信號(hào)采集脈沖壓縮處理仿真與應(yīng)用研究

摘 要： 通過(guò)向信號(hào)源裝入波形可以進(jìn)一步擴(kuò)展信號(hào)源的功能，使其能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形的輸出。首先將線性調(diào)頻信號(hào)裝入信號(hào)源，并通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的采集卡所采集數(shù)據(jù)繪制出了實(shí)測(cè)的波形；然后系統(tǒng)分析了數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理仿真原理；最后，重點(diǎn)對(duì)信號(hào)源調(diào)制到射頻的線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)組件下變頻輸出的中頻信號(hào)，以及信號(hào)源直接輸出的該線性調(diào)頻信號(hào)的波形分別進(jìn)行脈沖壓縮處理仿真。實(shí)驗(yàn)表明，在沒有信號(hào)產(chǎn)生板和脈沖壓縮處理板的條件下，能夠用該方法來(lái)驗(yàn)證收發(fā)組件的性能。

關(guān)鍵詞： 矢量信號(hào)源； 收發(fā)組件； 脈沖壓縮； Matlab仿真

中圖分類號(hào)： TN958.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0052?03

0 引 言

隨著電子與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信號(hào)源輸出的波形的模式越來(lái)越多，同時(shí)，在信號(hào)源中裝入軟件就可以進(jìn)一步擴(kuò)展信號(hào)源的功能，這樣就能使信號(hào)源更加靈活地產(chǎn)生所需的發(fā)射波形，從而使信號(hào)源的功能獲得很好的擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)使用采集卡完成采集和處理，能夠?qū)邮胀ǖ赖睦走_(dá)回波信號(hào)的性能進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1 系統(tǒng)原理分析

本次實(shí)驗(yàn)中，線性調(diào)頻信號(hào)由裝入信號(hào)源安捷倫E8267C提供，其調(diào)頻斜率如式（1）所示[1]：

[μ=Δωτ=2πΔfτ] （1）

式中：[Δf]=5 MHz，為線性調(diào)頻信號(hào)帶寬；[τ]=40.25 μs，為脈沖寬度，該信號(hào)的中心頻率為30 MHz。其角度變化規(guī)律如式（2）所示：

[ω=ω0+μt， t≤τ2] （2）

式中：[ω0]為信號(hào)的中心角頻率。所以，該線性調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式如式（3）所示[2]：

[Si（t）=Arecttτcos（ω0t+12μt2）] （3）

式中：[A]為信號(hào)的幅度；[rect（t/τ）]為矩形函數(shù)，當(dāng)[-τ2≤][t≤τ2]時(shí)，矩形函數(shù)值為1，[t]為其他值時(shí)為0。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出的線性調(diào)頻信號(hào)在功率為-70 dBm下的波形如圖1所示[3]。

通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的PCI9820采集卡完成該線性調(diào)頻信號(hào)的采集，其采樣頻率為120 MHz。最后將采集到的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理仿真。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

在圖2中，信號(hào)源和采集卡的觸發(fā)由外部提供的同一個(gè)脈沖信號(hào)完成。PCI9820采集卡有兩個(gè)采集通道，本次實(shí)驗(yàn)中使用通道0進(jìn)行采集。

在脈沖壓縮處理仿真中，首先將采集到的數(shù)據(jù)讀入，然后分別對(duì)I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻、低通濾波和脈沖壓縮處理。在本次實(shí)驗(yàn)中采用時(shí)域脈壓進(jìn)行處理[4]，設(shè)輸入信號(hào)為[x（n），]匹配濾波器為[h（n），]那么輸出信號(hào)[y（n）]的表達(dá)式如式（4）所示[5]：

[y（n）=x（n）?h（n）=k=0N-1x（k）h（n-k）] （4）

考慮到對(duì)時(shí)域脈沖壓縮處理后輸出信號(hào)旁瓣的抑制，必須進(jìn)行加窗處理，同時(shí)，相比較而言hamming窗旁瓣抑制效果較好，實(shí)現(xiàn)較為容易[6]，因此，在本次實(shí)驗(yàn)中選用hamming窗函數(shù)[W（f）]來(lái)完成，其表達(dá)式如式（5）所示[7]：

[W（f）=0.54+0.46cos2πfB， f≤B2] （5）

由以上的分析可知，經(jīng)過(guò)采集卡采集得到的信號(hào)分I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻、低通濾波、脈沖壓縮處理和旁瓣抑制，其原理圖如圖3所示[8]。

在圖3中，將采集到的數(shù)字中頻信號(hào)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件讀入到脈沖壓縮處理軟件中，設(shè)讀入的中頻信號(hào)為[X，]所以，I、Q兩路信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)[XI]和[XQ]如式（6）～式（7）：

[XI=cos（n?f0fs?2π）?XT] （6）

[XQ=sin（n?f0fs?2π）?XT] （7）

式中：[n]為采樣點(diǎn)數(shù)；[f0]為信號(hào)的中心頻率；[fs]為采樣頻率；[XT]為[X]的轉(zhuǎn)置信號(hào)。因此，在不考慮經(jīng)過(guò)FIR低通濾波器后的延遲影響，時(shí)域脈壓的輸入信號(hào)[Xout]為：[Xout=XI+jXQ] （8）

