MTD雷達(dá)中多普勒濾波器組的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 引言31.1 研究背景及意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 本設(shè)計的指導(dǎo)思想和主要工作42 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)基本原理62.1 多普勒效應(yīng)62.2 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的工作原理82.2.1 動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)的工作原理82.2.2 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的工作原理103 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計133.1 加權(quán)DFT實(shí)現(xiàn)MTD濾波133.1.1 DFT濾波器分析133.1.2 窄帶濾波器組信號處理的優(yōu)點(diǎn)153.2 FIR實(shí)現(xiàn)MTD多普勒濾波器163.2.1 設(shè)計思路173.2.2 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計173.3 MTD/MTI雷達(dá)的性

2、能評價指標(biāo)204 MTD雷達(dá)中預(yù)處理模塊設(shè)計234.1 乒乓操作234.1.1 乒乓操作的處理流程234.1.2 乒乓操作的特點(diǎn)234.1.3 乒乓操作的應(yīng)用254.2 MTD雷達(dá)匹配濾波器的總體結(jié)構(gòu)264.3 MTD雷達(dá)中預(yù)處理模塊設(shè)計27 多路選擇器的設(shè)計284.3.2 計數(shù)器的設(shè)計304.3.3 MTD雷達(dá)預(yù)處理模塊設(shè)計32總 結(jié)34謝 辭34參考文獻(xiàn)35摘要：在高科技戰(zhàn)爭中，探測敵方的進(jìn)攻目標(biāo)(如飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等)是一個重要問題。它實(shí)際上是一個解決在密集的雜亂回波中發(fā)現(xiàn)感興趣的目標(biāo)的問題，即所謂的動目標(biāo)檢測(MTD)。本文對MTD雷達(dá)技術(shù)的核心(多普勒濾波器組)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計

3、。文章主要分為以下四個部分：首先，本文對研究課題的背景及其意義進(jìn)行了一個大概的說明。其次，對動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的基本原理進(jìn)行了全面而詳細(xì)的介紹，如MTD的主要功能，其中，對于與MTD極其相關(guān)的動目標(biāo)顯示(MTI)也進(jìn)行了一個簡要的介紹。再次，對MTD雷達(dá)技術(shù)的核心(多普勒濾波器組)進(jìn)行了設(shè)計和分析，文中應(yīng)用了加權(quán)DFT和FIR這兩種方法實(shí)現(xiàn)MTD濾波，并給出了MTD性能評價指標(biāo)。最后，對MTD濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲這一問題用預(yù)處理乒乓操作進(jìn)行了設(shè)計，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和說明。關(guān)鍵詞：動目標(biāo)檢測(MTD)，動目標(biāo)顯示(MTI)，濾波器，乒乓操作，設(shè)計Abstract：In high-te

4、ch warfare, detecting enemys offensive goals (such as aircraft, missiles, ships, etc.)is an important issue. In fact, it is a solution about how to found the interesting objectives in the intensive mess echo., the so-called Moving Target Detection (MTD). In this paper, I spent much time and many wor

5、ds on the research of the core of MTD radar technology-the design of Doppler Filter Team. The article is divided into four main parts:First, There is a general description about the background of this topic and its significance. Secondly, the basic principles of the Moving Target Detection (MTD) rad

6、ar are comprehensive and detailed introduced, such as the main function of MTD. In addition, the Moving Target Indication(MTI) which is Extremely relevant with MTD is also conducted a brief introduction. Thirdly, There are some design and analysis that I did on the MTD radar technology core (Doppler

7、 Filter Team), and the two approachesDFT and FIR were applicated in achieving MTD filter. At the same time some of the MTD performance evaluation indicators were given. Finally, how to store the input data of MTD filter in the design was designed with the ping-pong operation, and the simulation resu

8、lts were analysed and described.Keyword: Moving Target Detection (MTD), Moving Target Indication(MTI), Filter, Ping-pong operation , Design1 引言1.1 研究背景及意義雷達(dá)是用來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和測量目標(biāo)的無線電電子系統(tǒng)。雷達(dá)工作的物理基礎(chǔ)是物體對電磁波的反射現(xiàn)象。雷達(dá)的兩個主要特征是，它具有遠(yuǎn)距離探測目標(biāo)和對目標(biāo)進(jìn)行較高精度定位的能力。雖然雷達(dá)技術(shù)主要因軍事應(yīng)用而得到發(fā)展，但它也在許多民用領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，比如船舶和飛機(jī)的導(dǎo)航就是典型的例子。 從50年代末以來，

9、由于航空與航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船等采用雷達(dá)作為探測和控制的手段，尤其是在60年代研制的反洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)，對雷達(dá)提出了高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨率及多目標(biāo)測量等要求。由于解決了一系列的關(guān)鍵性問題，雷達(dá)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新階段，如脈沖壓縮技術(shù)的采用；單脈沖雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)研制的成功；脈沖多卜勒雷達(dá)體制的研制成功，使雷達(dá)能測量目標(biāo)的位置和相對運(yùn)動速度，并具有良好的抑制地物去干擾等的能力；由于雷達(dá)中數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用和計算機(jī)與雷達(dá)的配合使用，使雷達(dá)的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計發(fā)生了根本性的變化。雷達(dá)采用這些先進(jìn)技術(shù)后，工作性能大為提高。60年代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)大量用于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)，這期間研制成功的

10、主要相控陣?yán)走_(dá)，包括美國陸軍的“愛國者”、海軍的“宙斯盾”等。進(jìn)入90年代，盡管冷戰(zhàn)結(jié)束，但局部戰(zhàn)爭仍然不斷，特別是由于海灣戰(zhàn)爭的刺激，雷達(dá)又進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期；對雷達(dá)觀察隱身目標(biāo)的能力、在反輻射導(dǎo)彈(ARM)與電子戰(zhàn)(CEW)條件下的生存能力和工作有效性提出了更高的要求，對雷達(dá)測量目標(biāo)特征參數(shù)和進(jìn)行目標(biāo)分類、目標(biāo)識別有了更強(qiáng)烈的需求。隨著微電子和計算機(jī)的高速發(fā)展，雷達(dá)的技術(shù)性能也在迅速提高，在軍事上的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。雷達(dá)是在不斷發(fā)展變化的：一方面它綜合應(yīng)用各種新技術(shù)、新器件來完善和提高自身的性能，另一方面不斷出現(xiàn)的各種新技術(shù)的應(yīng)用，也促使雷達(dá)不斷的改善。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，雷達(dá)所面臨

