用高速DSP在频域上实现LFM信号的实时脉冲压缩
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用高速DSP在频域上实现LFM信号的实时脉冲压缩
用高速DSP在频域上实现LFM信号的实时脉冲压缩
用高速DSP在频域上实现LFM信号的实时脉冲压缩
摘要：时宽带宽（TB）积较小的线性调频（LFM）信号的脉冲压缩可用A100等器件构成的横向滤波器实现；对于TB积较大的LFM信号，在时域上对其进行脉冲压缩所需的计算量和硬件量太大。本文介绍用TMS320C6201 DSP在频域上实现大TB积LFM信号的实时脉冲压缩，内容包括海明加权、循环卷积、长数据分段迭加、软件流程图和硬件框图。实验结果表明，当雷达重要周期为300Hz时，对TB积为320的LFM信号进行脉冲压缩后最大副瓣电平为-42.3分贝。
&&& 关键词：LFM 脉冲压缩 信号处理器 实时信号处理 匹配滤波
为提高脉冲雷达或脉冲声纳的作用距离，通常有两个途径，其一是增加发射机峰值功率；其二是加大发射脉冲的宽度来提高平均发射功率。发射机的发射功率峰值受电源、功率放大器、功率传输通道（功率过大，波导等器件易打火）等限制；简单增加发射脉冲的宽度，相当于降低发射信号的带宽。为使相同时宽的脉冲增加带宽，可对发射脉冲内的载波进行线性调频；在接收端对线性调频的回波信号再进行脉冲压缩处理。经脉冲压缩后信号所具有的大的带宽能够提高测距精度和距离分辨力。宽脉冲内大的时宽能够提高测速精度和速度分辨力。因此脉冲压缩技术广泛用于雷达、声纳等系统，其中以线性调频信号的应用最为广泛。
1 线性调频信号的脉冲压缩
线性调频（LFM）信号是一种瞬时频率随时间呈线性变化的信号。零中频线调频信号u(t)可表示为：
u(t)=exp(jπBt2/T) -T/2&t&T/2&& （1）
式中，T为线性调频信号的时宽，B为带宽。
对线性调频信号的脉冲压缩处理，就是让信号通过一个与其相匹配的滤波器实现的。与u(t)匹配的滤波器的冲激响应为：
h(t)=exp(-jπBt2/T) -T/2&t&T/2&&& （2）
u(t)经匹配滤波器压缩后的输出g(t)为：
g(t)=u(t) *h(t) T&t&T&&& (3)
线性调频信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的使用。这将大大简化信号处理系统。
经性调频信号经匹配滤波器后的输出脉冲g(t)具有sinc(t)函数型包络，其最大副瓣电平为主瓣电压的13.2dB。在多目标环境中，旁瓣会埋没附近较小目标的信号，引起目标丢失。为了提高分辨多目标的能力，可以采用加权技术。设时域加权函数为w(t)，则加权输出为：
g(t)=u(t)*[h(t) ?w(t) ]&&& (4)
引入加权函数实质上是对信号进行失配处理。以抑制旁瓣，其副作用是输出信号的包络主瓣降低、变宽。即旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨力变坏作为代价的。加权函数可以选择海明加权函数、余弦平方加权函数等。海明加权函数为：
w(t)=0.08+0.92?cos 2（πf/B） （5）
在计算机中处理时，需要将信号离散化。当信号时宽很大时，在时域上计算卷积耗时较大。因此改为在频域上实现LFM信号的脉冲压缩。
G(n)=U(n) ?H(n)&&& (6)
式中U（n）=FFT[u(n)]&&& (7)
H(n)=FFT[h(n) ?w(n)]&&& (8)
则：g(n)=IFFT[G(n)]&&& (9)
在频域上LFM信号的脉冲压缩用循环卷积替代线性卷积进行计算。假设u（n）的长度为N1，h(n)的长度为N2,G（n）的长度为N。当N&L（L为N1+N2-1）时，g（n）中就会出现数据混叠，混叠发生在第0点到第L-N-1点，即g(n)在0至L-N-1点为无效数据。
2 LFM信号实时脉冲压缩的实现
2.1 TMS320C6201简介
