线性调频信号数字脉冲压缩技术分析_郑力文

随机信号处理实验————线性调频（LFM）信号脉冲压缩仿真姓名：***学号： **********一、实验目的：1、了解线性FM 信号的产生及其性质；2、熟悉MATLAB 的基本使用方法；3、利用MATLAB 语言编程匹配滤波器。

4、仿真实现FM 信号通过匹配滤波器实现脉压处理，观察前后带宽及增益。

5、步了解雷达中距离分辨率与带宽的对应关系。

二、实验内容：1、线性调频信号线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为：()()2001222j f t j f t ut lfmt t u t Arect S e e ππτ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎛⎫== ⎪⎝⎭ ()211,210,2j ut t t t u t Arect rect t e πττττ⎧≤⎪⎪⎛⎫⎛⎫==⎨ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪>⎪⎩为信号的复包络，其中为矩形函数。

0u f τ式中为脉冲宽度,为信号瞬时频率的变化斜率，为发射频率。

当1B τ≥（即大时宽带宽乘积）时，线性调频信号特性表达式如下：0()LFM f f f B S -⎛⎫=⎪⎝⎭幅频特性： 20()()4LFM f f f u ππφ-=+相频特性：20011222i d f f t ut f ut dt ππ⎡⎤⎛⎫=+=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦信号瞬时频率：程序如下：%%产生线性调频信号T=10e-6; %脉冲宽度B=400e6; %chirp signal 频带宽度400MHz K=B/T; %斜率Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率与采样周期N=T/Ts %N=8000t=linspace(-T/2,T/2,N); %对时间进行设定St=exp(j*pi*K*t.^2) %产生chirp signalfigure;subplot(2,1,1);plot(t*1e6,real(St));xlabel('Time in u sec');title('线性调频信号');grid on;axis tight;subplot(2,1,2)freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); %对采样频率进行设定plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));xlabel('Frequency in MHz');title('线性调频信号的幅频特性');grid on;axis tight;Matlab 程序产生chirp 信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图：2、匹配滤波器在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(t x ：)()()(t n t s t x +=其中：)(t s 为确知信号，)(t n 为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No 。

线性调频信号的脉冲压缩处理性能研究朱若菡，任腊梅，李增元(陕西黄河集团有限公司设计所，陕西西安 710043)摘要：线性调频信号以其优良的性能成为现代雷达中普遍使用的脉冲压缩波形，本文通过理论分析和仿真实验，对线性调频信号的脉冲压缩性能进行了研究，给 出了影响处理性能的关键因素。

关键词：线性调频信号；脉冲压缩；主副比；主瓣宽度1引言对于现代战争的雷达，如何从复杂的杂波和噪声背景中提取信号目标的信息成为现代雷 达研究的一个重要部分，雷达信号处理的关键在于设法提高回波信号的功率信噪比。

在普通 脉冲雷达中，雷达的时宽带宽积为一常量，不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。

脉冲 压缩（PC )雷达体制，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，而在接 收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离和 分辨力之间的矛盾。

现代雷达通常可以采用发射大时宽带宽的信号进行脉冲压缩的方法来提 髙信噪比，脉冲压缩是对信号进行信噪比放大的重要手段。

线性调频脉冲信号具有近似矩形 的频谱特性、平方律的相频特性和可以选择的”时宽带宽乘积"，通过压缩可提供良好的距离分 辨力和径向速度分辨力，因而成为目前雷达信号采用的主要波形。

本文通过对线性调频信号 脉冲压缩处理过程的理论分析和仿真实验，研究其对系统的影响。

2线性调频信号的脉压原理2.1线性调频信号一个线性调频信号可表示为如下公式（1)所示：i .(f ) = A .咐(十).exp 丨j (2丌/〇Z + 亨■)公式⑴中：A 为信号幅度;"为调频斜率加[f ]为矩形函数:>12. 2 主副瓣比(1)(2)线性调频信号经过压缩滤波器后输出脉冲具有Sine 包络，有较大的时间旁瓣，其中第一 旁瓣高度为一 13. 6dB ，其他旁瓣按固定零点间隔高度有所衰减。