11、的電磁信號環(huán)境越來越復(fù)雜，雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力便成為衡量雷達(dá)性能指標(biāo)的重要標(biāo)志。為了抵御各種有源和無源干擾，現(xiàn)代雷達(dá)采取了各種各樣的抗干擾措施，概括起來，可以歸納為時域抗干擾、頻域抗干擾和空域抗干擾三個方面。 雷達(dá)信號的頻域抗干擾措施主要包括動目標(biāo)顯示(MTT)、動目標(biāo)檢測(MTD)和脈沖多普勒(PD)技術(shù)等。廣義講，MTD是PD的一種特例，一般認(rèn)為MTD是一種低重復(fù)頻率的PD處理。但MTD與PD處理的基木原理是相同的?，F(xiàn)在，MTD處理己成為雷達(dá)抗干擾(尤其是抗雜波干擾和箔條干擾)的重要手段，在現(xiàn)代雷達(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1974年美國麻省

12、理工學(xué)院林肯實(shí)驗室研制出了新型的需達(dá)信號頻域處理裝置動目標(biāo)檢測器，為第一代MTD。它主要由一個傳統(tǒng)的三脈沖MTI對消器級聯(lián)一個8點(diǎn)FFT構(gòu)成，這一8點(diǎn)FFT等效為一組相鄰有覆蓋的窄帶濾波器組，它實(shí)際上就是用作脈沖串回波相參積累的匹配濾波器。第二代MTD在70年代末推出，它的主要改進(jìn)是：其一，在匹配濾波處理后對同一單元不同濾波器頻道的輸出分別進(jìn)行自適應(yīng)門限調(diào)整，即分頻道CFAR處理；其二，增加了所謂“飽和/干擾”試驗電路，用于封鎖特別強(qiáng)干擾的對應(yīng)距離單元的輸出；其三，具備了一定的氣象估測能力，這主要是ATC需達(dá)所要求的。更新一代的動目標(biāo)檢測是自適應(yīng)MTD(AMTD),其關(guān)鍵是實(shí)時檢測雜波的存在，

13、判定雜波強(qiáng)度(如強(qiáng)/中/弱)甚至特性，據(jù)此對存儲的雜波圖進(jìn)行修正，并自動產(chǎn)生或選擇濾波器加權(quán)因子，以期在保證對地雜波的高度抑制的前提下，盡量減小對氣象(如雨)雜波的靈敏性(低的多普勒旁瓣),并具有最小的主瓣寬度和最小的信噪比(SNR)損失。目前MTD技術(shù)己成為雷達(dá)數(shù)字信號處理機(jī)的核心技術(shù)。伴隨著視頻數(shù)字集成電路，特別是FFT,DSP以及PLD硬件的發(fā)展，使MTD技術(shù)得以在脈沖多普勒(PD)雷達(dá)引信信號處理機(jī)的硬件上實(shí)現(xiàn)，并使引信在1-2ms內(nèi)完成對背景干擾下動目標(biāo)的三維探測和對回波更具細(xì)節(jié)的檢測與識別成為可能，這大大提高了系統(tǒng)的信噪比和信干比。1.3 本設(shè)計的指導(dǎo)思想和主要工作本文對MTD的核

14、心技術(shù)(多普勒濾波器組)進(jìn)行了設(shè)計，多普勒濾波器組的設(shè)計首先要解決的問題是濾波器的設(shè)計，而濾波器的設(shè)計方法多種多樣，其中最常用的方法有三種：窗函數(shù)設(shè)計法、頻率抽樣設(shè)計法和切比雪夫加權(quán)設(shè)計法。本文在設(shè)計濾波器時應(yīng)用了窗函數(shù)法，選擇了相對理想的窗口(漢明窗)，從仿真出來的結(jié)果看，還很理想，其旁瓣較低，主瓣寬度也比較窄。各個濾波器設(shè)計好之后，接下來就是對各個濾波器進(jìn)行加權(quán)處理，實(shí)現(xiàn)多普勒濾波器組。實(shí)驗結(jié)果表明，所設(shè)計的多普勒濾波器組，具有濾波精度高、處理速度快、可編程特性好的特點(diǎn)。多普勒濾波器組的實(shí)現(xiàn)另一個比較核心的問題是濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲，由于MTD雷達(dá)原理的別樣性，文中采用了預(yù)處理乒乓操作對M

15、TD濾波器輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。由于預(yù)處理乒乓操作通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”按節(jié)拍、相互配合的切換，所以經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有停頓地送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算與處理。這樣不僅節(jié)省了很多等待的時間，而且也節(jié)約了緩沖區(qū)空間。在對MTD預(yù)處理模塊設(shè)計時，設(shè)計一個具有控制功能的多路選擇器和計數(shù)器是本課題的關(guān)鍵，所以這兩個小模塊的設(shè)計是MTD預(yù)處理模塊設(shè)計中心問題。2 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)基本原理雷達(dá)要探測的目標(biāo)，通常是運(yùn)動著的物體，例如空中的飛機(jī)、導(dǎo)彈，海上的艦艇，地面的車輛等。但在目標(biāo)的周圍經(jīng)常存在著各種背景，例如各種地物、云雨、海浪及敵人施放的金屬絲干擾等。這些背景可能是

16、完全不動的，如山和建筑物，也可以是緩慢運(yùn)動的，如有風(fēng)時的海浪和金屬絲干擾，一般來說，其運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于目標(biāo)。這些背景所產(chǎn)生的回波稱為雜波或無源干擾。當(dāng)雜波和運(yùn)動目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時顯示時，會使目標(biāo)的觀察變得很困難。如果目標(biāo)處在雜波背景內(nèi)，弱的目標(biāo)湮沒在強(qiáng)雜波中，特別是當(dāng)強(qiáng)雜波使接受系統(tǒng)產(chǎn)生過載時，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)十分困難。目標(biāo)不在雜波背景內(nèi)時，要在成片雜波中很快分辨出運(yùn)動目標(biāo)回波也不容易。如果雷達(dá)終端采用自動檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則由于大量雜波的存在，將引起終端過載或者不必要地增大系統(tǒng)的容量和復(fù)雜性。因此，無論從抗干擾或改善雷達(dá)工作質(zhì)量的觀點(diǎn)來看，選擇運(yùn)動目標(biāo)回波而抑制固定雜波背景都是一個很重要的問

