脉冲压缩原理及FPGA实现

摘要：为解决雷达作用距离和距离分辨力的问题，分析了线性调频脉冲压缩的原理及工程实现方法，并利用Matlab软件对加权前后的线性调频信号脉冲压缩波形进行对比。简述了分布式(DA)算法的基本原理，给出一种基于FPGA分布式算法的时域脉冲压缩实现结构，利用QuartusⅡ软件完成脉冲压缩处理模块设计以及波形仿真。通过分析可以得出基于分布式算法实现的脉冲压缩可以减少资源利用率，大大节省硬件资源。
关键词：脉冲压缩；匹配滤波器；分布式算法；FPGA

0 引言
随着现代科技的发展，对雷达的作用距离、距离分辨力等性能提出了越来越高的要求。根据雷达理论，距离分辨力取决于信号的带宽，探测距离取决于信号的时宽，所以理想的雷达信号应具有大时宽带宽积。单载频脉冲信号的时宽带宽积近似为1 ，因此作用距离与距离分辨力存在矛盾。采用脉冲压缩可以有效解决上述矛盾，这样既提高了雷达的作用距离，又保证了较高的距离分辨力。用数字方式实现的脉冲压缩具有可靠性高，灵活性好，可编程、便于应用。因此，这里介绍一种在FPGA上用分布式算法实现时域脉冲的压缩，它是一种基于查找表的计算方法，与传统算法(乘累加)相比，分布式算法可以极大地减少硬件电路地规模，易于实现流水线处理，从而提高电路的执行速度。

1 脉冲压缩原理及Matlab仿真
1．1 线性调频信号脉冲压缩原理
大时宽带宽信号的实现是通过脉冲压缩滤波器实现的。这时雷达发射信号是载频按一定规律变化的宽脉冲，即具有非线性相位谱的宽脉冲。然而，脉冲压缩滤波器具有与发射信号变化规律相反的延迟频率特性，即脉冲压缩器的相频特性应该与发射信号实现相位共轭匹配。所以，理想脉冲压缩滤波器就是匹配滤波器。匹配滤波器的实现是通过对接收信号si(t)与匹配滤波响应h(t)求卷积得到的，即：

数字脉冲压缩的实现方式有两种。一是时域卷积法；二是频域FFT法。时域处理方法比较直观、简单，运算量相对较少。另外，由于FPGA等器件的迅速发展，时域卷积法得到了更大程度的应用。频域FFT法是先经过FFT的运算，再进行IFFT运算，然后得到脉压结果，其处理在本质上是与时域卷积法一样的。通常脉冲压缩用数字滤波器来实现，这时输入信号si(t)需要通过A／D转换器将其转换为数字信号si(n)。此时，脉冲压缩匹配滤波器的输出为：

其实现框图如图1所示。本文的设计就是按图1的原理而实现的。


1．2 线性调频脉冲压缩的Matlab仿真
线性调频信号经过匹配滤波器直接得到的脉冲压缩输出信号并不理想，主副瓣比只有13．2 dB，这在多数情况下是不能满足要求的。因为大的副瓣会在主瓣周围形成虚假目标，而且大目标的副瓣也会掩盖其邻近距离上的小目标，造成小目标丢失，所以必须降低输出信号的副瓣。常用的方法就是加权方法。如何选择加权函数，应根据应用场合的需要，依据最佳准则在副瓣抑制、主瓣展宽、信噪比损失、副瓣衰减速度以及技术实现的难易等几个方面考虑。