再將式（8）代入式（4），同時(shí)給匹配濾波器考慮適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，就可以得到脈壓后的輸出信號(hào)。

2 信號(hào)采集脈壓處理仿真在收發(fā)組件測(cè)試中的

應(yīng)用

通過(guò)對(duì)以上信號(hào)采集脈壓處理系統(tǒng)原理分析，就可以將其應(yīng)用于收發(fā)組件性能測(cè)試中，具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

在圖4中，將信號(hào)源E8267C提供的和模擬射頻信號(hào)相同脈沖寬度模擬中頻信號(hào)[9]，通過(guò)PCI9820采集卡完成中頻模擬信號(hào)的采集，最后在Matlab軟件中將數(shù)據(jù)讀入，并完成中頻數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理仿真。

同時(shí)，信號(hào)源提供的模擬射頻信號(hào)工作在X波段，經(jīng)過(guò)收發(fā)組件下變頻成30 MHz的中頻信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的PCI9820采集卡完成中頻模擬信號(hào)的采集，最后采用相同的方法在Matlab軟件中完成數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理仿真。

通過(guò)以上的分析，為收發(fā)組件測(cè)試提供了一種新方法，將信號(hào)源提供的標(biāo)準(zhǔn)模擬中頻信號(hào)以及標(biāo)準(zhǔn)模擬射頻信號(hào)通過(guò)收發(fā)組件下變頻輸出的模擬中頻信號(hào)，采用相同的中頻數(shù)字下變頻和脈沖壓縮處理方法進(jìn)行處理。從而通過(guò)處理結(jié)果的對(duì)比來(lái)進(jìn)一步對(duì)收發(fā)組件的性能進(jìn)行改善。

下面分別對(duì)模擬中頻信號(hào)和模擬射頻信號(hào)通過(guò)收發(fā)組件下變頻輸出的模擬中頻信號(hào)的采集數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab仿真完成數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理[10]。參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

模擬射頻：X波段；模擬中頻：[f0]=30 MHz；采樣頻率：[fs]=120 MHz；信號(hào)帶寬：B=5 MHz；脈沖寬度：[τ=]40.25 μs；信號(hào)功率：[W=]-70 dBm；窗函數(shù)：hamming窗。模擬射頻信號(hào)通過(guò)收發(fā)組件采樣后進(jìn)行脈沖壓縮處理回波如圖5所示；模擬中頻信號(hào)采樣后進(jìn)行脈沖壓縮處理回波如圖6所示。

從圖5和圖6的回波脈沖壓縮處理結(jié)果可以看出，模擬射頻信號(hào)通過(guò)收發(fā)組件輸出后與信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的中頻信號(hào)相比，信噪比和旁瓣抑制比都有了一定的損失。通過(guò)計(jì)算得出收發(fā)組件輸出回波信號(hào)的信噪比為19.10 dB，旁瓣抑制比為38.02 dB。信號(hào)源輸出的回波信號(hào)的信噪比為31.44 dB，旁瓣抑制比為34.08 dB。由以上分析可知，與信號(hào)源輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相比，能夠用該方法來(lái)驗(yàn)證收發(fā)組件的性能，為檢驗(yàn)收發(fā)組件提供了一種新的方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先通過(guò)將Matlab產(chǎn)生的脈沖寬度為40.25 μs的線性調(diào)頻信號(hào)的波形文件裝入信號(hào)源E8267C；然后再用PCI9820采集卡對(duì)該線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行采集；最后，分別通過(guò)Matlab完成模擬射頻信號(hào)通過(guò)收發(fā)組件輸出后回波信號(hào)和信號(hào)源產(chǎn)生的模擬中頻回波信號(hào)的脈沖壓縮處理仿真。實(shí)驗(yàn)表明，在沒有信號(hào)產(chǎn)生板和脈沖壓縮處理板的條件下，能夠用該方法來(lái)驗(yàn)證收發(fā)組件的性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 向敬成，張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2] 承德保.現(xiàn)代雷達(dá)反對(duì)抗技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[3] ZHANG X G， ZHOU Z D. A pulse compression processor implementation with DSP for airborne pulse Doppler radar [C]// IEEE Digital Avionics Systems Conference. Phoenix， AZ， USA： IEEE， 1994： 422?423.

[4] SKOLNIK M. Radar Handbook [M]. 3rd revised edition. New York： McGraw?Hill Professional， 2008.

[5] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[6] 高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[7] 賀知明.多波形頻域脈壓并行處理機(jī)的設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2003.

[8] 薛衛(wèi)東，李博，武軍鋒，等.中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理研究[C]//第十二屆全國(guó)雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.武漢：中國(guó)電子學(xué)會(huì)無(wú)線電定位技術(shù)分會(huì)，2012：893?895.

[9] Agilent Technologies. E4438C/E8267D signal generators [EB/OL]. [2006?06?12]. http：//www.agilent.com.

[10] 郭仕劍，王寶順，賀志國(guó)，等.Matlab 7.X數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：人民郵電出版社，2006.