DSP应用系统设计大作业解答(线性调频+你要的)

DSP应用系统设计大作业专业：电子与通信工程姓名：赵多学号：1302121285———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第1页共35页题目一一、线性调频(LFM)信号为了提高雷达的作用距离和距离分辨率，实际中通常采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接收时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。而获得大的频带信号，采取LFM信号调制，可以将信号频域展宽，同时也充分利用了雷达发射功率，扩大作用距离，接收时采用匹配滤波器（MatchedFilter）压缩脉冲。线性调频（LinearFrequencyModulation）信号是指频率随时间而线性改变(增加或减少)的信号。线性调频信号s(t)可表示为：22()2()()cKjftttstrectTe-T/2tT/2(1.1)式中cf为中心频率，()trectT为矩形信号，othersTt)Ttrect(,021,1(1.2)K=B/T，是调频斜率，可得信号的瞬时频率为KttKtdtddtdwfffccii2222121-T/2tT/2(1.3)T为线性调频信号的时宽，B为带宽。可知瞬时频率呈线性变化，当K0时，频率递增，K0则递减。将1.1式中的信号重写为：tfjcetSts2)()((1.4)式中，2()()jKttStrecteT(1.5)是信号s(t)的复包络，也即为零中频LFM信号。根据题目要求，可知波形数据采样频率MHZfs20，取脉冲宽度sT120，则可以得知采样数据长度2400TfNs，调制带宽为MHZB6。利用Matlab生成所需调频信号，并生.dat数据文件以便VisualDSP++软件仿真调用。信号为复数信号，复数数据实部虚部交叉存储，奇数序列为实数序列，偶数序列为虚数序列。以下Matlab程序产生式(1.5)的零中频线性调频信号：clearall;T=120e-6;———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第2页共35页B=6e6;K=B/T;Fs=20e6;N=T*Fs;t=linspace(-T/2,T/2,N);St=exp(j*pi*K*t.^2);subplot(221),plot(t*1e6,real(St),'k');title('零中频线性调频信号的实部');xlabel('Timeinus'),ylabel('real(St)');gridon;axis([-3030-11]);subplot(222),plot(t*1e6,imag(St),'k');title('零中频线性调频信号的虚部');xlabel('Timeinus'),ylabel('imag(St)');gridon;axis([-3030-11]);freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N);subplot(223),plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))),'k');title('零中频线性调频信号的频谱');xlabel('FrequencyinMHz'),ylabel('S(f)');gridon;axistight;fi=K*t;subplot(224),plot(t*1e6,fi*1e-6,'k');title('零中频线性调频信号的瞬时频率');xlabel('Timeinus'),ylabel('fiinMHZ');gridon;axistight;saveinput.dat-asciiStfd=fopen('input.dat','wt');a=real(St);b=imag(St);fori=1:1:2400fprintf(fd,'%g\n',a(i));fprintf(fd,'%g\n',b(i));endfclose(fd);如图1所示为零中频线性调频信号各曲线图。———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第3页共35页图1零中频线性调频信号各曲线图二、脉冲压缩原理脉冲压缩技术是指雷达发射出宽脉冲信号，在接收端回波宽脉冲信号通过处理后得到窄脉冲的实现过程。脉冲压缩器的设计实际上就是匹配滤波器的设计。匹配滤波可以在时域实现，也可以在频域实现。式1.5的零中频线性调频信号即为发射信号，根据匹配滤波理论，它的匹配滤波器时域脉冲响应为：)()(*tSth(2.1)将式(1.5)代入式(2.1)得2)()(KtjeTtrectth(2.2)S(t)S0(t)图2零中频LFM信号的匹配滤波LFM脉冲信号经匹配滤波器后的输出S0(t)信号，当tT时，包络近似为辛克（sinc）函数。而此时压缩后的脉冲宽度：T0=1/B，LFM信号的压缩前脉冲宽度T和压缩后的脉冲宽度T0之比通常称为压缩比D，即TBTTD0(2.3)匹配滤波h(t)———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第4页共35页式(2.3)表明，压缩比也就是LFM信号的时宽频宽积。输出S0(t)的最大副瓣电平为主瓣电平的13.2dB，在多目标环境下，旁瓣会淹没附近较小的目标，从而引起目标丢失，所以通常引入加权函数（窗函数）对信号进行失配处理以抑制副瓣产生的消极影响，其副作用是输出信号的包络主瓣降低、变宽，即旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨力变坏作为代价的。设时域加权函数为w(t)，加权函数可以选择海明窗、汉宁窗等。则加权后输出为：)()()()(0twthtStS(2.4)频域实现实际上就是将时域的匹配滤波的时域卷积运算转到频域来运算（快速卷积算法）。