脈沖壓縮技術(shù)因解決了雷達(dá)作用距離與分辨率之間的矛盾而成為現(xiàn)代雷達(dá)的一種重要技術(shù)。雷達(dá)的信號參數(shù)是確知的，采用大時(shí)寬帶寬積的信號和用匹配濾波器進(jìn)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(dá)的作用距離和分辨率[1-2]。線形調(diào)頻(LFM)信號因其產(chǎn)生和處理簡單而最先得到應(yīng)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(shù)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(gè)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(shù)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(jìn)行展寬處理，實(shí)現(xiàn)信號的匹配濾波。數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)具有性能穩(wěn)定、受干擾小、工作方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，是現(xiàn)代脈壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
    本文針對實(shí)際工程應(yīng)用，采用TI公司推出的TMS320-
VC5509系列DSP芯片實(shí)現(xiàn)了LFM信號的實(shí)時(shí)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(shí)域脈壓處理，同時(shí)采取了一定的優(yōu)化方法以提高系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)性，濾波結(jié)果衰減后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)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(jìn)行海明窗加權(quán)。該系統(tǒng)通用性好，濾波系數(shù)調(diào)整方便，在實(shí)時(shí)性和處理精度上都達(dá)到了很高的要求，可以為現(xiàn)代雷達(dá)信號處理機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

2 脈壓算法具體實(shí)現(xiàn)
    LFM信號的實(shí)時(shí)脈沖壓縮以時(shí)域?yàn)V波程序?yàn)榛A(chǔ)，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(yùn)算量也越大。為了保證處理的實(shí)時(shí)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(yùn)算時(shí)間成為相互矛盾的指標(biāo)，基于這一點(diǎn)，本文采用單位階數(shù)耗時(shí)來衡量濾波器程序的性能指標(biāo)，其定義如下：
   
其中，T表示濾波運(yùn)算總耗時(shí)，N表示濾波器的階數(shù)。當(dāng)時(shí)間一定時(shí)，單位階數(shù)耗時(shí)越小，則濾波器的階數(shù)越高，性能越好；當(dāng)濾波器的階數(shù)一定時(shí)，單位階數(shù)耗時(shí)越小，則可以匹配的采樣率越高。因此，該指標(biāo)可以很好地判斷濾波器算法的優(yōu)劣。設(shè)計(jì)中都以該指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)衡量濾波器程序效率并提供改進(jìn)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(diǎn)通用型DSP芯片，可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算(例如乘法)能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)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(diǎn)。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(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，功能強(qiáng)大；同時(shí)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(jìn)行優(yōu)化，提高代碼效率。
2.2 主程序設(shè)計(jì)
    主程序主要完成初始化操作和FIR濾波算法。時(shí)域FIR濾波本質(zhì)上是進(jìn)行線性卷積運(yùn)算，包括反褶、移位、乘累加運(yùn)算三步。當(dāng)采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后，對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、運(yùn)算，得到處理結(jié)果；當(dāng)采集到下一個(gè)數(shù)據(jù)后，重復(fù)上述過程。為了保證實(shí)時(shí)性，在一個(gè)數(shù)據(jù)采集完成之前，上一個(gè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算應(yīng)已經(jīng)完成。
    設(shè)計(jì)中FIR濾波器采用橫截型結(jié)構(gòu)，依據(jù)Matlab的仿真結(jié)果將LFM信號的波形數(shù)據(jù)和濾波器參數(shù)保存在內(nèi)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(jìn)行D/A轉(zhuǎn)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(wù)程序設(shè)計(jì)
    中端服務(wù)程序負(fù)責(zé)進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的讀取、處理結(jié)果的D/A轉(zhuǎn)換、啟動(dòng)下次采集、采集結(jié)束標(biāo)志位的置位等。由于LFM信號進(jìn)行了脈沖調(diào)制，在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)有效，而在其他時(shí)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(huì)浪費(fèi)存儲空間，而且不利于周期修改。因此，程序中使用兩個(gè)寄存器分別存儲脈寬內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)和整個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，配合計(jì)數(shù)器，達(dá)到了既節(jié)約存儲空間又方便改變周期的目的。中斷服務(wù)程序流程圖如圖1所示。

2.4 程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
    程序采用隊(duì)列的方式存儲數(shù)據(jù)，存儲一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)后進(jìn)行卷積運(yùn)算，并將結(jié)果輸出。下一個(gè)數(shù)據(jù)輸入后，清除最早存儲的數(shù)據(jù)并存入當(dāng)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(yùn)算從第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開始。這樣做能簡化濾波處理函數(shù)的接口設(shè)計(jì)，但其效率低下，每次更新的數(shù)據(jù)只有一個(gè)，其余數(shù)據(jù)的相對位置不改變，卻對每個(gè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了操作。為提高效率，在設(shè)計(jì)中設(shè)置一個(gè)寄存器，存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)隊(duì)列的首位(即最早進(jìn)入隊(duì)列的數(shù)據(jù)位置)；更新數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)該寄存器的內(nèi)容，找到數(shù)據(jù)隊(duì)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(shí)，寄存器指向下一個(gè)地址。這樣，每次只需對兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)很多時(shí)，這種方法的優(yōu)勢就更明顯。作為代價(jià)，濾波運(yùn)算模塊增加一個(gè)接口，但是對模塊的復(fù)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(jìn)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(shè)計(jì)的濾波器為線性相位的FIR濾波器，其特點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)，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(shí)由4.1 ?滋s降低到3.3 ?滋s，效果較明顯。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試和測試后，使用虛擬示波器在計(jì)算機(jī)上觀察信號波形。未加窗直接進(jìn)行脈沖壓縮時(shí)，單個(gè)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(cè)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(quán)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(shí)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(jié)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(nèi)無法同時(shí)表示主瓣與副瓣的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，達(dá)到了預(yù)期的效果。
    本文研究了在現(xiàn)有DSP開發(fā)平臺上進(jìn)行LFM信號實(shí)時(shí)脈沖壓縮的總體設(shè)計(jì)方案，并得出了理想的實(shí)驗(yàn)效果。通過Matlab仿真產(chǎn)生LFM信號，并根據(jù)信號特性計(jì)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(yùn)算過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持采樣率不變的情況下，有效提高了單位階數(shù)耗時(shí)。同時(shí)，系統(tǒng)采用海明窗加權(quán)，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(jié)構(gòu)，處理靈活，參數(shù)調(diào)整方便，且在處理精度和實(shí)時(shí)性方面都達(dá)到了較高的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)輸入信號來自于實(shí)測雷達(dá)數(shù)字下變頻或者每個(gè)基帶通道中模擬乘積檢波器后與A/D轉(zhuǎn)換形成的復(fù)包絡(luò)序列時(shí)，可以通過調(diào)整匹配濾波器系數(shù)的方式實(shí)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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