TMS320C6201（以下简称为C6201）是美国TI公司1997年推出的定点DSP芯片。高速的数据处理能力和对外接口能力使其使用于雷达、声纳、通信、图像等实时处理系统。
C6201 DSP采用甚长指令字（VLIW）结构，单指令字长32Bit，8个指令组成一个指令包，总字长为256Bit。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个256Bit的指令包同时分配到8个处理单元并由8个单元同时运行。最大处理能力可达2400MIPS。
C6201的存储器寻址空间为32Bit。外部存储器接口包括直接同步存储器接口，可与同步动态存储器（SDRAM）、同步突发静态存储器（SBSRAM）连接，主要用于大容量、高速存储；还包括直接异步存储器接口，可与静态存储器（SRAM）、只读存储器（EPROM）连接，主要用于小容量数据存储和程序存储；还有直接外部控制器接口，可与FIFO寄存器连接。
TI公司推出了世界上第一个效率可达70%～80%的汇编语言级C编译器。对于高速实时应用，采用C语言和C6000线性汇编语言混合编程的方法，能够把C语言的优点和汇编语言的高效率有机地结合在一起，代码效率达到90%以上。
2.2 硬件构成
以TMS320C6201为核心器件的LFM信号的实时脉冲压缩的硬件构成如图1所示。
雷达中频信号经抗混迭滤波后，将其频带限制在一定的范围内。再经A/D变换后便得到中频直接采样的数据。双口RAM用于存放中频直接采样的原始数据。
TMS320C6201用于完成LFM信号的实时脉冲压缩处理，包括FFT变换、中频信号正交化、移频、脉压、IFFT等工作。
SDRAM为高速动态存储器，用于存放LFM信号脉冲压缩处理过程中的中间数据。
处理后的数据及处理过程中的数据均可送至PC机作保存、显示等相关处理。
2.3 工作流程
LFM信号的脉冲压缩的工作流程如图2所示。
在相参雷达、声纳和某些通信系统中，通常需要提取带限信号的同相分量（I）和正产分量（Q）。传统的方法是在同相支路和正交支路中把带限信号混频到基带（零中频），然后用与信号带宽相应的频率进行采样，以获得基带上的同相分量和正交分量。这种传统的正交采样方法存在的最大问题是I、Q两个支路总存在一定的增益不平衡和相位误差。
为了克服I、Q支路的幅相不平衡，本文采用中频直接采样的方法，即只用一个支路和一个A/D变换器。中频直接采样的数据通过适当的处理就可获得零中频上的正交信号数据。
FFT变换将中频直接采样的数据从时域变换到频域。
正交化的过程是从中频数据获得两路正交信号数据的过程，亦即从中频信号频谱获取正交信号频谱的过程。当采样频率fs、载频f0和信号带宽B之间满足f0=(2M-1) ?fs/4关系（一般M=1,fs&2B）时，中频信号频谱的正频率部分跟相应正交信号频谱是完全吻合的。
为了获得零中频上的正交信号频谱，必须将中频上的正交信号频谱沿频轴移动一个载频数量的大小，即移频。
用于脉冲压缩的匹配滤波器的时域值及基频谱在整个工作过程中是不变的。零中频正交信号的数据经脉冲压缩后，再做IFFT得到最终的脉冲压缩时域数据。
2.4 软件计算及其优化
在整个工作流程中，FFT及IFFT运算占用的比例很大，因此在LFM信号的实时脉冲压缩过程中，FFT程序的优化至关重要。
FFT运算采用基2时域抽取算法。在FFT的循环过程中，需要计算旋转算子。这是一个三角浮点运算，用C6201运算速度慢，很难达到实时处理的要求。所以在FFT运算之前把旋转算子计算好，放在数据存储器中加以调用。而且旋转算子的调用很有规律，寻址比较方便，所以不需花费很大的计算量。这样大大提高了FFT的运算速度。
N点FFT运算需要1/2（N?log2N）复数乘法。乘法花费指令周期较多，因此复数乘法的优化比较重要。在FFT程序中，主要采用了以下优化措施：
（1）采用short数据类型
FFT中的数据类型为short，字长16位。模拟信号经A/D变换后长度为12位，与16位比较接近，这样能够很好的节省内存资源。由于TMS320C6201为定点型芯片，用它来计算整数类型的代数和运算，能够发挥其最大的运算优势。而且，C6000系列的指令集内只有16位乘法指令，这样采用16位字长，能够节省乘法运算的指令周期数。
