1、電子科技大學(xué) 電子工程 學(xué)院標(biāo) 準(zhǔn) 實 驗 報 告（實驗）課程名稱 LFM脈沖壓縮雷達(dá)的設(shè)計與驗證 電子科技大學(xué)研究生院制表電 子 科 技 大 學(xué)實 驗 報 告學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 實驗地點：科B516室 實驗時間： 一、實驗室名稱： 電子信息工程專業(yè)學(xué)位研究生實踐基地 二、實驗項目名稱： LFM脈沖壓縮雷達(dá)的設(shè)計與驗證三、實驗學(xué)時：20四、實驗原理：1、LFM脈沖信號和脈沖壓縮處理脈沖雷達(dá)是通過測量目標(biāo)回波延遲時間來測量距離的，距離分辨力直接由脈沖帶寬確定。窄脈沖具有大帶寬和窄時寬，可以得到高距離分辨力，但是，采用窄脈沖實現(xiàn)遠(yuǎn)作用距離需要有高峰值功率，在高頻時，由于波導(dǎo)尺寸小，會

2、對峰值功率有限制，以避免傳輸線被高電壓擊穿，該功率限制決定了窄脈沖雷達(dá)有限的作用距離?，F(xiàn)代雷達(dá)采用兼具大時寬和大帶寬的信號來保證作用距離和距離分辨力，大時寬脈沖增加了雷達(dá)發(fā)射能量，實現(xiàn)遠(yuǎn)作用距離，另一方面，寬脈沖信號通過脈沖壓縮濾波器后變換成窄脈沖來獲得高距離分辨力。進(jìn)行脈沖壓縮時的LFM脈沖信號為基帶信號，其時域形式可表示為 其中的矩形包絡(luò)為 式中的為調(diào)頻斜率，與調(diào)頻帶寬和時寬的關(guān)系如下式 時帶積時，LFM脈沖信號的頻域形式可近似表示為 脈沖壓縮濾波器實質(zhì)上就是匹配濾波器，匹配濾波器是以輸出最大信噪比為準(zhǔn)則設(shè)計出來的最佳線性濾波器。假設(shè)系統(tǒng)輸入為，噪聲為均勻白噪聲，功率譜密度為，是僅在區(qū)間取

3、值的輸入脈沖信號。根據(jù)線性系統(tǒng)的特點，經(jīng)過頻率響應(yīng)為匹配濾波器的輸出信號為，其中輸入信號分量的輸出為 與此同時，輸出的噪聲平均功率為 則時刻輸出信號信噪比可以表示為 要令上式取最大值，根據(jù)Schwarz不等式，則需要匹配濾波器頻響為 對應(yīng)的時域沖激響應(yīng)函數(shù)形式為 要使該匹配濾波器為因果系統(tǒng)，必須滿足，信噪比最大時刻的輸出信噪比取值是 當(dāng)匹配濾波器沖激響應(yīng)函數(shù)滿足(5-5)式時，通過匹配濾波器的輸出信號分量可以表示為下式： 由上式可知，此時的輸出信號分量實際上是輸入信號的自相關(guān)函數(shù)，在時刻輸出的最大值就是自相關(guān)函數(shù)的最大值。如上所述，匹配濾波器輸出信號是信號波形的自相關(guān)函數(shù)，其傅立葉變換結(jié)果就是

4、信號功率譜，則信號帶寬越大，輸出信號越窄，距離分辨力越好。所以，當(dāng)寬脈沖的脈內(nèi)頻率或相位經(jīng)過調(diào)制后，信號帶寬增大，經(jīng)過匹配濾波器后就會被壓縮為窄脈沖，從而保證了雷達(dá)的作用距離和高距離分辨力。這樣的調(diào)制信號被稱為脈沖壓縮信號，常用的脈沖壓縮信號包括LFM脈沖、非線性調(diào)頻（NLFM）脈沖和相位編碼脈沖。匹配濾波器對調(diào)制后脈沖的壓縮作用，也可以從濾波器的群延時特性來理解。從上面表達(dá)式可知，除了時延引入的相位因子以外，濾波器頻響的相位函數(shù)與輸入信號是共軛關(guān)系，這也就是說，濾波器的群時延特性正好與輸入信號的頻率-時間變化規(guī)律相反。以LFM脈沖信號為例，雷達(dá)發(fā)射信號頻率隨時間增加，而匹配濾波器對信號起始的