这样在多目标情况下，旁瓣会覆盖主瓣附近较小目标的回波信号，造成目标丢失或者不可检测。

线性调频信号数字脉冲压缩技术分析作者：郑力文, 孙晓乐来源：《现代电子技术》2011年第01期摘要：在线性调频信号脉冲压缩原理的基础上，利用Matlab对数字脉冲压缩算法进行仿真，得到了雷达目标回波信号经过脉冲压缩后的仿真结果。

运用数字脉冲压缩处理中的中频采样技术与匹配滤波算法，对中频采样滤波器进行了优化，降低了实现复杂度，减少了运算量与存储量。

最后总结了匹配滤波的时域与频域实现方法，得出在频域实现数字脉冲压缩方便，运算量小，更适合线性调频信号。

关键词：线性调频信号; 脉冲压缩; 中频采样; 匹配滤波中图分类号：TN911-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)01-0039-04Digital Pulse Compression Technology of Linear Frequency Modulation SignalZHENG Li-wen, SUN Xiao-le(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)Abstract： Based on the principle of pulse compression technology of linear frequency modulation signal，the simulation result of radar echo signal compressed by the pulse can be gained by using Matlab to simulate the digital pulse compression algorithm. Combining the technology of IF sampling with the matching filter algorithm in the digital pulse compression processing and optimazing the IF sampling filter, which can remarkably reduce the complexity and decrease the multiplier operation and the memory. Finally, the implementation methods of matching filtercan be implemented on frequency domain.Keywords： linear frequency modulation signal; pulse compression; IF sampling; matching filter为了提高雷达系统的发现能力，以及测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时宽带宽积［1-2］。

脉冲压缩技术研究脉冲压缩技术的核心思想是通过将脉冲信号与其中一种特定的序列进行卷积运算，从而实现脉冲的压缩。

常见的压缩序列包括线性调频信号（LFM信号）、随机相位码、多普勒码等。

其中，线性调频信号是应用最广泛的一种压缩序列，其特点是频率随时间线性变化。

在雷达应用中，脉冲压缩技术可以提高雷达的距离分辨率和目标探测性能。

传统雷达系统中，脉冲的带宽决定了雷达的距离分辨率，带宽越大，分辨能力越强。

然而，由于无线电频谱的有限性，传统雷达系统的带宽受到限制。

而通过脉冲压缩技术，可以实现对大带宽脉冲信号的压缩，从而提高雷达的距离分辨率。

在通信系统中，脉冲压缩技术可以提高抗多径干扰的能力。

多径干扰是指由于信号在传播过程中遇到多个不同的传播路径引起的信号多次反射和衍射，导致接收端收到的信号呈现多个不同的传播路径所产生的叠加。

脉冲压缩技术可以通过压缩信号的时延，使得反射回来的多个信号在接收端得以清晰分辨，从而提高多径干扰的抑制能力。

在激光应用中，脉冲压缩技术可以提高激光的脉冲功率和光谱纯度。

激光器输出的脉冲信号往往具有较大的带宽，而脉冲压缩技术可以通过压缩脉冲时域宽度，从而提高脉冲功率。

同时，由于激光器的输出脉冲信号往往是非单色的，脉冲压缩技术可以通过压缩脉冲频域宽度，从而提高光谱纯度，使得激光的频谱更加窄线。

研究脉冲压缩技术的关键问题包括脉冲压缩序列的选择、脉冲压缩算法的设计和实现等。

在脉冲压缩序列的选择上，需要考虑到序列的自相关性能、对多路径干扰的抑制能力以及对噪声的容忍度。

在脉冲压缩算法的设计和实现上，需要考虑到算法的实时性、计算复杂度以及硬件的限制。

总之，脉冲压缩技术是一种重要的信号处理技术，在雷达、通信、激光等领域具有广泛的应用和深远的影响。

通过研究脉冲压缩技术，可以提高系统的性能和能力，满足实际应用的需求。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
线性调频脉冲压缩技术是一种常用于雷达系统中的信号处理技术，能够提高雷达系统
的距离分辨率和探测性能。

