LFM脉冲压缩雷达标准实验报告.docx
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LFM脉冲压缩雷达标准实验报告
一、实验室名称：
电子信息工程专业学位研究生实践基地二、实验项目名称：
LFM脉冲压缩雷达的设计与验证三、实验学时：
20
四、实验原理：
1、LFM脉冲信号和脉冲压缩处理
脉冲雷达是通过测量目标回波延迟时间来测量距离的，距离分辨力直接由脉冲带宽确定。
窄脉冲具有大带宽和窄时宽，可以得到高距离分辨力，但是，采用窄脉冲实现远作用距离需要有高峰值功率，在高频时，由于波导尺寸小，会对峰值功率有限制，以避免传输线被高电压击穿，该功率限制决定了窄脉冲雷达有限的作用距离。
现代雷达采用兼具大时宽和大带宽的信号来保证作用距离和距离分辨力，大时宽脉冲增加了雷达发射能量，实现远作用距离，另一方面，宽脉冲信号通过脉冲压缩滤波器后变换成窄脉冲来获得高距离分辨力。
进行脉冲压缩时的LFM脉冲信号为基带信号，其时域形式可表示为
其中的矩形包络为
式中的为调频斜率，与调频带宽和时宽的关系如下式
时带积DBT1时，LFM脉冲信号的频域形式可近似表示为
脉冲压缩滤波器实质上就是匹配滤波器，匹配滤波器是以输出最大信噪比为准
则设计出来的最佳线性滤波器。
假设系统输入为x（t）Si（t）n（t），噪声ni（t）为均匀白
噪声，功率谱密度为Pn（）No/2，s（t）是仅在［0,T］区间取值的输入脉冲信号。
根据
线性系统的特点，经过频率响应为H（）匹配滤波器的输出信号为y（t）So（t）no（t），
其中输入信号分量的输出为
与此同时，输出的噪声平均功率为
则to时刻输出信号信噪比可以表示为
要令上式取最大值，根据Schwarz不等式，则需要匹配滤波器频响为
对应的时域冲激响应函数形式为
取值是
当匹配滤波器冲激响应函数满足（5-5）式时，通过匹配滤波器的输出信号分量可
to时刻
以表示为下式:
由上式可知，此时的输出信号分量实际上是输入信号的自相关函数，在输出的最大值就是自相关函数的最大值。
如上所述，匹配滤波器输出信号是信号波形的自相关函数，其傅立叶变换结果就是信号功率谱，则信号带宽越大，输出信号越窄，距离分辨力越好。
所以，当宽脉冲的脉内频率或相位经过调制后，信号带宽增大，经过匹配滤波器后就会被压缩为窄脉冲，从而保证了雷达的作用距离和高距离分辨力。
这样的调制信号被称为脉
冲压缩信号，常用的脉冲压缩信号包括LFM脉冲、非线性调频（NLFM脉冲和相位
编码脉冲。
匹配滤波器对调制后脉冲的压缩作用，也可以从滤波器的群延时特性来理解。
从上面表达式可知，除了时延to引入的相位因子以外，滤波器频响的相位函数与输
入信号是共轭关系，这也就是说，滤波器的群时延特性正好与输入信号的频率-时间
变化规律相反。
以LFM脉冲信号为例，雷达发射信号频率随时间增加，而匹配滤波器对信号起始的低频分量延时大，对后面的高频分量延时小，中间频率则按相应比例延迟，这样，线性调频脉冲的不同分量，几乎同相地从匹配滤波器输出，在某个时刻输出压缩成单一载频的窄脉冲。
要对基带LFM脉冲信号进行压缩处理，对应的匹配滤波器应具有以下特性
式中的S（）和i（）分别是LFM脉冲的幅频特性和相频特性。
为方便推导，进行变量代换时，取K/TN/a，则得到LFM脉冲经过匹配滤波器后输出的信号频
谱为
经过傅立叶反变换后，则得到脉冲压缩输出信号so（t）为
由上式可知，LFM脉冲经过脉冲压缩以后输出的信号为siW函数，与压缩前的脉宽T相比，脉冲宽度压缩了D倍。
2、DUC和DDC
窄带信号的数学表达式常写为：
（通信和雷达）
正交分量为
两个相互正交的分量可表示为复解析式:
ZB（t）为零载频信号，称之为基带信号（BasebandSignal）或零中频信号。
其中，ZBl（t）就是I信号，Zbq（t）就是Q信号。
因此，由已调信号x（t）获得基带信号ZBi（t）、ZBQ（t）后，其幅度、相位或频率
的调制信息可通过运算获得:
其中，式（1.22）中tan-1为四象限反正切。
通过信号的复解析，很容易获得信号的基带调制信息，因此这一过程也称为正交解调或正交分解，其相反的过程称为正交调制。
在数字域中完成的正交解调为DDC
反之为DUC
DDC勺典型结构如下图所示
图1DDC结构示意框图
DUC勺典型结构如图3所示
图2DUC结构示意框图
3、恒虚警处理（CFAR基本方法
雷达信号的检测问题，就是对某一坐标位置上目标信号“有”或“无”的判断问题。
最初，这一任务由雷达操纵员根据雷达屏幕上的回波信号进行人工判断来完成。
后来，出现了自动检测技术，并从一幵始的固定、半固定门限检测发展到自适应恒虚警检测（CFAR0CFAR检测使得雷达在多变的背景信号中能够维持虚警概率
