西电DSP大作业报告

DSP实验课程序设计报告学院：电子工程学院学号：1202121013姓名：赵海霞指导教师：苏涛DSP实验课大作业设计一实验目的在DSP上实现线性调频信号的脉冲压缩、动目标显示（MTI）和动目标检测(MTD)，并将结果与MATLAB上的结果进行误差仿真。二实验内容2.1MATLAB仿真设定带宽、脉宽、采样率、脉冲重复频率，用MATLAB产生16个脉冲的LFM，每个脉冲有4个目标（静止，低速，高速），依次做2.1.1脉压2.1.2相邻2脉冲做MTI，产生15个脉冲2.1.316个脉冲到齐后，做MTD，输出16个多普勒通道2.2DSP实现将MATLAB产生的信号，在visualdsp中做脉压，MTI、MTD，并将结果与MATLAB作比较。三实验原理3.1线性调频线性调频脉冲压缩体制的发射信号其载频在脉冲宽度内按线性规律变化即用对载频进行调制(线性调频)的方法展宽发射信号的频谱，在大时宽的前提下扩展了信号的带宽。若线性调频信号中心频率为0f，脉宽为，带宽为B，幅度为A，为调频斜率，则其表达式如下：]212cos[)()(20ttftrectAtx；)(为矩形函数rect在相参雷达中，线性调频信号可以用复数形式表示，即)]212(exp[)()(20ttfjtrectAtx在脉冲宽度内，信号的角频率由220f变化到220f。3.2脉冲压缩原理脉冲雷达信号发射时，脉冲宽度决定着雷达的发射能量，发射能量越大，作用距离越远；在传统的脉冲雷达信号中，脉冲宽度同时还决定着信号的频率宽度B，即带宽与时宽是一种近似倒数的关系。脉冲越宽，频域带宽越窄，距离分辨率越低。脉冲压缩的主要目的是为了解决信号的作用距离和信号的距离分辨率之间的矛盾。为了提高信号的作用距离，我们就需要提高信号的发射功率，因此，必须提高发射信号的脉冲宽度，而为了提高信号的距离分辨率，又要求降低信号的脉冲宽度。脉冲压缩网络实际上就是一个匹配滤波器网络，在接收机中设置一个与发射信号频率相匹配的压缩网络，使经过调制的宽脉冲的发射信号变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。根据匹配滤波理论，脉压可以在频域与时域中进行。频域脉压即对回波信号进行FFT变换，在频域中实现回波信号与脉压系数相乘，最后将结果进行IFFT转换为时域信号。时域脉压即直接对将回波信号与脉压信号进行线性卷积，去掉暂态点后的数据就是脉压的结果。00()()*()ststhtKRtt3.3MTI（动目标显示）原理动目标显示（MTI）本质含义是：基于回波多普勒信道的提取而区分运动目标和固定目标（包括低速运动的杂波等）。从应用上讲，该技术是利用MTI滤波器滤除相应杂波，从而提高目标检测性能。雷达辐射的高频脉冲能量被各种地形地物等固定物体和飞机等运动物体反射时，由于前者回波信号相对于发射信号的相位差是固定的，而后者的回波信号相对于发射信号的相位差是变化的，于是经相位检波后，固定目标视频信号的幅度不变，而运动目标视频信号的幅度按多普勒频率的余弦关系变化，把视频信号延时一个重复周期后，和未延时信号加以对消，就可以消除固定目标而只选择运动目标。因此，若将同一距离单元在相邻重复周期内的相检输出作相减运算，则固定目标的回波将被完全对消，慢速杂波也将得到很大程度衰减，只有运动目标回波得以保留。显然这样便可将固定目标，慢速杂波与运动目标区别开来，这就是动目标显示（MTI）的基本原理。最常用的MTI滤波器是抑制地物杂波的滤波器。因为地物杂波多普勒频移为零或很小，主要集中在0频附近。在频率为0处，滤波器频率响应应有凹口。所以地物杂波在通过MTI滤波器后将受到很大的抑制。零频杂波（地杂波）的MTI滤波器应在零频及其周期出现点处形成凹口。最常用的零频MTI滤波器是二项式滤波器，其中最为典型的是一次和二次相消器。一次相消器（二脉冲对消）输入数据是一个基带复数样本，这些是同一个距离单元由顺序脉冲返回的，形成一个有效的采样间隔PRFT1的离散时间序列)(nx。