17、題。區(qū)分運(yùn)動目標(biāo)和固定雜波的基礎(chǔ)是它們在速度上的差別。由于運(yùn)動速度不同而引起回波信號頻率產(chǎn)生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻移上區(qū)分不同速度目標(biāo)的回波。在動目標(biāo)顯示(MTI)和動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)中使用了各種濾波器，濾去固定雜波而取出運(yùn)動目標(biāo)的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測運(yùn)動目標(biāo)的能力，并且提高了雷達(dá)的抗干擾能力。2.1 多普勒效應(yīng)在闡述MTD雷達(dá)原理之前，我們先來看一下多普勒效應(yīng)這一概念。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對徑向運(yùn)動時，接收到的信號頻率將發(fā)生變化。這一物理現(xiàn)象首先在聲學(xué)上由物理學(xué)家克里斯頓·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。1930年左右開始將這一規(guī)律運(yùn)用到

18、電磁波范圍。雷達(dá)應(yīng)用日益廣泛及對其性能要求更加提高，推動了利用多普勒效應(yīng)來改善雷達(dá)工作質(zhì)量的進(jìn)程。下面研究當(dāng)雷達(dá)與目標(biāo)有相對運(yùn)動時，雷達(dá)站接收信號的特征。為方便計，設(shè)目標(biāo)為理想“點(diǎn)”目標(biāo)，即目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)分辨單元。這里我們只考慮雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波的情況，這時發(fā)射信號可表示為 (2-1)式中，為發(fā)射角頻率；為初相；為振幅。 在雷達(dá)發(fā)射站處接收到由目標(biāo)發(fā)射的回波信號為 (2-2)式中，為回波滯后于發(fā)射信號的時間，其中R為目標(biāo)和雷達(dá)站間的距離；為電磁波傳播速度，在自由空間傳播時它等于光速；為回波的衰減系數(shù)。 如果固定目標(biāo)不動，則距離為常數(shù)?；夭ㄅc發(fā)射信號之間有固定相位差，它是電磁波往返于雷達(dá)與目標(biāo)之

19、間所產(chǎn)生的相位滯后。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間有相對運(yùn)動時，則距離隨時間變化。設(shè)目標(biāo)以勻速相對雷達(dá)站運(yùn)動，則在時間時刻，目標(biāo)與雷達(dá)站間的距離為 (2-3)式中，為時的距離；為目標(biāo)相對雷達(dá)站的徑向運(yùn)動速度。式(2-2)說明，在時刻接收到的波形上的某點(diǎn)，是在時刻發(fā)射的。由于通常雷達(dá)和目標(biāo)間的相對運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電磁波速度，故時延可近似寫為 (2-4)回波信號比起發(fā)射信號來，高頻相位差 (2-5)是時間的函數(shù)，在徑向速度為常數(shù)時，產(chǎn)生頻率差為 (2-6)這就是多普勒頻率，它正比于相對運(yùn)動的速度而反比于工作波長。當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率，而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時，多普勒

20、頻率為負(fù)值，接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率。多普勒頻率可以直觀地解釋為：振蕩源發(fā)射的電磁波以恒速傳播，如果接收者相對于振蕩源是不動的，則他在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目與振蕩源發(fā)出的相同，即二者頻率相等。如果振蕩源與接收者之間有相對接近的運(yùn)動，則接收者在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比他不動時多一些，也就是接收頻率增高；當(dāng)二者作背向運(yùn)動時，結(jié)果相反。2.2 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的工作原理上面我們引出了多普勒頻率這一概念，下面我們來介紹一下運(yùn)動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的基本原理。首先我們先來看一下與動目標(biāo)檢測(MTD)極其相關(guān)的動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)的工作原理。 動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)的工作原理MT

21、I(Moving Target Indication)即運(yùn)動目標(biāo)顯示，其本質(zhì)含義是：基于回波多普勒信息的提取而區(qū)分運(yùn)動目標(biāo)與固定目標(biāo)(包括低速運(yùn)動的雜波等)。當(dāng)脈沖雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)來鑒別運(yùn)動目標(biāo)回波和固定目標(biāo)回波時，與普通脈沖雷達(dá)的差別是必須在相位檢波器的輸入端加上基準(zhǔn)電壓(或稱相參電壓)，該電壓應(yīng)和發(fā)射信號頻率相參并保存發(fā)射信號的初相，且在整個接收信號期間連續(xù)存在。工程上，基準(zhǔn)電壓的頻率常選在中頻。這個基準(zhǔn)電壓是相位檢波器的相位基準(zhǔn)，各種回波信號均與基準(zhǔn)電壓比較相位。從相位檢波器輸出的視頻脈沖，有固定目標(biāo)的等幅脈沖串和運(yùn)動目標(biāo)的調(diào)幅脈沖串。通常在送到終端(顯示器或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))去之前要將固

22、定雜波消去，故要采用相消設(shè)備或雜波濾波器，濾去雜波干擾而保存運(yùn)動目標(biāo)信息。因此，MTI通常包括兩個最基本的部分，即完成多普勒信息提取的相參處理與完成目標(biāo)區(qū)分的對消處理(有時又稱濾波處理)。下面主要介紹一下固定雜波消除這個問題。在相位檢波器輸出端,固定目標(biāo)的回波是一串振幅不變的脈沖，而運(yùn)動目標(biāo)的回波是一串振幅調(diào)制的脈沖。將它們加到偏轉(zhuǎn)調(diào)制顯示器上，固定目標(biāo)回波是振幅固定的脈沖，而運(yùn)動目標(biāo)回波呈現(xiàn)上下“跳動”的“蝴蝶效應(yīng)”。可以根據(jù)這種波形持點(diǎn)，在偏轉(zhuǎn)顯示器上區(qū)分固定目標(biāo)與運(yùn)動目標(biāo)。如果要把回波信號加到亮度調(diào)制顯示器或終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備，則必須先消除固定目標(biāo)回波。最直觀的一種辦法是將相鄰重復(fù)周期的信

