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基于TMS系列DSP實現(xiàn)LFM信號的實時脈沖壓縮
來源：電子技術應用2012年第11期
王國慶，丁 昊，宋 杰，關 鍵
海軍航空工程學院 信息融合技術研究所，山東 煙臺264001
摘要： 研究了以定點通用型DSP芯片TMS320VC5509為硬件核心的LFM信號實時脈沖壓縮技術。在CCS 3.3軟件開發(fā)平臺上實現(xiàn)，采用C語言編程，結合Matlab仿真得到LFM信號和匹配濾波器的系數(shù)，在時域實現(xiàn)脈沖壓縮算法。為有效抑制副瓣的影響，采用海明窗加權函數(shù)對濾波器進行調制。采用單位階數(shù)耗時衡量濾波算法，通過增加濾波模塊接口的方法對數(shù)據(jù)存儲更新方式進行優(yōu)化，并結合FIR濾波器的特性簡化了卷積算法。測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，處理精度和實時性均達到了較高標準，可以滿足工程應用的要求。
中圖分類號： TN957
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)11-0059-03
Real-time pulse compression of LFM signal based on TMS DSP
Wang Guoqing，Ding Hao，Song Jie，Guan Jian
Research Institute of Information Fusion, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001，China
Abstract： This paper researches real-time pulse compression technique of LFM signal with fixed-point general purpose DSP chip TMS320VC5509 as its core hardware. With C programming language on the software platform of CCS 3.3, coupled with the LFM signal and matched filter coefficients generated by the simulation of Matlab, the pulse compression algorithm is realized in the time domain. In order to reduce side lobes, Hamming weighting function is adopted to modulated the filter. The system introduces unit order timing to measure the performance of the filter. The data storage and updating method is optimized by adding an interface to the filter module, and the convolution algorithm is simplified using the character of FIR filter. Final test shows that the system has high stability, and achieves high standard both in accuracy and real-time quality, which can meet the requirement of engineering application.
Key words : DSP；LFM signal；real-time pulse compression；Hamming weighting function

    脈沖壓縮技術因解決了雷達作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現(xiàn)代雷達的一種重要技術。雷達的信號參數(shù)是確知的，采用大時寬帶寬積的信號和用匹配濾波器進行脈沖壓縮是獲得低截獲概率性能的重要手段，可以大大提高雷達的作用距離和分辨率[1-2]。線形調頻(LFM)信號因其產(chǎn)生和處理簡單而最先得到應用，它具有拋物線式的非線性相位譜，可以獲得較大的壓縮比，有著良好的距離分辨率和徑向速度分辨率。與其他脈壓信號相比，LFM信號很容易用數(shù)字技術產(chǎn)生，并且所用的匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因而可以用一個匹配濾波器處理具有不同多普勒頻移的回波信號[3]。

    數(shù)字脈沖壓縮技術是隨著數(shù)字信號處理芯片的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，通過對任意波形的數(shù)字卷積或者通過對LFM波形進行展寬處理，實現(xiàn)信號的匹配濾波。數(shù)字脈沖壓縮技術具有性能穩(wěn)定、受干擾小、工作方式靈活多樣等優(yōu)點[4-5]，是現(xiàn)代脈壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
    本文針對實際工程應用，采用TI公司推出的TMS320-
VC5509系列DSP芯片實現(xiàn)了LFM信號的實時脈沖壓縮。系統(tǒng)首先通過Matlab仿真產(chǎn)生LFM信號數(shù)據(jù)，循環(huán)讀入這段數(shù)據(jù)作為采樣輸入數(shù)據(jù)，采用時域脈壓處理，同時采取了一定的優(yōu)化方法以提高系統(tǒng)的效率和實時性，濾波結果衰減后經(jīng)D/A轉換輸出。匹配濾波器參數(shù)由LFM信號共軛求出。為減小脈壓后信號的副瓣，本文對匹配濾波器進行海明窗加權。該系統(tǒng)通用性好，濾波系數(shù)調整方便，在實時性和處理精度上都達到了很高的要求，可以為現(xiàn)代雷達信號處理機的設計提供參考和依據(jù)。