其时域方程为：)1()()(nxnxny，传输函数为：11)(zzH，它是一个单零点系统，零点的位置在1z，频率响应为：)2cos2(sin2sin21)(TjTTeeHtjj。其在零频有一凹口，可用来抑制噪声，但同时把静态目标也给对消掉，因此用MTI一次相消器检测不出静目标。3.4MTD（动目标检测）原理仅对雷达回波信号进行动目标显示（MTI）是不够的，气象杂波(如云雨等)和箔条杂波受气流和风力的影响,会相对雷达而动,其频谱中心不是固定在0频附近,而是在某个频率区间内变化的,抑制此类杂波用普通的MTI滤波器是不行的，而MTD滤波器则可以抑制此类杂波。如图1所示：图1动目标显示滤波器和多普勒滤波器组的特性根据最佳线性滤波理论，在杂波背景下检测运动目标回波，除了杂波抑制滤波器外，还应串接有对脉冲串信号匹配的滤波器。实际工作中，采用一组相邻且部分重叠的滤波器组覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波器组。N个相邻的多普勒滤波器组的实现是由N个输出的横向滤波器（N个脉冲和N-1根迟延线）经过各脉冲不同的加权并求和后形成的。该滤波器的频率覆盖范围为0到rf，rf为雷达工作重复频率。MTD就是用窄带多普勒滤波器组实现脉冲串信号匹配的一种技术。下图给出MTD的实现方法。图2横向滤波器横向滤波器有N-1根延迟线，每根延迟线的延迟时间为rT，设加在第k个横向滤波器的第i个抽头的加权值为2/,,0,1,...,1jkiNikWeiN假设输入序列为()0,1,,1xniiN,第k个横向滤波器完成的运算是112/,00()()()NNjkiNikiiykWxnixnie上式就是DFT的表述式，当N是2的乘方的时候，便可以使用FFT算法来快速实现。用FFT实现N个滤波器组，FFT算法运算量大约在2(/2)logNN个乘法，而使用横向滤波器N组横向抽头的分别加权的方法，需要21N次乘法，在N比较大时，可以明显节省运算量。利用MTD可分辨不同速度的目标，其速度分辨力为/2dvf其中1/drfNT为多普勒频率分辨力。若信号的多普勒频率满足：drdfnff，其中1n,0drff则会出现多普勒频率模糊现象，即速度模糊。四实验步骤以下是该实验中设定的几个参数BandWidth=2.0e6----------------------------------------------带宽TimeWidth=42.0e-6--------------------------------------------脉宽Fs=2.0e6---------------------------------------------------采样率PRT=240e-6-------------------------------------------脉冲重复周期TargetDistance=[30008025802511600]-------------------目标距离TargetVelocity=[500-120213]---------------------------目标速度假设接收到的回波数是16个，噪声为高斯随机噪声。4.1在MATLAB中产生线性调频信号。4.2根据目标距离得出目标回波在时域的延迟量，根据目标速度得出多普勒相移，从而在MATLAB中产生4个目标的16个回波串（接收到的回波含噪声）。4.3由匹配滤波理论产生对应于目标回波的滤波系数（脉压系数），在时域中做线性卷积，实现匹配滤波（时域脉压）；在频域中做回波信号和脉压系数的FFT，点乘后作逆FFT，实现频域脉压。两者进行比较，讨论其差别。4.4对16个去暂态点后的脉冲串按接收顺序进行排列，用一次相消器（一种滤波方式）实现MTI。4.5做16通道的FFT，实现MTD。4.6在DSP中对MATLAB产生的回波数据和脉压系数进行处理，实现频域脉压。