因脉冲压缩的点数比较大时，频域FFT法的处理速度要比时域实现快很多，大大减少了运算量。用频域FFT法实现脉压的具体过程如图3如下：对信号S(n)进行FFT变换得到S(K)，S(K)与发射信号S(n)的FFT的复共轭S*(K)相乘，然后再对乘积作IFFT而获得时域脉压结果。由于S*(K)可以预先算出存入DSP的RAM空间里，每次运算时，只需读出RAM中的数值即可进行运算。因此S*(K)可以利用Matlab直接生成。软件生成后在对脉压作加窗处理时，仅需将窗函数W(K)与S*(K)的乘积H(K)=S*(K)·W(K)存入RAM中即可，不会额外增加存储量及运算量。用频域FFT法实现高速数字脉冲压缩，文中的脉冲压缩就是基于图3的原理实现的。S(n)S(K)Y(K)y(n)H(K)图3频域脉冲压缩原理结构图为节省运算时间，所以将频域脉压系数H(K)预先处理好。已知输入信号序列为零中频线性调频信号，根据题目要求在第二节已求出输入信号序列，因此根据公式易求出匹配滤波系数序列h(n)，但为保证利用FFT计算线性卷积不出现混叠失真，则循环卷积长度必须满足L=N+M-1，其中L为卷积长度，N和M分别为两卷积序列长度。根据MATLAB生成的输入数据可知N和M均为2400点，因此卷积长度，由于采用FFT进行计算，因此L必须为2的整数次幂，取最小值为8192。因此此设计中所有FFT和IFFT运算点数均为8192点。通过改变窗函数w(t)，可以得到三组H(k)序列文件，分别为矩形窗、汉宁窗和汉明窗，对应于文件real.dat/imag.dat,real1.dat/imag1.dat,real2.dat/imag2.dat三组文件，以便VISUALDSP++软件仿真时进行导入。Matlab生成H(K)序列源代码如下：clearall;T=120e-6;B=6e6;K=B/T;Fs=20e6;N=T*Fs;t=linspace(-T/2,T/2,N);FFTW(K)S*(K)IFFT———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第5页共35页St=exp(j*pi*K*t.^2);N_fft=4096;%因采样数据长度N为2400则脉压fft点数4096ht=conj(fliplr(St));%匹配滤波h(t)wt0=boxcar(N);wt1=triang(N);wt2=hanning(N);wt3=hamming(N);wt4=blackman(N);beta=7.865;wt5=kaiser(N,beta);ht0=ht.*wt3';%这里默认加汉明窗函数Ht=fft(ht0,N_fft);a=real(Ht);b=imag(Ht);savereal.dat-asciiafd=fopen('real.dat','wt');fork=1:1:N_fftfprintf(fd,'%g\n',a(k));end;saveimag.dat-asciibfd=fopen('imag.dat','wt');fork=1:1:N_fftfprintf(fd,'%g\n',b(k));%文本文件实际点数N_fft*2end;fclose(fd);三、VISUALDSP++脉压仿真3.1线性调频信号序列输入由MATLAB软件生成LFM信号序列，文件为input.dat。文件中共2400个复数序列，其中偶数列为实数序列，奇数列为虚数序列，因此共4800个数据。下图为在VISUALDSP++软件中导入input.dat文件并利用其画图功能画其波形：———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第6页共35页图3零中频信号上半部为实部波形，下半部为虚部波形3.2匹配滤波系数频域序列输入由第二节计算可知，匹配系数H(K)序列为h(n)进行4096点FFT变换得到，因此H(K)共有4096个复数序列，并且将实数序列与虚数序列分别存储成real.dat和imag.dat两个文件。在第二节中利用MATLAB软件生成H(k)序列已详解。根据矩形窗、汉宁窗、汉明窗生成三组序列文件分别real.dat/imag.dat,real1.dat/imag1.dat和real2.dat/imag2.dat。利用VISUALDSP++软件进行导入并画出波形图如下：图4矩形窗H(k)序列上半部为实部波形，下半部为虚部波形———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第7页共35页图5汉宁窗H(k)序列上半部为实部波形，下半部为虚部波形图6汉明窗H(k)序列上半部为实部波形，下半部为虚部波形根据原理结构图可知，脉冲压缩共分为FFT、复数乘法、IFFT和模值衰减变换四个模块。其中FFT模块采用VISUALDSP++软件中自带模块。而IFFT可采用如下方法求解，因10,)(1)(1)(1)(***10*10NnKXFFTNKNKXNnxNkknNknNNkWXW(3.1)由式（3.1）可得，先将X(K)取复共轭，然后直接调用FFT子程序进行FFT运算，最后再取复共轭并乘以1/N得到序列x(n)。这种方法虽然用了两次取共轭运算，但可以与FFT共用一子程序，提高了子程序利用率。四、结果分析4.1输出结果利用VISUALDSP++软件设置断点功能画出各部分输出波形，波形图分别如下：———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第8页共35页图7零中频线性调频信号8192点FFT波形图8矩形窗加权系数脉冲压缩压缩后波形图9矩形窗系数脉冲压缩后局部放大波形———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第9页共35页图10矩形窗脉冲压缩后衰减波形图11汉宁窗压缩后波形图12汉宁窗压缩后波形局部放大———————————————ＤＳＰ应用系统设计大作业———————————————————第10页共35页图13汉宁窗脉压后衰减波形图14