DSP实验课程序设计报告
学院：电子工程学院
学号：1202121013
：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 实验容
2.1 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
2.1.1 脉压
2.1.2 相邻2脉冲做MTI ，产生15个脉冲
2.1.3 16个脉冲到齐后，做MTD ，输出16个多普勒通道
2.2 DSP 实现
将MATLAB 产生的信号，在visual dsp 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τ，带宽为B ，幅度为A ，μ为调频斜率，则其表达式如下：
]2
12cos[)()(20t t f t rect A t x μπτ+??=；)(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
)]2
12(exp[)()(20t t f j t rect A t x μπτ+??= 在脉冲宽度，信号的角频率由220μτπ-
f 变化到220μτπ+f 。
3.2 脉冲压缩原理
脉冲雷达信号发射时，脉冲宽度τ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()()*()s t s t h t KR t t ==-
3.3 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：
)2
cos 2(sin 2sin 21)(T j T T e e H t j j ωωωωω+=-=-。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。
3.4 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 π-==-
假设输入序列为()0,1,,1x n i i N -=-L ,第k 个横向滤波器完成的运算
是
11
2/,00()()()N N j ki N i k i i y k W x n i x n i e π---===-=-∑∑
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 λ?=? 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 d f nf f =+?，其中1n ≥,0d r f f
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=[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。
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：
由于雷达在发射时不能接收，故最大无遮挡距离(闭锁期)为：
86
3*10*42*10630022
c R m τ-===，而第一个目标的距离为3000m ，因此在闭锁区，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。
-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。