CN109921800B - 基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，包括：状态控制机、存储单元和和脉冲压缩计算单元；状态控制机包括存储状态控制单元和脉压状态控制单元；状态控制机根据控制参数调整工作模式，控制存储单元和脉冲压缩计算单元的工作状态：通过存储状态控制单元控制存储单元对输入数据和输出数据进行缓存；通过脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元对输入数据进行脉冲压缩后输出；其中，脉冲压缩计算单元中的输入数据采用自定制浮点格式。本发明在脉冲压缩处理时，采用自定制浮点数据格式来改善处理器的动态范围和提高处理精度。

Description

基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法。

背景技术

脉冲压缩作为现代雷达的重要技术，有效地解决了距离分辨力与平均功率之间的矛盾，并在现代雷达中广泛应用。

数字脉冲压缩的实现方法分为时域和频域两种。在时域的脉冲压缩是通过数字有限冲击响应(FIR)实现的，等效于求离散接收信号与发射波形离散样本之间的复相关运算，这种方法电路结构简单，实现方便，通常用于压缩比较小的情况下在频域脉冲压缩是通过快速傅里叶变换(FFT)实现的，是回波信号的FFT结果与匹配滤波器的FFT值相乘，然后对相乘结果作IFFT得到的。

频域脉冲压缩对大时宽信号采用高效的FFT算法，大大的减少了运算量，可实现大压缩比和最佳性价比，但在小压缩比、距离单元数较大时，相对于时域脉冲压缩法成本较高，运算过程较复杂，因此，脉冲压缩的方案应根据实际的应用情况加以选择。

FFT是离散傅立叶变换(DFT)的快速算，其基本思想在于，将原有的N点序列分解为两个或更多的较短的序列，这些短序列的DFT可重新组合成原序列的DFT，而总的运算次数却比直接的DFT运算少得多，从而达到提高速度的目的FFT的算法多种多样，按数据组合方式不同一般分为按时间抽取算法(DeeimationlnTime)和按频率抽取算法(DecimationhiFrequency)，按数据抽取方式的不同又可分为基2，基4等。张炼等人提出了一种超低旁瓣的脉冲压缩方法[张炼，皈勇，刘元春.一种超低旁瓣的脉冲压缩方法]，该方法可以获得超低旁瓣，但是精度不高。刘泉华等人提出了一种基于加窗处理的雷达脉冲压缩输出的副瓣抑制方法[刘泉华，孙颖豪，蔡津剑，龙腾.一种基于加窗处理的雷达脉冲压缩输出的副瓣抑制方法]，该方法可以得到副瓣抑制的理想输出结果，但是在脉压结果精度上并未提高。全英汇等人提出了一种脉冲压缩雷达回波信号的优化处理方法[英汇，杜潇剑，钱城，马宝洋，姚洪彬.一种脉冲压缩雷达回波信号的优化处理方法]。该方法可以得到脉冲压缩回波信号的优化处理结果，但是在脉压结果上的精度仍然不高。在硬件系统中，提高FFT处理速度的方法除了选择高基数算法外，还可采用流水线结构、并行运算、增加处理器数目等技术手段。因此在确定算法中基数r时，应综合考虑运算速度、算法运算量、FPGA的结构特点和实现算法的硬件资源占用等因素。

用FPGA实现定点FFT具有速度快、功耗低、体积小等优点，因此受到了国内外学者们的青睐，但是在这些研究工作中，处理器内部均采用定点数据格式，处理器输入的动态范围较小，脉压结果精度不高，不能满足某些高性能雷达系统的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，采用自定制浮点数据格式来改善处理器的动态范围和提高处理精度。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，包括：

状态控制机、存储单元和脉冲压缩计算单元；状态控制机包括存储状态控制单元和脉压状态控制单元；

状态控制机根据控制参数调整工作模式，控制存储单元和脉冲压缩计算单元的工作状态：通过存储状态控制单元控制存储单元对输入数据和输出数据进行缓存；通过脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元对输入数据进行脉冲压缩后输出；其中，脉冲压缩计算单元中的输入数据采用自定制浮点格式。。