2 脈壓算法具體實現(xiàn)
    LFM信號的實時脈沖壓縮以時域濾波程序為基礎，本文采用具有線性相位的FIR濾波器。在FIR濾波器參數(shù)算法、窗函數(shù)一定的情況下，濾波器的階數(shù)越高，其性能越好(更窄的過渡帶等)。而濾波器階數(shù)越高，運算量也越大。為了保證處理的實時性及一定的采樣率，不可能無限提高濾波器階數(shù)[8-10]。濾波器階數(shù)與運算時間成為相互矛盾的指標，基于這一點，本文采用單位階數(shù)耗時來衡量濾波器程序的性能指標，其定義如下：
   
其中，T表示濾波運算總耗時，N表示濾波器的階數(shù)。當時間一定時，單位階數(shù)耗時越小，則濾波器的階數(shù)越高，性能越好；當濾波器的階數(shù)一定時，單位階數(shù)耗時越小，則可以匹配的采樣率越高。因此，該指標可以很好地判斷濾波器算法的優(yōu)劣。設計中都以該指標為標準衡量濾波器程序效率并提供改進方向。
2.1 系統(tǒng)硬件平臺和軟件平臺
    系統(tǒng)采用TMS320VC5509系列DSP芯片為硬件平臺中的核心器件。TMS320VC5509 DSP芯片是TI公司推出的定點通用型DSP芯片，可以實現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理運算，并使大部分運算(例如乘法)能夠在一個指令周期內完成。由于芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器方便靈活的特點。本文使用CCS(Code Composer Studio)軟件作為軟件開發(fā)平臺，它是TI公司推出的用于開發(fā)其DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境，采用Windows風格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試及實時跟蹤等功能于一體，功能強大；同時提供C語言、匯編語言及C與匯編的混合編程，并且具有代碼優(yōu)化功能，可以對C語言程序編譯后的代碼進行優(yōu)化，提高代碼效率。
2.2 主程序設計
    主程序主要完成初始化操作和FIR濾波算法。時域FIR濾波本質上是進行線性卷積運算，包括反褶、移位、乘累加運算三步。當采集一個數(shù)據(jù)點后，對存儲的數(shù)據(jù)進行更新、運算，得到處理結果；當采集到下一個數(shù)據(jù)后，重復上述過程。為了保證實時性，在一個數(shù)據(jù)采集完成之前，上一個數(shù)據(jù)的運算應已經(jīng)完成。
    設計中FIR濾波器采用橫截型結構，依據(jù)Matlab的仿真結果將LFM信號的波形數(shù)據(jù)和濾波器參數(shù)保存在內部定義的寄存器中。LFM信號數(shù)據(jù)直接經(jīng)一路D/A輸出，另一路D/A輸出匹配濾波后的波形數(shù)據(jù)。由于波形數(shù)據(jù)在處理后很大，為正確進行D/A轉換，濾波后波形數(shù)據(jù)需要縮小一定的倍數(shù)。
2.3 中斷服務程序設計
    中端服務程序負責進行波形數(shù)據(jù)的讀取、處理結果的D/A轉換、啟動下次采集、采集結束標志位的置位等。由于LFM信號進行了脈沖調制，在脈沖持續(xù)時間內數(shù)據(jù)有效，而在其他時刻數(shù)據(jù)為0。如果把0加入Matlab仿真得到的采樣數(shù)據(jù)中，會浪費存儲空間，而且不利于周期修改。因此，程序中使用兩個寄存器分別存儲脈寬內的采樣點數(shù)和整個周期的采樣點數(shù)，配合計數(shù)器，達到了既節(jié)約存儲空間又方便改變周期的目的。中斷服務程序流程圖如圖1所示。

