偽碼調(diào)相連續(xù)波雷達(dá)接收單元數(shù)字化研究

摘 要：為了縮短某類(lèi)偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的探測(cè)時(shí)間，增加目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別功能，同時(shí)減少其接收單元的體積，用數(shù)字信號(hào)處理芯片代替了原來(lái)的模擬接收部分，并用一路卷積的算法代替了原來(lái)的多路相關(guān)。后期通過(guò)試驗(yàn)證明了此數(shù)字化接收系統(tǒng)的探測(cè)時(shí)間比原系統(tǒng)的接收時(shí)間縮短了50 ms，最高的目標(biāo)識(shí)別率達(dá)到了75％，能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：連續(xù)渡雷達(dá)；數(shù)字信號(hào)處理；自動(dòng)識(shí)別；探測(cè)時(shí)間

0 引 言
    偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是利用偽隨機(jī)碼良好的自相關(guān)特性進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)利用連續(xù)波雷達(dá)沒(méi)有盲速盲相的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)速度的測(cè)量。某一類(lèi)偽碼調(diào)相正弦調(diào)頻雷達(dá)用一個(gè)中頻信號(hào)去調(diào)制發(fā)射信號(hào)，對(duì)回波進(jìn)行適當(dāng)處理得到有距離靈敏度控制特性的目標(biāo)多普勒信號(hào)。在此類(lèi)雷達(dá)中接收單元的數(shù)字處理部分是在得到目標(biāo)的多普勒信號(hào)以后，在高頻、中頻部分都是用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了提高接收單元的穩(wěn)定性，減少接收單元的體積，縮短探測(cè)時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別功能，需要開(kāi)發(fā)出一種從視頻回波直接進(jìn)行數(shù)字化處理的接收單元來(lái)代替原接收單元，基于此目的，本文介紹一種數(shù)字化接收方案以及其硬件和軟件設(shè)計(jì)。

l 數(shù)字化接收的原理
1．1 傳統(tǒng)的信號(hào)處理過(guò)程
    在此類(lèi)雷達(dá)傳統(tǒng)的信號(hào)處理過(guò)程中，視頻回波先經(jīng)過(guò)多路相關(guān)器的某個(gè)支路后得到對(duì)應(yīng)距離單元的回波，然后經(jīng)過(guò)正弦濾波后經(jīng)同步檢波得到具有距離靈敏度控制特性并且包含所需目標(biāo)信息的多普勒信號(hào)，最后用數(shù)字處理的方法來(lái)判斷此距離單元運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度等信息。當(dāng)要對(duì)另外一個(gè)距離單元進(jìn)行檢測(cè)時(shí)只需要改變輸入到相關(guān)器中偽碼的延遲就可以對(duì)這個(gè)距離單元進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)際處理的過(guò)程中多個(gè)相關(guān)支路中所加入的偽碼延遲時(shí)間是連續(xù)變化的，連續(xù)改變偽碼的延遲就可以完成對(duì)所有距離單元的檢測(cè)。在進(jìn)行數(shù)字化接收設(shè)計(jì)以前某個(gè)距離支路的信號(hào)處理過(guò)程如圖1所示，其他距離支路的處理過(guò)程與圖1中所描述的完全一樣。

1．2 數(shù)字化信號(hào)處理過(guò)程
    設(shè)計(jì)的數(shù)字化信號(hào)處理流程如圖2所示。

    信號(hào)處理過(guò)程如下：由DSP芯片產(chǎn)生的9 MHz時(shí)鐘對(duì)視頻回波進(jìn)行采樣，采集到的數(shù)字信號(hào)在DSP內(nèi)乘上調(diào)相偽碼和等效的參考信號(hào)采樣點(diǎn)后進(jìn)行卷積。用一次卷積代替多路相關(guān)，卷積輸出經(jīng)過(guò)抽樣后得到各個(gè)距離單元的回波信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)距離單元的回波進(jìn)行MTI(動(dòng)目標(biāo)顯示)檢測(cè)，對(duì)有動(dòng)目標(biāo)的距離單元進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，然后進(jìn)行輸出提示。