进一步，自定制浮点格式用24-bit表示，bit23是符号位，用s′表示；bit22-bit17是6-bit指数位，用e′表示；bit16-bit0是17-bit尾数位，用f′表示，则自定制浮点格式的数据v′表示为：

进一步，存储单元对存储的数据进行跨时钟域处理。

进一步，状态控制机的工作模式包括幅相校正模式、单脉冲压缩模式和长短脉冲压缩模式；

在幅相校正模式下，存储状态控制单元对输入数据进行幅相校正后直接输出；

在单脉冲压缩模式下，状态控制机根据控制参数设置脉压参数，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的输入数据发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对接收到的输入数据进行单次脉冲压缩后输出；

在长短脉冲压缩模式下，状态控制机先处于长短脉冲压缩模式，根据控制参数设置脉压参数，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的短脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对短脉冲进行脉冲压缩，与此同时，存储状态控制单元控制存储单元继续缓存长脉冲；在短脉冲压缩完成且长脉冲点数达到采样点数时，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的长脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对长脉冲进行脉冲压缩后输出。

进一步，脉冲压缩计算单元，包括：FFT核，完成FFT运算和IFFT运算；乘法器，完成乘法运算；数据格式转换单元，完成输入/输出数据格式转换。

进一步，脉冲压缩计算单元初始状态为空闲状态，在状态控制单元的控制下进行脉冲压缩时，依次在FFT参数配置、FFT运算、IFFT参数配置和IFFT运算四个过程之间跳转，在完成脉冲压缩后跳转回空闲状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明在脉冲压缩处理时，采用自定制浮点数据格式来改善处理器的动态范围和提高处理精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的脉冲压缩的硬件架构图。

图2为本发明的脉冲压缩计算单元的实现框图。

图3为本发明的存储状态控制单元状态示意图。

图4为本发明的状态控制单元工作模式示意图。

图5为本发明的脉冲压缩计算单元的状态转换示意图。

图6为本发明的频域脉冲压缩方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，包括状态控制机、存储单元和脉冲压缩计算单元；状态控制机包括存储状态控制单元和脉压状态控制单元；状态控制机根据控制参数调整工作模式，控制存储单元和脉冲压缩计算单元的工作状态：通过存储状态控制单元控制存储单元对输入数据和输出数据进行缓存；通过脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元对输入数据进行脉冲压缩后输出，在脉冲压缩计算单元中，采用自定制浮点数据格式来改善处理器的动态范围和提高处理精度。

如图1所示，各模块功能如下：

一、状态控制机：

状态控制机根据控制参数调整工作模式，控制存储单元和脉冲压缩计算单元的工作状态：通过存储状态控制单元控制存储单元对输入数据和输出数据进行缓存；通过脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元对输入数据进行脉冲压缩后输出；如图2所示，状态控制机的工作模式包括：幅相校正模式、单脉冲压缩模式和长短脉冲压缩模式；

(1)在幅相校正模式下，存储状态控制单元对输入数据进行幅相校正后直接输出。

(2)在单脉冲压缩模式下，状态控制机根据控制参数设置脉压参数(包括采样点数、波形、窗表偏移地址、FFT点数等)，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的输入数据发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对接收到的输入数据进行单次脉冲压缩后输出。

(3)在长短脉冲压缩模式下，先进行短脉冲的脉冲压缩，同时，存储模块继续存储长脉冲的输入数据，直到长脉冲点数达到采样点数，然后进行长脉冲的脉冲压缩，在此过程中，存储单元对存储的数据进行跨时钟域处理，避免数据速率不匹配的问题。即，状态控制机先处于长短脉冲压缩模式，根据控制参数设置脉压参数(包括采样点数、波形、窗表偏移地址、FFT点数等)，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的短脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对短脉冲进行脉冲压缩，与此同时，存储状态控制单元控制存储单元继续缓存长脉冲；在短脉冲压缩完成且长脉冲点数达到采样点数时，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的长脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对长脉冲进行脉冲压缩后输出。

二、存储单元：

存储单元(RAM1、RAM2)在存储状态控制单元的控制下对输入数据和输出数据进行缓存：如图3所示，存储单元具有空闲状态和存储状态，在存储状态下才会对输入数据和输出数据进行缓存。