导入DSP的回波数据为时域数据，而脉压系数为频域数据。将导入DSP的时域回波数据进行一次FFT变换到频域，然后将其与频域脉压系数进行点积，得到频域脉压结果。对该结果再做一次逆FFT，将频域转换成时域。在这一步中需要调用库函数fft_flp32.asm。该子程序可实现8192点复数的FFT功能。由于C语言中无法实现复数运算，因此，对8192个复数按照实部虚部交替的顺序进行重排列，用长度为16384的数组来存放时域回波数据。频域相乘后，做乘积结果的逆FFT，得到脉压结果。做逆FFT，仍需调用库函数fft_flp32.asm，此时要通过FFT子程序实现逆FFT的功能，要对频域的数据进行处理，才能达到这一目的。4.7对脉压后的数据按照脉冲号重排，相邻序列的数据相减（滑动对消），实现MTI。4.8调用子程序fft_16.asm，做16通道FFT，实现MTD。入口参数为16通道的脉压数据。五实验结果及讨论5.1脉压、MTI、MTD结果分析:5.1.1脉压结果及其分析：010002000300040005000600070008000-4-2024总回波信号的实部,闭锁期为0010002000300040005000600070008000050100150X:124Y:41.51时域脉压结果的幅度,有暂态点X:191Y:120.7X:238Y:81.91X:2591Y:56.05X:2044Y:39.84X:2638Y:83.72由于雷达在发射时不能接收，故最大无遮挡距离(闭锁期)为：863*10*42*10630022cRm，而第一个目标的距离为3000m，因此在闭锁区内，被遮挡一部分，所以在目标功率相同的情况下，第一个目标的回波功率明显小于另两个，第一个脉冲的幅度远小于另二个脉冲的幅度。第二个脉冲的幅度一直在变化，是因为第二个脉冲是两个在同一个距离门的两个回波信号的矢量叠加。第二个脉冲为功率为1的定目标与功率为0.25多普勒频移为雷达发射频率的0.25倍的运动信号的叠加，所以可以看到第二个脉冲的幅度以雷达发射周期的四倍为周期变化。0100020003000400050006000700080009000050100150X:124Y:41.51频域脉压结果的幅度,有前暂态点和后暂态点X:191Y:120.7X:238Y:81.91X:2044Y:39.84X:2111Y:80.6101000200030004000500060007000800000.51x10-13红色为时域频域脉压的差别从图中可以看出，时频域脉压结果差别很小，相对误差停留在1013量级上。理论上两者计算结果应该是一样的，之所以存在误差主要是由于VisualDSP和MATLAB两种处理工具的精度不同也导致误差出现。5.1.2MTI结果及其分析0100200300400500051015050100150200MTIresultX:155Y:11Z:165.9X:108Y:11Z:67.89X:41Y:10Z:31.07雷达的距离分辨力为863*107522*2*10cRmB。以第一个目标为例，对应的横坐标为41，由于MATLAB的坐标是从1开始的，因此，第一个目标对应的距离为(411)*3000Rm图中一个脉冲第一个是速度50，功率是1，但是第一个脉冲有一部分功率损失在闭锁期了，故幅度较小；第二个目标被对消，因为第二个目标的速度为零，而其它目标的相减结果不为零，这是因为运动目标回波信号是以普勒频率为频率的余弦信号，因此相同功率下速度大的目标在MTI处理后的结果幅度较大。第三个是速度120，功率是0.25；第四个是学号产生的速度213，功率是1。因此，第四个脉冲的幅度最大，其次是第三个脉冲，其次是第一脉冲。5.1.3MTD结果及其分析0100200300400500-10-50510050010001500X:154Y:-7Z:947.5MTDresultX:107Y:-5Z: