基于FPGA的LFM脉冲压缩算法设计与实现文献综述

 2022-11-26 17:41:41

文 献 综 述

在科学研究、现代战争和国防建设中,雷达一直在发挥重要的作用,占据重要的位置。从气候研究、宇宙探测,到军事化行动,雷达都起着至关重要的作用。

在现代化的军事中,几乎所有的军事装备上都会配备雷达,诸如导弹、舰艇、飞机等等。战争中信息的收集和敌方情报的探测及其重要,战场上不能知晓敌方的动向,必然会吃大亏,打败仗,而雷达就是战场上的“眼睛”,通过对雷达的有效利用,可以增强防御效率,扩展攻击范围[1]。一双好的“眼睛”就是制胜的法宝。

随着科技的发展,战争对技术的需求越来越高,对雷达的作用距离、分辨能力、测量精度等性能指标也提岀越来越髙的要求。测距精度和距离分辨力对信号形式的要求是一致的,主要取决于信号的频率结构,为提高测距精度和距离分辨力,要求信号具有大的带宽。而测速精度和速度分辨力则取决于信号的时域结构,为提髙测速精度和速度分辨力,要求信号具有大的时宽。提高时宽另外一个作用也是增加功率,提高雷达系统的发现能力。从上面可以看出,为了提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力,要求信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。但是在简单脉冲信号的雷达中,雷达信号的时宽带宽积约为1,不能兼顾距离分辨率和速度分辨率,距离分辨率和最大距离这两对指标,而当使用时宽带宽积远大于1的LFM线性调频等信号时,可以利用脉冲压缩,使得信噪比增强,并且可以很好的解决作用距离和分辨能力之间的矛盾,使得在提升距离分辨力的同时,也可以提高作用距离,因此脉冲压缩技术得到了广泛的应用[2]

以往,人们通常使用DSP来进行数字信号处理,由于DSP采用顺序执行指令的工作方式,无法进行并行化处理,因此具有处理速度慢、延时大、效率低等缺点。随着现代电子技术的飞速发展,低功耗、小体积、实时性已成为电子设备的发展趋势。尤其是1965年 Cooley和 Tukey发现了FFT离散傅里叶变换的快速算法,为并行处理频域问题开辟了新的途径,之后又陆续岀现了许多快速算法和数字滤波器的设计方法。

自七十年代后期以来,集成电路技术得到了迅速的发展。同时,随着超微细加工方法和工艺的不断完善,计算机科学的进步, LSI/VLSI/ULSI产品不断涌现,雷达信号的产生和处理能力得到了巨大的提升。以FPGA为代表的超大规模可编程逻辑器件如异军突起,使数字信号处理发展的这一趋势得到了广泛的应用FPGA是一种可由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路器件,它同传统的ASIC不同的是,它所实现的功能不是固定的,可以由用户通过编程语言来进行自定义设计。随着CAD开发工具的日渐完善和FPGA工艺水平的日益提高,利用FPGA来实现各种信号处理算法乃至整个处理系统成为了一种普遍现象和发展趋势,并且对算法进行并行化处理也成为了一种学科。用FPGA来实现DSP算法具备其特有的优势:首先,FPGA非常适合于各种算术运算,其内部集成了成百上千个加减乘法的集成单元。并且这些集成单元都可以并行运算,可以将数据带宽和吞吐量提高几个数量级:其次,相对于通用数字信号处理器和DSP处理器而言, FPGA可以由设计者根据算法的内在结构设计出合适的硬件实现方法,以最大程度的并行化来提高效率;高速数据传输和存储,一些高性能的FPGA内部集成了小块RAM并且具有光纤数据传输接口 RocketIo,传输速度可达到6.5Gbps,可以用与SATA, PCI Express, Ethernet gigabit等等的传输。另外,采用FPGA,开发人员在开发的过程中可以方便的修改电路优化设计,并且可以方便的对功能进行仿真,大大的提高了工作效率和设计灵活性,避免了初期巨大的开发投资[3]

对于基于FPGA的脉冲压缩系统的研究,国外起步比较早,各项技术都有了成熟的应用,特别是在军事上的广泛使用。在美国现今很多的武器系统中,尤其是在需要雷达的地方,都大量的使用了脉压技术,比如宙斯盾系统上各种作战单位的雷达。随着我国对脉压技术的学习和研究,国内很多单位对脉冲压缩技术的研究都有了初步的成效,根据公开的资料可以得到的研究成果如下:

2005年电子科技大学采用ADSP21160M作为核心处理芯片,对带宽25MHz,时宽40us的线性调频信号进行脉压[4]

2006年国防科技大学采用FPGA DSP的平台,系统参数为:20M带宽,620us的时宽,5KHz的重复周期[5]

2007年南京理工大学完成脉压参数为:2GHz载频,40M带宽,5us的脉冲持续时间,50ms的脉冲重复周期[6]

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