2.4 程序的優(yōu)化設計方案
    程序采用隊列的方式存儲數(shù)據(jù)，存儲一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點后進行卷積運算，并將結果輸出。下一個數(shù)據(jù)輸入后，清除最早存儲的數(shù)據(jù)并存入當前輸入的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)依次向后移一位，更新輸入數(shù)據(jù)序列，卷積運算從第一個數(shù)據(jù)點開始。這樣做能簡化濾波處理函數(shù)的接口設計，但其效率低下，每次更新的數(shù)據(jù)只有一個，其余數(shù)據(jù)的相對位置不改變，卻對每個數(shù)據(jù)都進行了操作。為提高效率，在設計中設置一個寄存器，存儲當前數(shù)據(jù)隊列的首位(即最早進入隊列的數(shù)據(jù)位置)；更新數(shù)據(jù)時，根據(jù)該寄存器的內容，找到數(shù)據(jù)隊列中需更新數(shù)據(jù)位的地址，將采集到的數(shù)據(jù)存入，同時，寄存器指向下一個地址。這樣，每次只需對兩個數(shù)據(jù)進行操作，當數(shù)據(jù)點數(shù)很多時，這種方法的優(yōu)勢就更明顯。作為代價，濾波運算模塊增加一個接口，但是對模塊的復雜程度并沒有多大影響。這種優(yōu)化方法極大地提高了效率，改進前后的數(shù)據(jù)存儲更新方式分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

 

 

    另外，由于本文設計的濾波器為線性相位的FIR濾波器，其特點是參數(shù)左右對稱，因此算法中的反褶過程是不必要的。濾波器參數(shù)反褶與數(shù)據(jù)點反褶是等效的，而參數(shù)反褶后還是它本身，因此反褶過程可以省去[11-12]。
    經(jīng)過上述改進，在采樣率為20 kHz的情況下，濾波器的階數(shù)由12階提高到15階，單位階數(shù)耗時由4.1 ?滋s降低到3.3 ?滋s，效果較明顯。
3 實驗結果
    經(jīng)系統(tǒng)調試和測試后，使用虛擬示波器在計算機上觀察信號波形。未加窗直接進行脈沖壓縮時，單個LFM脈沖信號與脈壓后的信號如圖3所示。可以看出，脈壓信號在主瓣的兩側存在很大的副瓣信號，這對于信號檢測是很不利的。

    通過海明窗加權后，LFM信號與脈壓處理后的信號波形如圖4所示。

    從圖3、圖4的波形中可以看出，脈壓信號取模輸出在未加窗時數(shù)值上縮小了1 000倍，而加窗后縮小了4 500倍。加窗后脈壓結果看不到副瓣，這是由于副瓣過小，而D/A只有8 bit，數(shù)值范圍內無法同時表示主瓣與副瓣的值。實驗結果與仿真結果相符合，達到了預期的效果。
    本文研究了在現(xiàn)有DSP開發(fā)平臺上進行LFM信號實時脈沖壓縮的總體設計方案，并得出了理想的實驗效果。通過Matlab仿真產(chǎn)生LFM信號，并根據(jù)信號特性計算匹配濾波器的系數(shù)。為有效提高程序的效率，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲更新方式和卷積運算過程進行優(yōu)化設計，在保持采樣率不變的情況下，有效提高了單位階數(shù)耗時。同時，系統(tǒng)采用海明窗加權，有效抑制了脈壓信號中的副瓣電平。系統(tǒng)采用數(shù)字化結構，處理靈活，參數(shù)調整方便，且在處理精度和實時性方面都達到了較高的標準。當系統(tǒng)輸入信號來自于實測雷達數(shù)字下變頻或者每個基帶通道中模擬乘積檢波器后與A/D轉換形成的復包絡序列時，可以通過調整匹配濾波器系數(shù)的方式實現(xiàn)
脈壓而硬件平臺不需要修改，因此具有廣泛的通用性和推廣意義。
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