基于FPGA IP核的线性调频信号脉冲压缩

　　近年来，随着现场可编程门阵列(FPGA)在雷达信号处理中的广泛应用以及FPGA芯片技术的发展，为大家提供了一种较好解决数字脉压的途径。其中，利用IP核设计FPGA数字系统成为一种趋势，这些知识产权核可以大大简化FPGA的设计，加快设计速度，缩短研发周期，而且经过不断的优化，IP核具有了更好的精度和更快的运算速度，实际的工程应用效果很好。

　　本文以此为出发点，对线性调频信号的脉冲压缩进行了研究，仿真，并提出了一种采用IP核设计脉冲压缩的方法。

　　1 线性调频信号的脉冲压缩

　　1.1 脉冲压缩的实现原理

　　脉冲压缩可以采用"共轭滤波器对"的匹配滤波法和相关处理法。匹配滤波法对应于频域相乘，相关处理法对应于时域卷积。依据傅里叶变换理论：时域卷积等效于频域乘积。因此这两种方法是等效的，只是一种方法在频域实现，而另一种方法在时域实现。考虑到运算量，工程上一般采用频域法，可以利用快速FFT算法提高计算速度，然后将雷达回波与匹配滤波系数的频域响应相乘，再经过IFFT处理得到脉冲压缩结果。匹配滤波系数只与发射信号有关，预先可知，一般预先算好。

　　1.2 线性调频信号的脉冲压缩

　　一般在时宽带宽积BT>30时，可以近似认为线性调频信号具有矩形振幅频谱，因此其匹配滤波器也应该具有矩形带通振幅特性。线性调频信号的匹配滤波器的近似频率特性可描述为：

　　可以看出，线性调频的脉冲压缩结果具有sine函数形状。主瓣宽度为1/B，第一旁瓣电平约为-13.2 dB。如果是多目标环境，较大的旁瓣会埋没附近的小目标信号，为了抑制旁瓣，可以采用加权技术。其实质就是对信号进行失配处理以抑制旁瓣，其副作用是使输出信号的主瓣降低并展宽。

　　1.3 理论仿真

　　设匹配滤波器的输入信号是线性调频I/Q基带信号，带宽为40 MHz，采样频率为100 MHz，脉冲宽度为6μs，信号幅度为1，通过Matlab对其进行脉冲压缩仿真。图1中是输入的I/Q基带信号波形以及脉压后的结果。从图中可以看到脉压后产生的窄脉冲，波形具有sine函数性质，除主瓣外，时间轴上还有延伸的一串副瓣;还可看出，经过海明加权后，第一副瓣比主瓣下降约40 dB，但主瓣宽度也有相应的展宽。如图2所示。

　　2 脉冲压缩系统设计

　　该系统的主要功能是对线性调频I/Q基带信号进行高速采集，然后在FPGA中实现线性调频信号的脉冲压缩，之后通过D/A变换器输出脉压结果，监测脉压后的波形。

　　 2.1 系统硬件平台

　　该系统硬件平台主要包括：差分驱动电路，A/D采集电路、FPGA电路、晶振等电路、电路结构框图如图3所示。

　　FPGA采用的是Xilinx公司的芯片XQ2V1000，其配置芯片为Xilinx公司的PROM芯片XQ18V04，以主动串行方式对FPGA进行上电配置。差分驱动电路选用ADI公司的AD8138，A/D、D/A电路分别为ADI公司的14位高速模/数转换芯片ADS5500和14位高速数/模转换芯片DAC5675A。硬件电路的设计注重细节：I/Q两通道传输线设计时保证线长相等，使得I/Q时延带来的相位误差一致;采用DCI(DigitaUy Controlled Impe-dance)端接技术，在FPGA的每个bank上外接两个参考电阻来对该bank的每个I/O管脚实现端接，减少外接电阻的数量，实现阻抗匹配，提高系统的稳定性;做好电源滤波，对元器件进行合理布局，布线，对模拟信号和数字信号进行有效隔离，减小信号间串扰。

　　2.2 软件设计流程

　　整个脉冲压缩处理在时间上是顺序的，是典型的数据流驱动的系统，即先进行FFT，复乘然后是IFFT及FIFO输出，脉冲压缩的总时序关系见图4。该系统实现1 024点的脉冲压缩，算法上采用基于IP核的设计方法。主要用到了FFT核，乘法器核以及单口Block Memory核，这些IP核的应用及脉冲压缩的具体实现如下所述。

　　2.2.1 FFT运算

　　对于长度为N的时域序列X(n)的离散傅里叶变换为X(k)：

　　FFT算法主要是利用旋转因子exp(-j2πnk/N)的周期性和对称性的特点进行改进的算法，可以有效地减小运算量。Xilinx公司的FFT核利用Cooley-Tukey算法实现FFT/IFFT运算，最高支持216点长度的运算，可以实现流水线型、基4、基2三种结构，蝶形运算后可选择对数据顺序输出还是倒序输出，对IP核进行不同的配置，可以实现资源和运算速度的最优化。在此选用基4蝶形运算，对于1 024点数据，需要5级蝶形运算。

　　Xilinx公司的FFT核的参数通过GUI界面(见图5)进行设置，可设置的参数包括FFT点数，运算实施方法，输入数据位数等，设置完毕后点击Generate可即时生成代码。

硬件描述语言采用VHDL，使用时程序中要对器件初始化