西电DSP大作业报告_1

1、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：13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matlab 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），依次做脉压相邻2脉冲做mti ，产生15个脉冲16个脉冲到齐后，做mtd ，输出16个多普勒通道 dsp 实现将matlab 产生的信号，在visual dsp 中做脉压，mti

2、、mtd ，并将结果与matlab 作比较。三 实验原理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)()(20t t f t rect a t x +?=；)(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)()(20t t f j t rect a t x +?=在脉冲宽度内，信号的角频率由220-f 变化到220+f 。 脉冲压缩原理脉

3、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

4、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()()*()s t s t h t kr t t =- mti （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

5、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

6、。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prf t 1=的离散时间序列)(n x 。其时域方程为：)1()()(-=n x n x n y ，传输函数为：11)(-=z z h ，它是一个单零点系统，零点的位置在1=z ，频率响应为：)2cos 2(sin 2sin 21)(tj t t e

7、 e h t j j +=-=-。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。 mtd （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

8、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r f ，r f 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r t ，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,.,1j ki n i k w e i n -=-假设输入序列为()0,1,1x n i

9、i n -=-l ,第k 个横向滤波器完成的运算是112/,0 ()()()n n j ki n i k i i y k w x n i x n i e -=-=-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)log n n 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()2 1n -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/2d v f ?=?其中1/d r f nt ?=为多普勒频率分辨力。若信号的多普勒频率满足：d r

10、 d f nf f =+?，其中1n ,0d r f f 四 实验步骤以下是该实验中设定的几个参数 bandwidth=带宽 timewidth=脉宽 fs=采样率prt=240e-6-脉冲重复周期 targetdistance=3000 8025 8025 11600-目标距离 targetvelocity=50 0 -120 213-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。在matlab 中产生线性调频信号。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）。由匹配滤波理论产生对应于目

11、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。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 。做16通道的fft ，实现mtd 。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

12、用库函数。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，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。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 。调用子程序，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 脉压、mti 、mtd 结果分析: 脉压结果及其分析： 由于雷达在发射时不

13、能接收，故最大无遮挡距离(闭锁期)为：863*10*42*10630022c r m -=，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的定目标与功率为多普勒频移为雷达发射频率的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。-13 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

14、的，之所以存在误差主要是由于visual dsp 和matlab 两种处理工具的精度不同也导致误差出现。 mti 结果及其分析 mti result 雷达的距离分辨力为863*107522*2*10c r m b ?=。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)*3000r m -?=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

15、目标在mti 处理后的结果幅度较大。第三个是速度120，功率是；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。 mtd 结果及其分析mtd result x 轴代表多普勒通道，y 轴代表距离单元，z 轴代表做mtd 后的幅度信息。 由图可算出各目标速度，以第一个目标为例：对应的纵坐标为2，在第二个多普勒通道上，而每个多普勒通道代表的速度是，因此，第一个目标对应的速度为：2*=。第四个目标产生了速度模糊。这是由于其速度为213，大于临界速度199，故产生速度模糊模糊分析，改变重频因为窄带多普勒滤波器组的频率覆盖范围为0到r f ，所以当d

16、r f f 时，将产 生速度模糊，对应的多普勒通道将和多普勒频移为()d r f f -对应的多普勒通道相 同，因此分辨不清目标的真实速度。这时，只要将prf 变大，由/2d v f ?=? 其中1/d r f nt ?=为多普勒频率分辨力，即可计算出合适的prf 。经计算，只需将雷达脉冲重复周期prt 由240改为196即可解除模糊。 dsp 结果与matlab 结果对比，误差分析。matlab 和dsp 脉冲压缩的结果分别如下图所示 -6-8 由上图可知，dsp 和matlab 脉压结果基本一样。dsp 和matlab 的脉冲压缩结果的误差（绝对值）数量级为610-，脉冲压缩相对误差的数量

17、级为810-，结果是正确的，且满足精度要求matlab 和dsp 做mti 的结果分别如下图所示 由图可知，matlab 和dsp 做mti 的结果基本一致dsp 做mti 结果的误差（绝对值）数量级为510-，误差（相对值）数量级为710-，可见dsp 做mti 的结果是正确的，且满足精度要求。matlab 和dsp 做mtd 的结果如下图所示 mtd绝对误差在数量级410-上，相对误差在810-数量级上。matlab和dsp的mtd结果稍有差别是由于两种工具处理数据的精度不一样，matlab用cpu处理数据，dsp则用dsp核处理数据。六实验思考题及心得mti结果中看不到静止目标从时域角度

18、分析，静止目标在任何时刻产生的多普勒相移都是一样的，用脉压串进行相减，自然会消掉静止目标；从频域角度来看，一次相消器会抑制零频响应，而静态目标频率为0，所以经mti滤波后会消失。所以mti结果中看不到静止目标。速度模糊由于多普勒相移以2产生周期变化，所以由于雷达发射脉冲串频率较低，间隔较大而测得的同一目标相移变化超过2时，雷达无法通过目标回波的相移计算准确的目标多普勒速度，产生的速度不定性称作速度模糊。根据多普勒速度与相移关系可算得试验中雷达可测的有效的最大速度为2rf=rfprtc?2398米/秒mtd速度/多普勒通道的含义mtd的核心是线性mti加窄带多普勒滤波器组，对雷达回波的处理包括杂

19、波处理和脉冲串信号匹配。mti实现的功能即是使杂波得到抑制而让各种速度的运动目标信号通过，而mtd滤波器则要实现回波脉冲串的相位特性相参积累。而此滤波器应为梳齿行滤波器，齿的间隔为脉冲重复频率，齿的位置取决于回波信号的多普勒频移。实际情况中，多普勒频移不能预知，因此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，多普勒通道数目即为该窄带多普勒滤波器组数目。实现的功能即是实现回波信号的相参积累，进一步滤除气象杂波等mti滤波器不能消除的杂波部分。实验心得通过这次试验，我对雷达信号处理的基本过程和相关理论以及线性调频，匹配滤波，mti，mtd，多普勒频移，快、慢

20、时间采样有了一定程度的理解。对fft，采样，频谱泄露等数字信号处理技术有了更感性的认识，收获颇丰。最后非常感谢老师在实验中的耐心指导，让我顺利完成每个实验，充实度过每个实验课。 大作业提示： 在dsp 环境下编程实现对回波信号的脉压，mti 和mtd 处理。 matlab 程序内容：提供了脉压，mti ，mtd 的实现方法，同时生成数据文件以供dsp 程序中使用。 流程说明：做脉压处理时，导入dsp 的回波数据应为时域数据，脉压系数为频域数据。这些数据是在matlab 程序中生成的。在dsp 中，对回波数据进行fft 处理将其变换到频域后，将其与频域系数进行点积，对点乘结果再做一次逆fft ，将频域结果转换到时域，在这一步中需要调用函数，其功能是实现输入数据的fft 变换。这里要求同学们利用fft 程序实现ifft 的功能。具体方法请大家自己查找。这个库函数的入口参数包括（输入数据，缓存区1，缓存区2，输出结果）(说明：原库函数中的入口参数比是6个而不是现在的四个，为了方便同学们调用，所以库函数调用的时候稍做了修改，希望你们以后再调库函数的时候注意)。所谓缓存就是在程序中再开辟一个存储空间，和输入数据的大小一样。所需的程序和旋转因子表都和这个文档放在同一个文件夹内了。在做mtd 的时候调用的函数是。程序中的参数由个人学号末三位来定，具体说明见matl