的相对稳定，这种虚警概率的稳定性对于大多数的雷达，如搜索警戒雷达、跟踪雷
达、火控雷达等都是至关重要的，因此，CFAF检测已逐渐成为现代雷达的一项标准
技术。
在进行恒虚警处理时，根据处理对象的不同分为慢门限恒虚警和快门限恒虚警。
慢门限恒虚警主要针对接收机内部噪声，快门限恒虚警则针对于杂波环境下的雷达自动检测。
慢门限CFAR对于高斯类杂波，较早的检测是噪声电平恒定电路，它适用于接
CFAR下图为慢
收机热噪声之类的平均功率变化缓慢的情况，称为慢门限检测。
接收机内部噪声由于温度、电源等因素而改变，它的变化是缓慢的，故适用于慢门限门限恒虚警噪声电平恒定电路模型。
五、实验目的：
1.掌握LFM脉冲信号的产生;
2.掌握脉冲压缩模块的设计与FPGA实现;
3.掌握MTI模块的设计与FPGA实现;
4.掌握CFAF模块的设计与FPGA实现;
六、实验内容：
DDC得到LFM脉冲
根据给出的信号参数，产生基带LFM脉冲信号，并利用DUC将其变换到中频输
出;然后根据带通采样定理，对中频信号进行采集后，再进行
的基带信号；采用时域脉冲压缩方法对基带LFM脉冲信号进行脉冲压缩处理；按照
CA-CFAF步骤，求出平均噪声功率，然后进行归一化，按照门限进行判决
七、实验器材（设备、元器件）
示波器，计算机，软件无线电实验平台八、实验步骤：
1.按照前面所述的原理，先完成LFM永冲基带信号的设计和MATLA仿真，此次试验
参数设计如下：
脉冲宽度T=2.5s;调频信号带宽B=10MHz;K=B/T;基带采样率
Fs=12MHz载频信号f0=30e6;内插系数D=10;脉冲周期PRP=5.12e-5;
（1）LFM脉冲基带信号波形如下:
图3LFM脉冲基带信号波形
十倍内插后的波形：
图4十倍内插后的I路信号波形
内插信号滤波后的波形
图5内插信号滤波后的波形
加入载频后的中频信号波形频谱图
图6.LFM脉冲中频信号频域波形
将信号进行解调、降采样后对其进行脉压和恒虚警处理，则可以检测出目标所
在位置。
图7脉冲压缩和恒虚警输出结果
2.采用HDL语言实现整个信号产生和处理检测过程，整个FPGA程序框架如下图所示。
图8FPGA模块组成结构框图
在模块划分完成以后，需要对图10中给出的每个模块分别编写程序和软件仿
真，验证了模块和整个程序的时序正确性后，将编译后结果下载到软件无线电实验
，然后将重要模
平台（具体连接和下载过程按照软件无线电实验平台使用手册进行）块的输出送到D/A来观察系统工作是否正常。
（1）FPGA设计原理图
SQROM
图9系统程序仿真图
OATALATCH
图12数据锁存器
图13FIR滤波器模块
图14顶层文件原理图:
（2）时钟产生
图15时钟产生
（3）数据产生与DA输出
通过matlab产生LFM波形数据，通过prf_pru模块来控制雷达脉冲发生，通过地址发生器addr_pru读取rom里存的波形。
通过控制DA输出。
图16数据产生与DA输出
（4）AD采样与锁存
AD采集进来，通过一个数据锁存器，让数据更加稳定。
图17数据锁存
（5）NCO中频数字接收机:
图18NCO模块:
6）数字下变频混频
混频用两个乘法器，两个12bit
图19混频
7）数字下变频FIR设计
混频后，用FIR滤波器滤波。
FIR滤波器设置，通带截止频率为10MHz，60阶。
图20滤波器
8）基带信号抽取
图21基带信号抽取抽取
9）脉冲压缩过程
图22脉冲压缩原理框图
图23基带脉冲压缩原理框图
九、实验数据及结果分析:
在FPGAh调试输出结果如下图所示。
图24FPGA产生信号图之一
此图分别是DA产生的数据，AD采样的数据，AD采样经过锁存的数据。
以及neo产生的正余弦波。
图25FPGA产生的信号图之二
此图显示了，混频后信号，通过FIR后信号，通过抽取后信号的波形。
图26FPGA产生的信号图之三
此图显示了最终脉冲压缩的结果。
十、实验结论：
1．采用脉冲压缩信号可以同时保证作用距离和距离分辨力。
2.在门限一定的情况下，虚警概率一定，此时提高信噪比可以改善检测概率
一、总结及心得体会：
通过本次课程设计，了解了QuartusII的幵发、调试、测试，并明白了LFM信
号的数字实现和仿真，实现了LFM中频信号产生与接收。
掌握了数据率变换的原理,
掌握了模块PRF产生器，地址产生器，波形数据库，数据锁存器，FIR_LPF模块的
原理应用。
掌握了加法器，减法器的应用，模块的连接及相关引脚的设置都需要认真的设置，否则都会对实验结果产生影响。
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