2 硬件實(shí)施方案
2．1 主要芯片的選擇
2．1．1 DSP芯片的選擇
    本系統(tǒng)在采集到信號(hào)以后所有的算法都是在DSP芯片內(nèi)部完成的，因此運(yùn)算量大，要達(dá)到實(shí)時(shí)處理，對(duì)DSP芯片的運(yùn)算速度提出了較高的要求，且處理的數(shù)據(jù)量大，要求片內(nèi)有較大存儲(chǔ)空間。ADI公司的BLACKFIN系列中BF533的主頻可以運(yùn)行在600 MHz，內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SRAM有68 KB，片外可以擴(kuò)展到128 MB的SDRAM作為外部存儲(chǔ)器，此外BF533還有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)可以提高運(yùn)算速度：
    (1)BF533內(nèi)部有兩個(gè)零開(kāi)銷(xiāo)的硬件循環(huán)機(jī)制，在一次程序執(zhí)行完成以后可以省去執(zhí)行條件是否成立的判斷過(guò)程，直接執(zhí)行若干次循環(huán)以后就執(zhí)行下邊的指令。
    (2)BF533內(nèi)部有兩個(gè)乘法累加器，兩個(gè)同時(shí)使用相當(dāng)于在進(jìn)行乘法運(yùn)算時(shí)使主頻達(dá)到了1 200 MHz，提高了指令執(zhí)行速度。
    (3)在BF533內(nèi)部的L1存儲(chǔ)區(qū)和內(nèi)核運(yùn)算單元之間的指令總線寬度是64 b，因此可以并發(fā)的同時(shí)執(zhí)行一條32 b的指令和兩條16 b的指令，提高了指令的執(zhí)行速度。
   綜合考慮以上因素確定用ADI公司生產(chǎn)的BLACKFIN系列的BF533作為整個(gè)系統(tǒng)的DSP芯片。[!--empirenews.page--]
2．1．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字化接收單元中需要對(duì)視頻放大器的輸出直接進(jìn)行采樣，在視頻放大器的輸出信號(hào)中含有偽碼成分，如果一個(gè)偽碼周期中一個(gè)碼元的寬度是0．33μs，則偽碼的帶寬在3 MHz左右，為了防止采到偽碼的上升沿和下降沿決定用9 MHz的采樣頻率對(duì)視頻回波進(jìn)行采樣，因?yàn)樵盘?hào)處理中的A／D變換器是對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行采樣，因此如果用原來(lái)的A／D變換器顯然不能滿足對(duì)模擬信號(hào)采樣的采樣定理。AD6644的最高采樣頻率可以達(dá)到65 MHz，并且它是一個(gè)高速、高性能、單片的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣時(shí)鐘和模擬信號(hào)的差分輸入方式可以在很大程度上對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。同時(shí)AD6644采用的三級(jí)子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，即保證了所需的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，又降低了功耗，也減小了模片尺寸。因此采用AD6644作為整個(gè)數(shù)字化接收單元中的模數(shù)變換器。圖3給出了AD6644的系統(tǒng)框圖。

2．2 輸入及輸出部分設(shè)計(jì)
    視頻回波的輸入電路主要完成兩部分功能：?jiǎn)味溯斎朕D(zhuǎn)差分輸入以抑制噪聲，降低共模電壓的影響；單端輸入部分設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬是4 MHz的二階有源巴特沃思低通濾波器，保證信號(hào)的譜純度同時(shí)抑制高頻噪聲。用AD公司的AD8132把單端輸入轉(zhuǎn)換成差分輸入。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要給AD8132的反相輸入端加上與同相輸入端完全對(duì)稱(chēng)的電路以保證電路工作的穩(wěn)定性，同時(shí)為了更好地去除高頻干擾，在差分的輸出端用無(wú)源低通濾波進(jìn)行了濾波，最后設(shè)計(jì)的模擬輸入電路圖如圖4所示。

    由于9 MHz的時(shí)鐘信號(hào)不能由晶振直接產(chǎn)生，因此時(shí)鐘信號(hào)由DSP芯片提供，時(shí)鐘轉(zhuǎn)差分輸入由Mcl00EPT20D完成；AD6644_的數(shù)字輸出信號(hào)，應(yīng)盡量減小容性負(fù)載，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)輸出端對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)能力，在輸出端加了一個(gè)PHILIPS公司的74LVT245作為緩沖。為了保證過(guò)零比較的精度，提高抗干擾能力選擇LM239D做為過(guò)零比較器。

3 軟件設(shè)計(jì)
    該數(shù)字化設(shè)計(jì)方案的所有數(shù)字處理過(guò)程都在DSP芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，所以軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的處理性能。
    軟件工作過(guò)程如下：加電以后系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，同時(shí)產(chǎn)生9 MHz的采樣信號(hào)，然后啟動(dòng)DMA開(kāi)始數(shù)據(jù)的傳遞。由于DMA在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不占用內(nèi)部運(yùn)算單元，因此在進(jìn)行DMA傳輸?shù)臅r(shí)候同時(shí)進(jìn)行上一幀數(shù)據(jù)的卷積運(yùn)算，計(jì)算完卷積后，對(duì)每個(gè)距離單元抽樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行MTI，然后再進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的算法。由雷達(dá)的實(shí)際工作時(shí)序得到：在進(jìn)行卷積計(jì)算時(shí)會(huì)發(fā)生定時(shí)器的中斷，執(zhí)行完定時(shí)器的ISR后回到卷積處繼續(xù)執(zhí)行；在MTI以及目標(biāo)識(shí)別的算法運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生DMA的中斷，執(zhí)行完DMA的ISR后回到卷積處重新依次執(zhí)行，但是在執(zhí)行完卷積運(yùn)算后依然回到DMA中斷發(fā)生時(shí)的位置進(jìn)行運(yùn)算。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)
    用此系統(tǒng)運(yùn)行整個(gè)算法，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到：開(kāi)機(jī)運(yùn)行640 ms以后就可以得到各個(gè)距離單元運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度以及類(lèi)別信息，比原系統(tǒng)的檢測(cè)速度提高30 9／6，同時(shí)增加了目標(biāo)類(lèi)型分辨即目標(biāo)識(shí)別功能；讓系統(tǒng)重復(fù)地識(shí)別同一種目標(biāo)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：對(duì)單人這一類(lèi)目標(biāo)的識(shí)別率達(dá)到了7O％，對(duì)單車(chē)的分辨率達(dá)到了75％，而對(duì)于多人的分辨率達(dá)到65％，多車(chē)的分辨率達(dá)到了60％。
    綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以肯定設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)和軟件算法在實(shí)際使用中是有效的，因此本系統(tǒng)具有一定的推廣和使用價(jià)值。