23、號相減，則固定目標(biāo)回波由于振幅不變而互相抵消；運(yùn)動目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的部分輸出。由相位檢波器輸出的脈沖包絡(luò)為 (2-7)式中，為回波與基準(zhǔn)電壓之間的相位差， (2-8) 回波信號按重復(fù)周期出現(xiàn)，將回波信號延遲一周期后，其包絡(luò)為 (2-9)相消器的輸出為兩者相減， (2-10)輸出包絡(luò)為一多普勒頻率的正弦信號，其振幅為 (2-11) 也是多普勒頻率的函數(shù)。當(dāng)時，輸出振幅為零。這時的目標(biāo)速度正相當(dāng)于盲速。盲速時的運(yùn)動目標(biāo)回波在相位檢波器的輸出端與固定目標(biāo)回波相同，因而經(jīng)相消設(shè)備后輸出為零，如圖2.1延遲相消設(shè)備及輸出響應(yīng)曲線所示。(a)(b)(c)圖2.1 遲延相消設(shè)備及其輸出

24、響應(yīng)(a)組成框圖；(b)速度響應(yīng)；(c)頻率響應(yīng)特性 相消設(shè)備也可以從頻率域濾波器的觀點(diǎn)來說明，而且為了得到更好的雜波抑制性能，常從頻率域設(shè)計較好的濾波器來達(dá)到。下面求出相消設(shè)備的頻率響應(yīng)特性。輸出為 (2-12)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)待性為 (2-13)其頻率響應(yīng)特性如圖2.1(c)所示。相消設(shè)備等效于一個梳齒形濾波器，其頻率特性在各點(diǎn)均為零。固定目標(biāo)頻譜的特點(diǎn)是：譜線位于點(diǎn)上，因而在理想情況下，通過相消器這樣的梳齒濾波器后輸出為零。當(dāng)目標(biāo)的多普勒頻率為重復(fù)頻率整數(shù)倍時，其頻譜結(jié)構(gòu)也有相同的特點(diǎn)，故通過上述梳狀濾波器后無輸出。 動目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)的工作原理1、MTD的主要功能和要求上一節(jié)討論

25、了動目標(biāo)顯示(MTI)的原理，這一章將系統(tǒng)介紹動目標(biāo)檢測(MTD)技術(shù)。MTD與MTI雖同屬雷達(dá)信號的頻域處理范疇，但一般意義上說，MTD是MTI的改進(jìn)或更有效的頻域處理技術(shù)。這種基于雜波與運(yùn)動目標(biāo)多普勒頻率差別的信號處理大致經(jīng)過了一個由模擬MTI數(shù)字MTI(DMTI)線性MTI自適應(yīng)MTIMTD自適應(yīng)MTD(AMTD)的發(fā)展里程。而廣義地講，MTD處理又是脈沖多普勒(PD)處理的一種特殊形式。與傳統(tǒng)MTI相比，MTD主要依靠信號處理的潛在能力，在以下三個方面作了改進(jìn)：(1)、改善濾波器的頻率特性，使之更接近于最佳(匹配)線性濾波，以提高改善因子；(2)、能夠檢測強(qiáng)地物雜波中的低速目標(biāo)甚至切向

26、飛行的大目標(biāo)； (3)、不僅能抑制平均多普勒頻移通常等于零的固定雜波，而且還能抑制如氣象、鳥群等引起的運(yùn)動(慢動)雜波。早期的動目標(biāo)顯示雷達(dá)性能不高，其改善因子一般在20dB左右。這是由多方面因素造成的：鎖相相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性不夠、接收系統(tǒng)的非線性限幅、采用模擬延遲線時通常只能作一次相消且性能不穩(wěn)亦不能實(shí)現(xiàn)最佳濾波等。由雷達(dá)原理所知，當(dāng)雷達(dá)高頻系統(tǒng)穩(wěn)定性不高時，將使固定雜波回波譜產(chǎn)生一部分接近均勻譜的雜散分量，而限制改善因子可能達(dá)到的更大值。當(dāng)雷達(dá)采用全相參體制或者是用信號處理的方法(如DSU)來改善鎖相相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性后，其性能會有明顯的提高。從目前情況來看，全相參系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定性已可

27、做到不再成為改善因子的障礙。在信號處理方面當(dāng)采用數(shù)字延遲線代替模擬延遲線實(shí)現(xiàn)MTI后，其工作穩(wěn)定、可靠，這種DMTI系統(tǒng)還廣泛采用了I,Q正交雙通道處理和高階數(shù)字濾波器來得到合適的濾波特性。DMTI已比早期模擬MTI在性能上有了較大的改善。但它的濾波特性還不是最佳線性濾波特性，且非線性中放限幅制約了改善因子的進(jìn)一步提高。圍繞著這兩個問題的研究，提出了具有信號匹配濾波特性的窄帶多普勒濾波器組及具有大動態(tài)范圍的線性MTI的處理技術(shù)，再加上高速集成電路技術(shù)的發(fā)展和FFT算法的實(shí)際應(yīng)用等，促成了動目標(biāo)檢測處理器的研制成功。實(shí)質(zhì)上，MTD的核心就是線性DMTI加窄帶多普勒濾波器組。2、雷達(dá)信號的最佳濾波

28、：窄帶多普勒濾波器組處理當(dāng)雜波功率譜和信號頻譜已知時，最佳濾波器的頻率響應(yīng)是 (2-14)這實(shí)際上就是基于色噪聲(這里稱為雜波)白化處理的匹配濾波器。這一濾波器可分成兩個級聯(lián)的濾波器和，其傳遞函數(shù)分別為 (2-15) (2-16)可以粗略地認(rèn)為，用于雜波抑制，而用于對雷達(dá)回波脈沖串信號匹配。對MTI而言，它要使雜波得到抑制而讓各種速度的運(yùn)動目標(biāo)信號通過，所以MTI濾波器即相當(dāng)于；至于和目標(biāo)信號的匹配，對單個脈沖可用中頻帶通放大器來保證，而對脈沖串則只能采用對消后的非相參積累，這離式(2-10)的要求差距較大。所以實(shí)際能做到的大多數(shù)MTI濾波器，只能使其濾波特性的凹口對準(zhǔn)雜波梳狀譜的中心，且使二