三、脉冲压缩计算单元：

脉冲压缩计算单元在脉压状态控制单元的控制下对输入数据进行脉冲压缩。

如图4所示，脉冲压缩计算单元，包括：FFT核(FFT/IFFT Core)，完成FFT运算和IFFT运算；乘法器，完成乘法运算；数据格式转换单元，完成输入/输出数据格式转换。由此，脉冲压缩计算单元，需要占用FPAG的硬件资源主要包括：块静态存储器(Block RARMS)，乘法模块(MULT18*18s)和大量Slice，本发明选用单片FPGA芯片来实现脉冲压缩计算单元的脉冲压缩，设计选用XC7K325T。其中，采用基-4Burst I/O结构实现FFT变换时，数据输入/输出和FFT变换处理不能同时进行。FFT运算和IFFT运算过程完成后输出数据，在FFT运算和IFFT运算过程中不能加载或输出数据。

如图5所示，脉冲压缩计算单元初始状态为空闲状态，在状态控制单元的控制下进行脉冲压缩时，依次在FFT参数配置、FFT运算、IFFT参数配置和IFFT运算四个过程之间跳转，在完成脉冲压缩后跳转回空闲状态：

(1)在进行FFT参数配置时，从存储单元中读取输入数据到FFT核，然后对输入数据进行补零，将输入数据的个数补充到2的整数次幂，然后跳转FFT运算；

(2)FFT核执行FFT运算，在FFT运算后输出数据的同时，控制窗表ROM输出匹配系数，使FFT运算后的数据与匹配系数同步输入到乘法器中；当FFT运算的最后一个数据输出时，FFT运算结束，并在下一个时钟到来时跳转到IFFT参数配置；

(3)进行FFT参数配置后，跳转IFFT运算；

(4)FFT核执行IFFT运算，从乘法器中读取乘法结果，并载入到FFT模块，在做完IFFT运算后将结果输出。当IFFT运算的最后一个数据输出时，IFFT运算结束，并在下一个时钟到来时跳转回空闲状态。

现有脉冲压缩的数据格式采用单精度标准IEEEsdt.754中的标准浮点格式，标准浮点格式用32-bit表示。其中，bit31是符号位，用s表示，bit30-bit23是指数位，用e表示，Bit22-bit0是尾数位，用f表示。则标准浮点格式的数据v表示为：

实现标准浮点格式的脉冲压缩计算单元需要占用FPAG芯片内太多资源，为了减少资源占用，脉冲压缩计算单元内部采用自定制浮点格式。为了确定合适的数据格式，下面分析脉压处理过程中数据动态范围的变化情况：

在实际工程应用中，脉冲压缩计算单元的输入数据是经过中频采样、数字下变频、滤波后的数据，动态范围小于90Bd。进行FFT/IFFT点数N不大于2048，由此引起的数据动态范围变化小于140dB。本地波形的频域数据动态范围小于70dB。将这三部分相加得到脉压处理过程中的数据动态范围量为：小于300dB。

浮点数的动态范围由指数来确定，6-bit指数位的浮点数能表示动态范围约为380dB的数据，浮点数尾数的bit位数决定着处理器的处理精度，在高性能现代雷达系统中，要求脉压处理的误差应足够小，一般要小于-60Bd。根据理论分析、仿真和FPAG结构特点，确定自定制浮点数的尾数用17-bit表示。

基于上述分析，本发明的脉冲压缩计算单元中，自定制浮点格式用24-bit表示，bit23是符号位，用s′表示；bit22-bit17是6-bit指数位，用e′表示；bit16-bit0是17-bit尾数位，用f′表示，则自定制浮点格式的数据v′表示为：

以线性调频信号为例，对本发明的脉冲压缩过程进行说明，如图6所示：

步骤1，确定输入信号s(t)的波形、带宽和脉宽等参数；

步骤2，对输入信号s(t)做FFT运算以计算出信号的频谱S(W)：

步骤3，将S(W)与匹配滤波器的数字频率响应函数H(W)进行乘积运算；

步骤4，对乘积结果进行快速傅里叶逆变换(IFFT)得到脉压结果y(n)：

y(n)＝IFFT{FFT[s(n)]FFT[h(n)]}；

其中()是s(n)的共扼镜像函数，即滤波器幅频特性与信号的幅频特性相同，而其相频特性与信号的相频特性相反。因此，信号通过此滤波器后,使得各频率的相位一致，在输出端信号形成峰值。