5、低頻分量延時大，對后面的高頻分量延時小，中間頻率則按相應(yīng)比例延遲，這樣，線性調(diào)頻脈沖的不同分量，幾乎同相地從匹配濾波器輸出，在某個時刻輸出壓縮成單一載頻的窄脈沖。要對基帶LFM脈沖信號進(jìn)行壓縮處理，對應(yīng)的匹配濾波器應(yīng)具有以下特性 式中的和分別是LFM脈沖的幅頻特性和相頻特性。為方便推導(dǎo)，進(jìn)行變量代換時，取，則得到LFM脈沖經(jīng)過匹配濾波器后輸出的信號頻譜為 經(jīng)過傅立葉反變換后，則得到脈沖壓縮輸出信號為 由上式可知，LFM脈沖經(jīng)過脈沖壓縮以后輸出的信號為函數(shù)，與壓縮前的脈寬相比，脈沖寬度壓縮了倍。2、DUC和DDC窄帶信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式常寫為：（通信和雷達(dá)） 正交分量為兩個相互正交的分量可表示為復(fù)解

6、析式： zB(t)為零載頻信號，稱之為基帶信號（Baseband Signal）或零中頻信號。 其中，zBI (t)就是I信號，zBQ (t)就是Q信號。因此，由已調(diào)信號x(t)獲得基帶信號zBI (t)、zBQ (t)后，其幅度、相位或頻率的調(diào)制信息可通過運算獲得： 其中，式(1.22)中tan-1為四象限反正切。通過信號的復(fù)解析，很容易獲得信號的基帶調(diào)制信息，因此這一過程也稱為正交解調(diào)或正交分解，其相反的過程稱為正交調(diào)制。在數(shù)字域中完成的正交解調(diào)為DDC，反之為DUC。DDC的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示LPFx(n)LPFcoswon-sinwonzBI(n)zBQ(n)圖1 DDC結(jié)構(gòu)示意框圖D

7、UC的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示BPFy(n)zBI(n)zBQ(n)coswon-sinwon圖2 DUC結(jié)構(gòu)示意框圖3、恒虛警處理（CFAR）基本方法雷達(dá)信號的檢測問題，就是對某一坐標(biāo)位置上目標(biāo)信號“有”或“無”的判斷問題。最初，這一任務(wù)由雷達(dá)操縱員根據(jù)雷達(dá)屏幕上的回波信號進(jìn)行人工判斷來完成。后來，出現(xiàn)了自動檢測技術(shù)，并從一開始的固定、半固定門限檢測發(fā)展到自適應(yīng)恒虛警檢測（CFAR）。CFAR檢測使得雷達(dá)在多變的背景信號中能夠維持虛警概率的相對穩(wěn)定，這種虛警概率的穩(wěn)定性對于大多數(shù)的雷達(dá)，如搜索警戒雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、火控雷達(dá)等都是至關(guān)重要的，因此，CFAR檢測已逐漸成為現(xiàn)代雷達(dá)的一項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在進(jìn)行恒

8、虛警處理時，根據(jù)處理對象的不同分為慢門限恒虛警和快門限恒虛警。慢門限恒虛警主要針對接收機(jī)內(nèi)部噪聲，快門限恒虛警則針對于雜波環(huán)境下的雷達(dá)自動檢測。慢門限CFAR：對于高斯類雜波，較早的檢測是噪聲電平恒定電路，它適用于接收機(jī)熱噪聲之類的平均功率變化緩慢的情況，稱為慢門限檢測。接收機(jī)內(nèi)部噪聲由于溫度、電源等因素而改變，它的變化是緩慢的，故適用于慢門限CFAR。下圖為慢門限恒虛警噪聲電平恒定電路模型。五、實驗?zāi)康模?. 掌握LFM脈沖信號的產(chǎn)生；2. 掌握脈沖壓縮模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn);3. 掌握MTI模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn);4. 掌握CFAR模塊的設(shè)計與FPGA實現(xiàn);六、實驗內(nèi)容：根據(jù)給出的信號