29、者寬度基本相當(dāng)。有時也將這稱為雜波抑制準(zhǔn)最佳濾波。對于相參脈沖串信號，還可進(jìn)一步表示成 (2-17) 即信號匹配濾波器為和兩個濾波器級聯(lián)。式中為單個脈沖的匹配濾波器，通常由接收機(jī)中放實(shí)；專對相參脈沖串進(jìn)行匹配濾波，它利用了回波脈沖串的相位特性而進(jìn)行相參積累。根據(jù)有關(guān)回波脈沖串的頻譜分析可以想象應(yīng)是梳齒形濾波器，齒的間隔為脈沖重復(fù)頻率，齒的位置取決于回波信號的多普勒頻移，而齒的寬度則應(yīng)和回波譜線寬度相一致。要對回波相參脈沖串作匹配濾波，必須知道目標(biāo)的多普勒頻移以及天線掃描對脈沖串的調(diào)制情況(亦即信號的時寬，對簡單信號而言它決定信號的頻寬)。實(shí)際情況中，多普勒頻移不能預(yù)知，因此需要采用一組相鄰且部

30、分重疊的濾波器組，覆蓋整個多普勒頻率范圍，這就是窄帶多普勒濾波器組。見圖2.2。圖2.2 動目標(biāo)顯示濾波器和多普勒濾波器組的特性(a)動目標(biāo)顯示濾波；(b)多普勒濾波器組的特性3 MTD多普勒濾波器組的設(shè)計上一章我們對MTD雷達(dá)原理進(jìn)行了比較深刻的闡述，這一章我們來研究一下MTD雷達(dá)中多普勒濾波器組的設(shè)計。多普勒濾波器組是MTD系統(tǒng)的核心，其性能決定MTD的性能，其最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是采用離散傅里葉變換(DFT)。但DFT濾波器組中的濾波器在零附近沒有零陷，因而無法很好地抑制地雜波，使濾波器組輸出的檢測性能受到影響。所以，后來人們又在DFT濾波器組之前加了MTI處理，這樣可以先用MTI消掉地雜波

31、，再用DFT濾波器組進(jìn)行濾波處理，由于DFT濾波器組可以用快速傅里葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)，所以這種方法又稱為MTD的MTI加FFT實(shí)現(xiàn)法。因為FFT可以節(jié)省很大的運(yùn)算量，所以這種方法至今仍在大量使用，尤其是MTD濾波器階數(shù)較大時。由于FFT的階數(shù)一定要是2的整數(shù)冪，使得MTI加FFT實(shí)現(xiàn)法的應(yīng)用受到了一定的限制，并且DFT濾波器組位于MTT之后，濾波器組的各濾波器增益受到MTT濾波器頻率響應(yīng)的調(diào)制。所以目前人們感興趣的MTD濾波器組實(shí)現(xiàn)方法是采用FIR濾波器組。盡管采用FIR濾波器組要比MTT加FFT實(shí)現(xiàn)法的運(yùn)算量大，但由于大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，目前FIR濾波器組的實(shí)現(xiàn)己不

32、成問題。對于FIR濾波器組來說，可以靈活設(shè)計每個濾波器的權(quán)系數(shù)，使其幅度頻率響應(yīng)都在零頻附近有較深的零陷，用于抑制地雜波。下面來分別討論一下快速傅里葉變換(FFT)和有限沖激響應(yīng)(FIR)實(shí)現(xiàn)多普勒濾波器組這兩種方法。3.1 加權(quán)DFT實(shí)現(xiàn)MTD濾波具有N個輸出的橫向濾波器(N個重復(fù)周期和N-1根延遲線)，經(jīng)過各重復(fù)周期的不同加權(quán)并求和后，即可實(shí)現(xiàn)圖2.2所要求的N個相鄰的窄帶濾波器組。其原理性結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。注意：實(shí)際實(shí)現(xiàn)中的延遲線是下一章將要介紹的輸人緩存器。由于DFT是一種特殊的橫向濾波器，所以若將圖3.1的加權(quán)因子按DFT定義選擇，并采用DFT的快速算法FFT，就可實(shí)現(xiàn)基于FF

33、T的MTD濾波。 DFT濾波器分析如圖3.1所示，橫向濾波器有N-1根遲延線，每根遲延線的遲延時間為。對一串由N個脈沖組成的雷達(dá)回波信號作FFT，若考慮矩形窗加權(quán)的圖3.1 MTD橫向濾波器結(jié)構(gòu)情況，則第個FFT濾波器的輸出端頭加權(quán)值可表示為 (3-1)式中，表示第個抽頭；表示0到的標(biāo)記，每一個值對應(yīng)一組不同的加權(quán)值，相應(yīng)地對應(yīng)于一個不同的多普勒濾波器響應(yīng)。這樣，N個相互接鄰的濾波器即形成一個濾波器組，它覆蓋了從0到的頻段。由(3-1)可寫出第個FFT濾波器的沖激響應(yīng)表示為 (3-2)其傅立葉變換就是頻率響應(yīng)函數(shù) (3-3)濾波器的幅頻特性為 (3-4)其中表示濾波器號，每個濾波器均有形狀相同

34、、中心頻率(即取峰值的頻率)不同的幅頻特性，根據(jù)式(3-4)結(jié)果，其形狀為一主瓣與兩側(cè)各個旁瓣的組合。圖3.2給出了N=8時DFT等效橫向濾波器振幅特性的主瓣。圖3.2 N=8時DFT等效橫向濾波器的幅頻響應(yīng) 濾波器的峰值產(chǎn)生于或者，當(dāng)=0時，濾波器峰值位置為，即濾波器的中心位置在零頻率以及重復(fù)頻率的整數(shù)倍處，這個濾波器可通過沒有多普勒頻移的雜波，因此對地雜波沒有抑制能力。然而，它的輸出在某些MTD雷達(dá)中可以作提供雜波地圖之用。這個濾波器的第一個零點(diǎn)出現(xiàn)在式(3-4)分子第一次取零值時，即時。在第一對零點(diǎn)之間的頻帶寬度為，而半功率帶寬近似為。當(dāng)=1時，峰值響應(yīng)產(chǎn)生在以及，等等。對=2,峰值響應(yīng)