经过上述的脉冲压缩过程，采用不同的浮点格式所占用的FPAG资源数目如表一所示：

表一 不同浮点格式资源占用对比表

	Slice(个)	Mult18*18S(个)
			两标准浮点实数相加	884	0
两自定制浮点实数相加	277	0
			两标准浮点实数相乘	285	4
两自定制浮点实数相乘	50	1

从上表可以看出，实现自定制浮点加法时的资源占用不到实现标准浮点加法所用资源的1/3,实现自定制浮点乘法资源占用不到实现标准浮点乘法所用资源的1/4。所以，自定制浮点格式的引入能较好地克服标准浮点格式的脉压处理器硬件资源占用严重的缺点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，其特征在于，包括：

状态控制机、存储单元和脉冲压缩计算单元；状态控制机包括存储状态控制单元和脉压状态控制单元；

状态控制机根据控制参数调整工作模式，控制存储单元和脉冲压缩计算单元的工作状态：通过存储状态控制单元控制存储单元对输入数据和输出数据进行缓存；通过脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元对输入数据进行脉冲压缩后输出；其中，脉冲压缩计算单元中的输入数据采用自定制浮点格式；自定制浮点格式用24-bit表示，bit23是符号位，用s′表示；bit22-bit17是6-bit指数位，用e′表示；bit16-bit0是17-bit尾数位，用f′表示，则自定制浮点格式的数据v′表示为：

状态控制机的工作模式包括幅相校正模式、单脉冲压缩模式和长短脉冲压缩模式；

在幅相校正模式下，存储状态控制单元对输入数据进行幅相校正后直接输出；

在单脉冲压缩模式下，状态控制机根据控制参数设置脉压参数，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的输入数据发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对接收到的输入数据进行单次脉冲压缩后输出；

在长短脉冲压缩模式下，状态控制机先处于长短脉冲压缩模式，根据控制参数设置脉压参数，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的短脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对短脉冲进行脉冲压缩，与此同时，存储状态控制单元控制存储单元继续缓存长脉冲；在短脉冲压缩完成且长脉冲点数达到采样点数时，存储状态控制单元控制存储单元将缓存的长脉冲发送给脉冲压缩计算单元；脉压状态控制单元控制脉冲压缩计算单元根据脉压参数对长脉冲进行脉冲压缩后输出；

脉冲压缩计算单元，包括：FFT核，完成FFT运算和IFFT运算；乘法器，完成乘法运算；数据格式转换单元，完成输入/输出数据格式转换；脉冲压缩计算单元初始状态为空闲状态，在状态控制单元的控制下进行脉冲压缩时，依次在FFT参数配置、FFT运算、IFFT参数配置和IFFT运算四个过程之间跳转，在完成脉冲压缩后跳转回空闲状态：

(1)在进行FFT参数配置时，从存储单元中读取输入数据到FFT核，然后对输入数据进行补零，将输入数据的个数补充到2的整数次幂，然后跳转FFT运算；

(2)FFT核执行FFT运算，在FFT运算后输出数据的同时，控制窗表ROM输出匹配系数，使FFT运算后的数据与匹配系数同步输入到乘法器中；当FFT运算的最后一个数据输出时，FFT运算结束，并在下一个时钟到来时跳转到IFFT参数配置；

(3)进行FFT参数配置后，跳转IFFT运算；

(4)FFT核执行IFFT运算，从乘法器中读取乘法结果，并载入到FFT模块，在做完IFFT运算后将结果输出； 当IFFT运算的最后一个数据输出时，IFFT运算结束，并在下一个时钟到来时跳转回空闲状态。

2.如权利要求1所述的基于自定制浮点格式的频域脉冲压缩方法，其特征在于，存储单元对存储的数据进行跨时钟域处理。

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