CN106842144A - 并行多相结构数字脉压方法 - Google Patents

Abstract

该方法应用于雷达接收系统的宽带数字中频接收预处理领域。本方法通过数字下变频算法获取多支路并行基带线性调频信号是进行宽带并行脉压的前提，对于并行脉压方法的实现：首先采用并行多相结构FFT算法实现信号的频域变换，再基于Matlab仿真得到脉压匹配系数并与FFT后的信号相乘，最后基于频域抽取变换完成多支路信号的IFFT就获得了并行脉压的计算结果。并行多相结构数字脉压方法，相比于现有的串行存储方式脉压，具有节省硬件存储资源、减少数据处理时间并提高实时性的优点。

Description

并行多相结构数字脉压方法

1.所属技术领域

该方法应用于雷达接收系统的宽带数字中频接收预处理领域。

2.背景技术

基于FPGA进行雷达信号处理具有硬件规模小、算法扩展灵活性和实时性强等优点，在越来越多的雷达系统得以应用，利用FPGA不仅可以实现数字中频接收等传统预处理设计，更可以完成信号脉压等原来由DSP阵列实现的算法。

在宽带雷达接收系统中，信号带宽通常达到几百MHz、甚至1GHz，数字中频预处理的AD采样率也至少是带宽的两倍以上，如此高的数据率使得基于FPGA的数字下变频算法通常采用并行多相滤波结构，以降低FPGA的处理时钟。而基于并行多相滤波结构的数字下变频结果是获得了并行多个支路的基带信号输出，本方法即针对高速数据采集电路的并行多路基带信号的脉压算法给出合理解决方案。

对宽带多路并行基带信号进行脉压，现有技术中较为直观的解决方法就是串行存储方式，即将并行信号先通过FIFO或双口RAM缓存，然后按支路顺序依次读取各存储器中的数据合成一路串行完整信号，最后按照单路信号脉压的方式来实现。这种串行存储脉压方式存在以下缺点：

(1)严重浪费硬件存储资源：并行多个支路的信号进行存储需要消耗较多的FPGA资源，加重了FPGA算法实现的负担。

(2)增加支路信号顺序组合的处理时间：多个并行支路依次顺序组合，使得处理时间增加几倍，大大削弱了处理的实时性。

本方法则根据并行多支路基带信号的特点，采用并行多相结构来实现频域脉压，不但解决现有串行存储方式对硬件资源的浪费，也提高了信号处理的实时性。

3.发明创造的目的

针对宽带数字中频接收采用串行存储脉压方式导致硬件资源浪费和实时性差的特点，本方法提出并行实时脉压方法，通过并行多相FFT和频率抽取IFFT结构实现实时流水脉压算法，解决现有串行存储脉压方法存在的缺陷。

4.技术方案

本方法通过数字下变频算法获取多支路并行基带线性调频信号是进行宽带并行脉压的前提，对于并行脉压方法的实现：首先采用并行多相结构FFT算法实现信号的频域变换，再基于Matlab仿真得到脉压匹配系数并与FFT后的信号相乘，最后基于频域抽取变换完成多支路信号的IFFT就获得了并行脉压的计算结果。实现架构如图1示。并行多相结构数字脉压方法，包括以下步骤：

(1)并行多相FFT运算

针对多个支路并行基带线性调频信号，采用并行多相方式完成FFT运算。再根据分解公式完成支路信号的合并算法，即获得各支路信号的并行多相FFT结果。设线性调频信号的时域信号为x(n)，并行支路数为D、运算点数为N，其FFT可以分解为：

(式1)

其中，为第i支路信号的N/D点FFT；

n＝0,1,...,N-1；

k＝0,1,...,N-1；

i＝0,1,...,D-1；

k'＝0,1,...,N/D-1；

m＝0,1,...,N/D-1；

(2)匹配系数相乘

由于进行脉压的状态能够确定，因此匹配系数先计算好，待进行相乘运算时直接读取系数，与FFT后的信号依次进行点乘即可。

(3)频率抽取IFFT运算

多支路分别与匹配系数相乘后的仍为D路并行信号，基于频率抽取的IFFT算法可以分解为

(式2)

按频率抽取方式将IFFT分解为各支路信号的运算，即获得与输入支路数相同的并行多支路脉压结果。

5.发明创造的优点和用途

并行多相结构数字脉压方法，相比于现有的串行存储方式脉压，具有节省硬件存储资源、减少数据处理时间并提高实时性的优点。

此方法可以广泛应用于并行高数据率数字脉压领域，例如基于FPGA的宽带数字接收预处理，尤其是接收带宽达到GHz、采样率在2GHz以上的中频接收系统，对提高算法的实时性以及节省资源开销具有重要意义。