35、時的依此類推。因而每一個值決定一個獨(dú)立的濾波器響應(yīng)。全部濾波器響應(yīng)覆蓋了從零到的頻率范圍，由于信號的取樣性質(zhì)，其余的頻帶按同樣的響應(yīng)周期覆蓋，因而會在頻率上產(chǎn)生模糊。每個濾波器的形狀和=0時的相同，只是濾波器的中心頻率不同。圖3.2所示的濾波器有時稱為相參累積濾波器，因為通過該濾波器后，它將N個相參脈沖累積，使信噪比提高N倍(對白噪聲而言)。 窄帶濾波器組信號處理的優(yōu)點(diǎn)如上所述，由于每個窄帶濾波器只占延遲線對消器通頻帶的大約1/N寬度，因而其輸出端的信噪比有相應(yīng)的提高。對于白噪聲，采用窄帶濾波器組后信噪比應(yīng)提高近N倍。對于有色雜波來說，各個濾波器輸出端的改善因子亦均有提高(與延遲對消器比較)，

36、但提高的程度不及白噪聲情形。采用窄帶濾波器組所以能較MTI對消器提高改善因子是因為它把頻帶細(xì)分后，各濾波器的雜波輸出功率只有各自通帶范圍內(nèi)的雜波譜部分，而不是整個多普勒頻帶內(nèi)的雜波功率。但要注意到，雜波不僅由各濾波器的主瓣進(jìn)入，而且未加權(quán)的濾波器由于其副瓣值較高(一13.2dB)而副瓣的頻率位置又處于強(qiáng)雜波處，這時由副瓣進(jìn)入的雜波將明顯地降低其改善因子。解決的辦法可以有兩種：一種是在窄帶濾波器組前面先采用對消器(一次或二次)，將雜波的主要部分濾去，這樣后接的濾波器組中通過副瓣進(jìn)入的雜波明顯減少，各濾波器的改善因子會提高。這種方法實(shí)際上常用，因為濾去強(qiáng)雜波后，濾波器的動態(tài)范圍可明顯減小，利于技術(shù)

37、實(shí)現(xiàn)；第二種辦法是采用加權(quán)法降低各個濾波器的副瓣，同樣可以提高改善因子，所付代價是濾波器的主瓣有所加寬。 窄帶濾波器組對于運(yùn)動雜波的抑制效果較好。來自鳥群或氣象的運(yùn)動雜波，其多普勒頻率不是零頻，普通對消器無法抑制它。如果不止一個運(yùn)動雜波同時出現(xiàn)，則采用自適應(yīng)對消抑制也很困難。但這種運(yùn)動雜波可能出現(xiàn)在窄帶濾波器組中的某一濾波器內(nèi)，而每個濾波器的檢測門限可以根據(jù)該濾波器內(nèi)所含噪聲和雜波的強(qiáng)弱而適時選定，如雜波強(qiáng)時門限值選高，這樣就可以將運(yùn)動雜波的影響排除，使之不影響出現(xiàn)于其它濾波器內(nèi)的信號。3.2 FIR實(shí)現(xiàn)MTD多普勒濾波器由于一般地面雷達(dá)的重復(fù)頻率不高(如1kHz左右，它是無模糊測距所要求的)

38、，所以窄帶濾波器的數(shù)目只需幾個或十幾個。因此在MTD的許多應(yīng)用中，無需或者說無需刻意采用FFT算法，而直接采用圖3.1所描述的相乘累加運(yùn)算即可。這一橫向濾波器實(shí)際上就是一典型的有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)。20世紀(jì)80年代以后大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展帶來高精度快速乘法累加器研制成功，使得FIR直接實(shí)現(xiàn)(而無需借助FFT等快速算法)多普勒濾波進(jìn)人實(shí)用階段。FIR作為MTD濾波器的更重要原因是：(1)可根據(jù)特殊的要求，采用比加權(quán)FFT更有效和更靈活的設(shè)計方法得到濾波器特性(如更低的旁瓣)；(2)不同頻道(即組中的不同濾波器)更容易實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)及雜波速度分布相匹配的分別設(shè)計或選擇控制。因此自適應(yīng)多

39、普勒濾波中多采用FIR。下面來探討一下FIR實(shí)現(xiàn)MTD濾波的設(shè)計。 設(shè)計思路經(jīng)典的FIR濾波器的設(shè)計方法有窗口法、頻率采樣法及其它一些采用最佳準(zhǔn)則逼近的改進(jìn)算法等?；\統(tǒng)地講，最佳FIR濾波器用作多普勒濾波器的設(shè)計思路和原則是：1、在由系統(tǒng)整機(jī)要求確定了濾波器個數(shù)的前提下，應(yīng)使分開設(shè)計的各濾波器主峰位置及形狀在內(nèi)均勻(或基本均勻)覆蓋，以至不丟失處于任何多普勒頻率(一般零多普勒除外)的目標(biāo)；2、在確定了各個濾波器的理想帶通特性后，按某一最佳準(zhǔn)則并在所要求的指標(biāo)(主要是改善因子及相關(guān)的主瓣帶寬、旁瓣電平及特定處凹口深度等)的限制下使設(shè)計的濾波特性逼近；3、按傅里葉逆變換獲得每個濾波器的單位脈沖響應(yīng)

40、，此即為橫向濾波器的加權(quán)因子(系數(shù))，k對應(yīng)濾波器號，；n對應(yīng)不同重復(fù)周期，一般有。4、用選擇的窗函數(shù)對進(jìn)行加窗 (3-5)5、計算濾波器的頻率響應(yīng) (3-6) MTD多普勒濾波器組的設(shè)計在進(jìn)行多譜勒濾波器組設(shè)計之前，我們先來用FIR設(shè)計一個濾波器，假設(shè)一理想特性的FIR數(shù)字濾波器的理想帶通特性為， 其中=8 (3-7)假設(shè)=0,則 (3-8)根據(jù)傅立葉變換可以得出其單位沖激響應(yīng)為 (3-9)假如所選擇的是矩形窗，則 ， (3-10)其頻率響應(yīng)為 ，(3-11)下圖3.3是根據(jù)上面的頻率響應(yīng)在matlab軟件環(huán)境下畫出的的頻率響應(yīng)圖。圖3.3 濾波器幅頻特性)同理，也可以算出k=1,2,3,4