（2）使用字访问short类型
在复数乘法中，读、写内存比较频繁。读操作花费指令周期较多（需5个指令周期）。如果以short类型（字长16位）读、写内存，将要读内存6次，写内存4次。由于C6000指令集内的读写操作的数据可以是32位。所以可以采用int类型（字长32位）读、写内存，即每访问一次内存，操作数为两个Short数据。这样只需读内存3次，写内存2次，花费时间可以减少一半。
（3）使用内联函数
C6000编译器提供了大量的内联函数。如16位乘法算：_mpy()，_mpyh()，_mpyh1()，_mpylh()等。内联函数可快速优化C代码，在程序中应尽量使用。
2.5 长数据分段迭加
当一个雷达重复周期内采样的数据长度很大而相应匹配滤波器的数据很短时，可采用长数据分段迭加来减小运算量。即将信号长数据分散成若干个小段（每小段数据长度都与匹配滤波器数据长度相当），对每小段数据分别作FFT处理后再相加。实验结果表明：当信号数据长度越大时，采用此种方法相对于通常补零FFT方法的优越性越大，可以满足LFM信号实时脉冲压缩的要求。
通用DSP技术的不断发展，给实时雷达信号处理系统的实现带来了极大的方便。本文阐述了LFM信号实时脉冲压缩为雷达实时信号处理的一个实例，对于雷达声或纳等设备的实时信号处理具有一定的参考价值。
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电信说的几兆带宽和自己看到的下载/上传速度有什么关系？
　　李老板开了家小网吧，在电信办了4M的电信宽带(ADSL接入)，但是他回到家里用IE浏览器测试下载速度却只有400KB/S左右，而且不太稳定，给其他人传送文件速度只有50多KB/S。但是他问他的朋友张老板的4M电信宽带(光纤接入)下载和给其它人传文件速度有多少时，张老板却说，下载有450KB/S左右，很稳定，快的时候有500KB/S，给其它人发送文件的速度也有450~500多KB/S。
　　于是这个李老板很火，认为电信欺骗了他，说是4M宽带，下载只有400KB/S，而且发送文件(上传)只有50多KB/S，那事实上是这样吗？
结论：电信并没欺骗他！那为什么张老板办理的电信宽带比李老板办理的电信快带速度又快，又稳定？
问题一：为什么李老板的上传带宽比下载速度慢；
　　李老板的宽带是ADSL接入，因为ADSL是不对等带宽，上传速度只有下载速度的1/8左右。而张老板使用的是光纤接入，上传下载速度是对等的。因此李老板宽带上传速度比下载速度慢是正常现象。
问题二：为什么ADSL的上传速度只有下载速度的1/8？
　　ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line ，非对称数字用户环路）是一种网络接入方式。它因为上行和下行带宽不对称，因此称为非对称数字用户线环路。早期都是使用电话线作为ADSL线路介质。它采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。即使边打电话边上网，也不会发生上网速率和通话质量下降的情况。通常ADSL在不影响正常电话通信的情况下可以提供最高3.5Mbps的上行速度和最高24Mbps的下行速度。
　　正是受制于这种机制的限制，就造成的ADSL线路下载快，上传慢，而上传速度则为下载速度的1/8，可以说是国际标准了。同时，因为这种限制，单条ADSL线路一般情况下，最大速率也就只有10Mbps，很少有24Mbps的ADSL。
　　当然，随着网络的发展，电话线接入的ADSL一般比较少了，多数农村还在采用电话线接入，而城市小区一般都采用了LAN接入，也就是采用网线接入，虽然传输介质变了，因有些厂商仍然采用ADSL标准，所以通常情况下，只要是ADSL，无论是电话线，还是网线接入，都仍然是遵循着ADSL的协议规范，即上传带宽是下载带宽的1/8。只是网线的传输速度稳定性比电话线有所提高，所以大家感觉起来还是LAN接入的ADSL速度快，而且稳定。