9、參數(shù)，產(chǎn)生基帶LFM脈沖信號，并利用DUC將其變換到中頻輸出；然后根據(jù)帶通采樣定理，對中頻信號進(jìn)行采集后，再進(jìn)行DDC，得到LFM脈沖的基帶信號；采用時域脈沖壓縮方法對基帶LFM脈沖信號進(jìn)行脈沖壓縮處理；按照CA-CFAR步驟，求出平均噪聲功率，然后進(jìn)行歸一化，按照門限進(jìn)行判決七、實驗器材（設(shè)備、元器件）：示波器，計算機(jī)，軟件無線電實驗平臺八、實驗步驟：1. 按照前面所述的原理，先完成LFM脈沖基帶信號的設(shè)計和仿真，得到仿真采樣率40MHz下，帶寬10MHz，脈沖寬度6.4ms的LFM脈沖基帶信號的時域波形如下：050100150200250300-1-0.500.51050100150200

10、250300-1-0.500.51 圖3 LFM脈沖基帶信號時域波形頻域圖形如下： 圖4 LFM脈沖基帶信號頻域波形2. 在經(jīng)過DUC變換到中頻后，時域波形為圖5 LFM脈沖中頻信號時域波形頻域圖形為 圖6. LFM脈沖中頻信號頻域波形3. 按照一幀數(shù)據(jù)由16個PRI組成，用MATLAB編程產(chǎn)生一幀中頻回波信號，幅度受多普勒頻率調(diào)制，然后再進(jìn)行數(shù)字下變頻，數(shù)字下變頻的NCO頻率選為10M，采樣率選為40M，則經(jīng)過下變頻和抽取后的I路和Q路時域波形如下 圖7 LFM脈沖串基帶信號時域波形將上述的脈沖串波形放大后觀察，每個PRI內(nèi)的基帶回波信號應(yīng)該和圖3的基帶信號波形完全一致。4 接下來就是對基帶

11、回波脈沖串的脈沖壓縮處理，處理后對輸出復(fù)信號進(jìn)行求模，得到的輸出波形如下圖圖8 LFM脈沖串基帶信號脈壓后時域波形單個PRI內(nèi)，脈沖壓縮求模后的時域波形如下圖所示圖9 脈沖壓縮輸出結(jié)果5對上述脈壓后的結(jié)果進(jìn)行恒虛警處理，則可以檢測出目標(biāo)所在位置。6. 采用HDL語言實現(xiàn)整個信號產(chǎn)生和處理檢測過程，整個FPGA程序框架如下圖所示。圖10. FPGA模塊組成結(jié)構(gòu)框圖在模塊劃分完成以后，需要對圖10中給出的每個模塊分別編寫程序和軟件仿真，驗證了模塊和整個程序的時序正確性后，將編譯后結(jié)果下載到軟件無線電實驗平臺（具體連接和下載過程按照軟件無線電實驗平臺使用手冊進(jìn)行），然后將重要模塊的輸出送到D/A來觀察系統(tǒng)工作是否正常。九、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：1. 中頻LFM脈沖信號產(chǎn)生DDC變換后的基帶I路和Q路時域波形測試結(jié)構(gòu)如下圖所示圖11. 中頻信號實測結(jié)果2. DDC變換結(jié)果DDC后I、Q兩路信號實測波形如下圖所示圖12. 基帶I、Q路信號實測結(jié)果3脈沖壓縮脈沖壓縮采用易于實現(xiàn)的時域脈沖壓縮方法，需要注意的是由于是對復(fù)基帶信號進(jìn)行處理，因此需進(jìn)行復(fù)數(shù)匹配濾波器處理，波形如