41、,5,6,7時的頻率響應(yīng)，這樣組合就可以得到8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖，如圖3.4所示。圖3.4 8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖同樣，我們也可以畫出16點(diǎn)的多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖，如圖3.5所示。圖3.5 16點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖從圖3.4和圖3.5可以看出，隨著FFT點(diǎn)數(shù)的增多，濾波器的頻率分辨率也在增大，也即雷達(dá)對速度的分辨率也越高。但是，隨著FFT點(diǎn)數(shù)的增多，系統(tǒng)的運(yùn)算量也在增大，這會影響系統(tǒng)的實(shí)時性。對FFT點(diǎn)數(shù)的選擇需要綜合系統(tǒng)對速度分辨率和實(shí)時性的要求以及雷達(dá)一個掃描周期內(nèi)收到的回波數(shù)等因素來決定。圖3.4和圖3.5體現(xiàn)出濾波器在全頻段內(nèi)都沒有截止特性，這是一個誤區(qū)，因為上

42、述的任意一幅圖都是由很多濾波器組成的，也就是說，8點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由8個濾波器組成的，16點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由16個濾波器組成的，同樣，32點(diǎn)FFT點(diǎn)數(shù)的濾波器是由32個濾波器組成的。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)把回波信號最強(qiáng)的濾波器的輸出作為真實(shí)的目標(biāo)信號。為了說明這個問題。下面分別繪出8點(diǎn)FFT和16點(diǎn)FFT真實(shí)工作時的濾波特性。圖3.6 8點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖()圖3.7 16點(diǎn)多普勒濾波器的頻率響應(yīng)圖()從上述單個FFT濾波器的特性看，不論是選擇幾號(K)FFT濾波器，都對相應(yīng)通帶以外的雜波或噪聲有一定的抑制作用。特別需要指出的是任意點(diǎn)數(shù)的FFT濾波器的0號濾波器，從上面的

43、分析可以看出，0號濾波器是一個低通濾波器，對雜波沒有抑制作用，一般將0號濾波器的輸出作雜波圖處理。以上我們對多普勒濾波器組的設(shè)計做了研究，下面我們來看一看MTD雷達(dá)的性能評價指標(biāo)3.3 MTD/MTI雷達(dá)的性能評價指標(biāo)評價MTD/MTI處理的工作質(zhì)量，常用的有以下幾種指標(biāo)。1、雜波衰減(CA)和對消比(CR)雜波衰減(CA)定義為輸入雜波功率和對消后同一雜波的剩余功率之比，即 (3-12)有時也用對消比來表示。對消比定義為:對消后的剩余雜波電壓與同一雜波未經(jīng)對消時的電壓比值 (3-13)雜波衰減CA與對消比CR間的關(guān)系是 (3-14)對于某具體雷達(dá)而言，可能得到的對消比CR不僅與雷達(dá)本身的特性

44、有關(guān)(如工作的穩(wěn)定性、濾波器頻率特性等)，而且和雜波的性質(zhì)有關(guān)，所以兩部MTI雷達(dá)只有在同一工作環(huán)境下，比較它們的對消比才有意義。2、改善因子()改善因子的定義是輸出信號雜波功率比和輸人信號雜波功率比()之比值，即 (3-15) 與CA的關(guān)系是 (3-16)其中 (3-17)這里和為在所有可能徑向速度上取平均的信號功率，為系統(tǒng)對信號的平均功率增益。之所以要取平均是因為系統(tǒng)對不同的多普勒頻率響應(yīng)不同，而目標(biāo)的多普勒頻率將在很大范圍內(nèi)分布之故。3、雜波中可見度(SCV) SCV的定義為：雷達(dá)輸出端的功率信雜比等于可見度系數(shù)時，雷達(dá)輸人端的功率信雜比。 雜波中可見度是衡量雷達(dá)對雜波中目標(biāo)回波的檢測能

45、力的量度。例如雜波中可見度為20dB時，說明在雜波比目標(biāo)回波強(qiáng)100倍的情況下，雷達(dá)可以檢測出雜波中的運(yùn)動目標(biāo)來，如果雜波強(qiáng)度再大一些該雷達(dá)就無能為力了。一個雷達(dá)的可見度越大，則它從雜波背景中檢測動目標(biāo)的能力越強(qiáng)。 在用分貝表示時，雜波可見度比改善因子小一個可見度系數(shù) (3-18) 雜波中可見度和改善因子都可用來說明雷達(dá)信號處理的雜波抑制能力。但兩部雜波中可見度相同的雷達(dá)在相同的雜波環(huán)境中其工作性能可能有大的差別。因為除了信號處理的能力外，雷達(dá)在雜波中檢測目標(biāo)的能力還和其分辨單元大小有關(guān)。分辨單元為，其中,為雷達(dá)的方位波束寬度和仰角波束寬度，為脈沖寬度(對脈沖壓縮雷達(dá)，為壓縮后的脈寬)。分辨單

46、元越大，也就是雷達(dá)分辨力越低，這時進(jìn)人雷達(dá)接收機(jī)的雜波功率也越強(qiáng)，為了達(dá)到觀察到目標(biāo)時所需信號雜波比，就要求雷達(dá)的改善因子()或雜波中可見度進(jìn)一步提高。改善因子、對消比、雜波哀減、雜波中可見度是衡量MTT/MTD處理性能常用的質(zhì)量指標(biāo)。它們之間有固定的關(guān)系，只要知道其一，其它就很容易推算出來。4 MTD雷達(dá)中預(yù)處理模塊設(shè)計不管是采用何種形式的MTD多普勒濾波器，MTD處理首先面臨的問題就是輸人序列的存儲及數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)率的轉(zhuǎn)換。下面圍繞MTD濾波器輸入數(shù)據(jù)的存儲這一問題展開論述，首先介紹一下具有代表性的FPGA設(shè)計思想和技巧之一：乒乓操作。4.1 乒乓操作 乒乓操作的處理流程“乒乓操作”是一個

47、常常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理技巧，典型的乒乓操作方法如圖4.1所示。圖4.1 乒乓操作示意圖輸入數(shù)據(jù)流通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”將數(shù)據(jù)流等時分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖模塊可以為任何存儲模塊，比較常用的存儲單元為雙口RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”；在第2個緩沖周期，通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”緩存的第1個周期數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”的選擇，送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理；在第3個緩沖周期通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的再次切換，將輸入的數(shù)

48、據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第2個周期的數(shù)據(jù)通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”切換，送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理，如此循環(huán)操作。 乒乓操作的特點(diǎn)1、乒乓操作的最大特點(diǎn)是通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”按節(jié)拍、相互配合的切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有停頓地送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算與處理。把乒乓操作模塊當(dāng)作一個整體，站在這個模塊的兩端看數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流都是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對數(shù)據(jù)流進(jìn)行流水線式處理。所以乒乓操作常常應(yīng)用于流水線式算法，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。 2、乒乓操作的第二個優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約緩沖區(qū)空間。比如在