　　光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。是可实现上行下载对称的网络接入方式。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。
问题三：那为什么4M的宽带，下载速度只有400KB/S左右呢？
　　首先电信说的带宽是“速率”单位，而我们通过工具或者IE下载或上传数据时，则显示的“速度”单位。那么两者有什么不同呢？请看下文：
带宽速率：也就是案例中，电信说的4M宽带：
　　指电信、联通、铁通等ISP供应商给到网吧的“带宽速率”，单位为Mbps或Kbps。
带宽速度：也就是案例中李老板看到的下载和发送文件速度：
　　指用户在使用工具下载或上传数据时工具显示的“带宽速度”，单位为MB/S或KB/S。
接下来，我们依次解释其中的差别：
①G、M、K是什么？
　　G、M、K是数量表示方法，就和我们平时说的几万、几千、几百的含义是一样的，只是他们之间的进制是1024，而不是100。例如：
　　1G=1024M，1M=1024K。
②大写B和小写b是什么意思，有什么区别？
　　大B：B(Byte字节)：是存储空间的基本计量单位也用作表示文件大小。通常用户计算存储空间或文件大小。
　　小b：b(bit位)，是二进制数的长度单位。
　　他们之间的换算关系是：1字节=8位二进制数，即：1Byte=8bit。
③Kbps是什么意思？
　　K已经说过，是数量单位，b(bit)也已经说过，是二进制位数。那p和s是什么意思？p(per)是每次的意思。s(second)是时间单位，秒的意思。无大小写之分。
因此Kbps中的含义是：每秒能够传递多少次1024个二进制位数，一般作为带宽速率单位，起码电信、联通这样的ISP厂商都是这样的，路由器也会遵循这个标准。
④KB/S是什么意思？
　　K是数量单位，B(Byte)字节，是最基础的存储空间单位，S(second)是时间单位，秒的意思。无大小写之分。
　　B/S的含义就是：每秒传递多少字节数据。
　　KB/S的含义就是每秒传输多少千字节数据，也就是多少KB数据，一般下载工具显示下载速度都是这个单位。
那么回过头来，我们看看为李老板的4M宽带下载速度只有400KB/S？理论应该是多少才正确？
　　我们先计算理论速度，为了方便计算，我们把4Mbps换算成Kbps：4*Kbps，再把这个速率单位换算成速度单位：4096Kbps/8=512KB/S，因此李老板的4M宽带理论下载速度应该有512KB/S，而实际只有400KB/S左右则是正常的。
　　再看实际传输速度，因为网络传输会有损耗，同时下载速度也要对方服务器能提供的带宽，因此4M宽带，下载速度有400KB/S是正常的。
那么李老板的4M宽带上传只有50KB/S正常吗？理论应该多少？
　　同样，先计算理论速度4Mbps的理论传输速度是512KB/S，而之前说过，ADSL的宽带上传速度是下载速度的1/8，因此512KB/S/8=64KB/S，加之网络传输损耗，有50KB/S的上传速度已经很正常了。
　　附：带宽速率与理论传输速度对比表：
特殊说明：
　　理论，可以解释为理想或者期望值，但结合实际的话，无论是光纤还是ADSL接入，实际速度都要比理论速度低一些的！假如你去测试速度，还要受对方服务器的带宽以及忙先程度不同，最终实际看到的测试速度都会比理论低一些，一般波动在50~100KB/S左右。
在某些城市，还存在着带宽不足的现象，比如明明是10Mbps的光纤宽带，速度理论应该有1280KB/S，而实际只有800~1000KB/S。遇到这种问题您只能联系电信或联通厂商。
　　当然也可以采取投诉，因为这是赤裸裸的欺骗。大家可以到搜索“电信 带宽不足”关键字，就能够看到相关报道。
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