6.附图和附图说明

图1并行多相结构数字脉压实现架构；

图2并行多相FFT实现结构；

图3并行多相结构脉压仿真结果。

7.具体实施方式

以常用的并行度为4的宽带数字中频接收系统为例，并行多相结构的数字脉压具体实施步骤如下：

(1)获取并行基带I/Q数据

获取并行基带数据是实现脉压的前提。按照图1中描述的设计架构，先进行中频模拟信号的高速ADC采样，然后在FPGA内完成并行多相结构数字下变频算法，最后获得需要进行脉压的并行4个支路基带I/Q信号。

(2)并行多相FFT

根据式(1)对FFT运算的分解，将4个支路基带I/Q信号各自独立进行FFT运算，再将各支路的FFT结果进行合成即获得并行多相FFT计算结果，实现结构如图2示。

FFT后获得基带信号的频域数据，即完成数字脉压算法的第一步。

(3)匹配系数存储

匹配系数的获得是实现脉压的第二步。根据脉压信号的参数，基于Matlab仿真获得匹配系数，然后将匹配系数按并行FFT的运算方式进行多路拆分，并存储于4个独立的ROM中，在进行并行多支路点乘时同时读取各个ROM中的系数即可。

(4)频率抽取IFFT

根据式(2)对IFFT运算进行基4频率抽取分解：

令

那么这4个并行支路的IFFT可以分别表示为：

x₀(r)＝IFFT(X₀(k)),x₁(r)＝IFFT(X₁(k)),x₂(r)＝IFFT(X₂(k)),x₃(r)＝IFFT(X₃(k))

(k＝0,1,...,N/4-1)，(r＝0,1,...,N/4-1)。

令n＝4m,4m+1,4m+2,4m+3,(m＝0,1,...,N/4)，则

对4个并行支路分别进行IFFT运算，再按照上述基4频率抽取的合成方式，即获得多路并行IFFT计算结果，也就是并行脉压的实现结果。

以数字下变频后应用范围较广的并行4个支路基带I/Q线性调频信号为例，基于FPGA进行4096点脉压的仿真结果如图3示。

仿真结果验证了实现并行支路为4路的多相结构脉压方法的可行性，进而也能够适用于多种并行支路的情况。

Claims (1)

1.并行多相结构数字脉压方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)并行多相FFT运算

针对多个支路并行基带线性调频信号，采用并行多相方式完成FFT运算；再根据分解公式完成支路信号的合并算法，即获得各支路信号的并行多相FFT结果；设线性调频信号的时域信号为x(n)，并行支路数为D、运算点数为N，其FFT可以分解为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nk}$

$=\underset{i=0}{\overset{D-1}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}x(mD+i)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(mD+i)k}$

$=\underset{i=0}{\overset{D-1}{\Σ}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}ik}\underset{m=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}x(mD+i)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N/D}mk}$

$=\underset{i=0}{\overset{D-1}{\Σ}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}ik}X({\mathrm{Dk}}^{\′}+i),$ (式1)

其中，为第i支路信号的N/D点FFT；

n＝0,1,...,N-1；

k＝0,1,...,N-1；

i＝0,1,...,D-1；

k'＝0,1,...,N/D-1；

m＝0,1,...,N/D-1；

(2)匹配系数相乘

由于进行脉压的状态能够确定，因此匹配系数先计算好，待进行相乘运算时直接读取系数，与FFT后的信号依次进行点乘即可；

(3)频率抽取IFFT运算

多支路分别与匹配系数相乘后的仍为D路并行信号，基于频率抽取的IFFT算法可以分解为

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}X\left(k\right)W_N^{kn}$

$=\frac{1}{N}(\underset{k=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}X\left(k\right)W_N^{kn}+\underset{k=0}{\overset{2N/D-1}{\Σ}}X\left(k\right)W_N^{kn}+...+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}X(k\left)W_N^{kn}\right)$

$=\frac{1}{N}(\underset{k=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}X\left(k\right)W_{N/D}^{kn/D}+\underset{k=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}X\left(k+\frac{N}{D}\right)W_{N/D}^{kn/D}+...$

$+\underset{k=0}{\overset{N/D-1}{\Σ}}X(k+\frac{(D-1)N}{D})W_{N/D}^{kn/D}),W_N^{kn}=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}kn}$ (式2)

按频率抽取方式将IFFT分解为各支路信号的运算，即获得与输入支路数相同的并行多支路脉压结果。