49、WCDMA基帶應(yīng)用中，1個幀是由15個時隙組成的，有時需要將1整幀的數(shù)據(jù)延時一個時隙后處理。直接的辦法是將這幀數(shù)據(jù)緩存起來，然后延時1個時隙進(jìn)行處理。這時緩沖區(qū)的長度是1整幀數(shù)據(jù)長，假設(shè)數(shù)據(jù)速率是3.84Mbps，1幀長10ms，則此時需要緩沖區(qū)長度是38400位。如果采用乒乓操作，由于它能將數(shù)據(jù)流無時間停頓的送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算單元”處理，因此我們只需定義兩個能緩沖1個時隙數(shù)據(jù)的RAM(單口RAM即可)。當(dāng)向一塊RAM寫數(shù)據(jù)的時候，從另一塊RAM讀數(shù)據(jù)，然后送到處理單元處理，此時每塊RAM的容量僅需38400/15=2560位即可，2塊RAM加起來也只有5120位的容量。3、另外，巧妙運(yùn)用乒乓操

50、作還可以達(dá)到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。如圖2所示，數(shù)據(jù)緩沖模塊采用了雙口RAM，并在DPRAM后引入了一級數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，這個數(shù)據(jù)預(yù)處理可以根據(jù)需要的各種數(shù)據(jù)運(yùn)算，比如在WCDMA設(shè)計中，對輸入數(shù)據(jù)流的解擴(kuò)、解擾、去旋轉(zhuǎn)等。假設(shè)端口A的輸入數(shù)據(jù)流的速率為100Mbps，乒乓操作的緩沖周期是10ms。以下分析各個節(jié)點(diǎn)端口的數(shù)據(jù)速率。 圖2采用雙口RAM，并在DPRAM后引入一級數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊實(shí)現(xiàn)用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流A端口處輸入數(shù)據(jù)流速率為100Mbps，在第1個緩沖周期10ms內(nèi)，通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”，從B1到達(dá)DPRAM1。B1的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps，DPRAM1要在10m

51、s內(nèi)寫入1Mb數(shù)據(jù)。同理，在第2個10ms，數(shù)據(jù)流被切換到DPRAM2，端口B2的數(shù)據(jù)速率也是100Mbps，DPRAM2在第2個10ms被寫入1Mb數(shù)據(jù)。在第3個10ms，數(shù)據(jù)流又切換到DPRAM1，DPRAM1被寫入1Mb數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)到第3個緩沖周期時，留給DPRAM1讀取數(shù)據(jù)并送到“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊1”的時間一共是20ms。有人困惑于DPRAM1的讀數(shù)時間為什么是20ms，這個時間是這樣得來的：首先，在第2個緩沖周期向DPRAM2寫數(shù)據(jù)的10ms內(nèi)，DPRAM1可以進(jìn)行讀操作；另外，在第1個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為5ms時刻)，DPRAM1就可以一邊向500K以

52、后的地址寫數(shù)據(jù)，一邊從地址0讀數(shù)，到達(dá)10ms時，DPRAM1剛好寫完了1Mb數(shù)據(jù)，并且讀了500K數(shù)據(jù)，這個緩沖時間內(nèi)DPRAM1讀了5ms；在第3個緩沖周期的第5ms起(絕對時間為35ms時刻)，同理可以一邊向500K以后的地址寫數(shù)據(jù)一邊從地址0讀數(shù)，又讀取了5個ms，所以截止DPRAM1第一個周期存入的數(shù)據(jù)被完全覆蓋以前，DPRAM1最多可以讀取20ms時間，而所需讀取的數(shù)據(jù)為1Mb，所以端口C1的數(shù)據(jù)速率為：1Mb/20ms=50Mbps。因此，“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊1”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。同理，“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊2”的最低數(shù)據(jù)吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。換言之，

53、通過乒乓操作，“數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊”的時序壓力減輕了，所要求的數(shù)據(jù)處理速率僅僅為輸入數(shù)據(jù)速率的1/2。 乒乓操作的應(yīng)用以上對乒乓操作的基本思想做了介紹，下面是一個本課題設(shè)計中與乒乓操作及其相關(guān)的實(shí)例。圖4.3 MTD輸入緩存器結(jié)構(gòu)及其讀/寫順序在MTD處理中，來自零中頻正交采樣的I,Q復(fù)序列是按先不同距離單元、再不同掃掠(重復(fù)周期Tr)的順序輸入的，而MTD處理是對同一距離單元的相鄰若干次掃掠內(nèi)的信號進(jìn)行頻譜分析(或頻域濾波)，且所需處理的通常不是某一個或某一部分距離單元，而是作用距離的全程。因此在I/R采樣與MTD濾波器之間必須要有一特殊的接口電路，來完成序列的暫存與格式轉(zhuǎn)換。這一電路一般稱為M

54、TD輸入緩存器，其工作方式(即寫入/讀出方式)稱為正交存取方式，圖4.3示出其存儲空間分布及寫人/讀出順序。有了這一輸人緩存電路后，MTD就可依次對每一距離單元的N點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒濾波，為保證對全程內(nèi)每個距離單元的濾波能在NTr(即相參處理間隔CPI)內(nèi)完成，輸人緩存的讀出速率(即濾波器的處理速度)一般可比其寫人速率(即距離單元采樣速率)快些。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，一般需要兩組結(jié)構(gòu)相同的輸人緩存電路兵乓交替讀寫，以保證在不丟失任何掃掠數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行MTD流水式濾波處理。且每一組均有兩套結(jié)構(gòu)相同的存儲電路，以分別同時緩存同相和正交數(shù)據(jù)。4.2 MTD雷達(dá)匹配濾波器的總體結(jié)構(gòu)在進(jìn)行預(yù)處理乒乓操作的設(shè)計之前先介紹一下MTD雷達(dá)匹配濾波器的結(jié)構(gòu)。圖4.4 MTD匹配濾波器組成框圖MTD是通過匹配濾波器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)MTD匹配濾波器的性能要求，結(jié)合集成電路的特點(diǎn)，匹配濾波器設(shè)計為由兩個集成