便,可扩展性强的特点。1 系统功能硬件实现方法该系统为某宽带雷达系统的数据采集和数字脉冲压缩部分。系统要求在1个脉冲重复周期(PRT)内完成距离通道的数据采集及1 024点的数字脉冲压缩,并在当前PRT将脉压结果传送至DSP,其硬件结构如图1所示。数据采集系统主要包括前端的运算放大器和模/数转换器。运算放大器选用ADI公司的AD8138,将输入信号由单端转换为差分形式以满足ADC的输入需求,并且消除共模噪声的影响。模/数转换器选用TI公司的ADS5500,具有14 b的分辨率和125 MSPS的最高采样率,用来对输入LFM信号进行60 MHz的高速采样。

本文引用地址:数字脉冲压缩模块在FPGA中实现,FPGA选用Xilinx公司的XQ2V1000芯片。在对输入采样数据进行脉冲压缩后,结果存储于FPGA片内的双口RAM中,并向DSP发送中断信号。DSP在接收到中断信号后读取RAM中的脉压数据进行主处理。2 脉冲压缩模块的设计和实现2.1 脉冲压缩原理数字脉冲压缩技术是匹配滤波和相关接收理论的实际应用,频域的匹配滤波等效于时域的相关接收。基于匹配滤波理论实现数字脉冲压缩的原理如图2所示。图2中θ(f)为发射信号的非线性相位谱,接收的回波信号在经过匹配滤波后,非线性相位谱得到校正。输出的窄脉冲为:匹配滤波器有一个重要的特性:对波形相同而幅度和时延不同的信号具有适应性。也就是说,与信号s(t)匹配的滤波器,对信号as(t-τ)也是匹配的。回波信号s(t)在波门中的位置反映在脉压结果峰值出现的位置,这也是利用雷达脉冲进行测距的主要依据。2.2 脉冲压缩原理脉冲压缩模块包括FFT、与IFFT单元、复数乘法单元以及存储单元,其结构框图如图3所示。其中,FFT和IFFT单元是通过复用Xilinx公司提供的快速傅里叶变换IP核来实现的,而硬件乘法器则为复乘提供了解决途径。采样数据首先存入FIFO中进行全局缓存,然后FFT单元从FIFO中读取采样数据,紧接着进行FFT运算,结果在流水输出时直接与匹配滤波器系数相乘,并将运算结果写入块RAMl中,最后IFFT单元从块RAMl中读取复乘后的数据进行IFFT(复用FFT运算IP核)运算,结果写入块RAMl后发送中断信号,等待DSP读取。2.2.1 FFT处理单元的硬件复用在系统中FFT处理单元通过使用软核Fast Fourier Transform. v3.O来实现的。该IP核提供3种结构选择。(1)管线级,数据流水I/0。这种结构将若干基-2蝶形单元级联起来,使得数据的输入、计算、输出可以流水进行,从而可以达到很高的处理速度,但资源消耗较大;(2)基-2,最少资源消耗。这种结构采用单个基-2蝶形单元对输入数据进行变换,运算消耗的时间较长;(3)基-4,突发I/O;这种结构采用单个基-4蝶形单元对输入数据进行变换,并利用块RAM来存储旋转因子,占用系统资源较少,在1个PRT内可以完成脉压结果的输出,从而在资源和速度这两者之间达到很好的平衡,也是设计中实际采用的结构。FFT处理单元主要包括2个过程:数据I/O和运算过程,但两者不是流水执行的。FFT启动信号有效后,数据开始进行装载,装载完成后开始进行FFT运算;等待运算结束后,结果才可以输出。在运算过程中,不发生数据的装载或输出。在数字设计中,FFT和IFFT处理单元时可以采用相同的结构来实现的。具体的方法是:在做IFFT运算前,先交换输入数据的实部和虚部,然后送入FFT处理单元按照FFT的结构进行运算,并交换FFT运算结果的实部和虚部,最后除以运算点数N,就可以得到IFFT的运算结果。该IP核基于上面的方法同时具有进行IFFT运算的功能,通过实时配置端口FWD INV上的电平可以实现复用,分别完成FFT和IFFT运算。在FPGA设计中,利用结构复用减少逻辑单元块,不仅可以节约系统资源,而且能够减少结构间的硬连线及传输线时延,有利于提高系统的工作频率。

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