下面将对线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用进行分
析。

线性调频脉冲压缩技术通过对发射脉冲信号进行调频，然后对接收到的回波信号进行
相关运算，实现距离域的压缩，并提高距离分辨率。

具体来说，首先发送的是带有一定宽
度的长脉冲信号，然后接收到的回波信号与发射信号进行相关运算，可以得到一系列狭窄
的脉冲，从而提高了距离分辨率。

线性调频脉冲压缩技术在陆地雷达系统中的地形识别具有重要意义。

线性调频脉冲压
缩技术可以将回波信号中具有不同多普勒频移的信息提取出来，从而对地面目标进行辨别
和识别。

通过识别地形特征，地面雷达系统可以区分出不同的地物目标，如建筑物、树木、地面等。

这对于军事和民用领域都具有重要的意义，能够为作战决策、资源利用等提供实时、准确的信息。

线性调频脉冲压缩技术还可以应用于航空雷达系统中的飞行目标探测和识别。

由于飞
行目标在天空中快速移动，其多普勒频移会引起回波信号的频偏。

利用线性调频脉冲压缩
技术，可以对回波信号进行多普勒频谱分析，提高飞行目标的探测灵敏度和识别精度。

这
对于航空领域的雷达导航、飞行监控等具有重要意义。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中具有广泛的应用前景。

无论是空天海陆等各种环
境的雷达系统，都可以采用线性调频脉冲压缩技术来提高目标探测和识别能力，从而更好
地满足各种应用需求。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析【摘要】线性调频脉冲压缩技术是雷达系统中常用的信号处理技术之一。

本文从技术概述、原理解析、应用案例、优势分析和未来发展方向等方面对该技术进行了全面介绍和分析。

通过分析技术的特点和优势，总结出线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的重要作用和潜在应用前景。

本文旨在为雷达技术的发展提供新的思路和方向，并为相关领域的研究与应用提供参考。

通过深入了解和分析线性调频脉冲压缩技术，可以更好地推动雷达技术的发展和创新，为未来的雷达系统提供更加高效和可靠的信号处理技术支持。

【关键词】线性调频脉冲压缩技术、雷达系统、应用分析、研究背景、研究意义、原理、案例、优势分析、未来发展方向、应用前景、总结。

1. 引言1.1 研究背景线性调频脉冲压缩技术通过在发射信号中引入线性调频信号，使得信号在接收端经过相关处理后可以实现高分辨率的目标探测和跟踪。

这种技术能够有效地提高雷达系统的性能，并且在目标探测、信号处理和抗干扰能力等方面具有显著效果。

随着雷达系统应用场景的不断拓展和发展，对线性调频脉冲压缩技术的需求也日益增加。

对该技术在雷达系统中的应用进行深入研究和分析，有助于更好地发挥其在雷达领域的作用，提高雷达系统的性能和功能，实现更广泛的应用。

1.2 研究意义线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的研究意义。

该技术能够提高雷达系统的分辨率和探测性能，从而更好地实现目标的精确定位和识别。

线性调频脉冲压缩技术可以有效抑制干扰信号，提高雷达系统的抗干扰能力，使其在复杂电磁环境下仍然能够正常工作。

该技术还可以实现雷达系统的远距离探测和高速目标跟踪，为军事和民用领域的雷达应用提供更广阔的发展空间。

通过对线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的深入研究和应用，可以进一步推动雷达技术的发展和创新，提高我国在雷达领域的技术实力和国防能力，促进军事和民用领域的科技进步和经济发展。

探索线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的理论和实践意义。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析1. 引言1.1 引言线性调频脉冲压缩技术是一种在雷达系统中广泛应用的信号处理技术，通过对发射信号进行线性调频，再对接收信号进行压缩处理，可以有效提高雷达系统的分辨率和目标检测能力。

本文将对线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用进行深入分析。

背景意义线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的意义。

它可以提高雷达系统的目标分辨能力，使得雷达能够更准确地识别和跟踪目标。

通过脉冲压缩处理，可以在保持较短脉冲宽度的提高信噪比，增强雷达系统的灵敏度和抗干扰能力。

深入研究线性调频脉冲压缩技术的应用，对于提升雷达系统的性能和效率具有重要意义。

1.2 背景线性调频脉冲压缩技术是一种通过改变脉冲信号的频率来实现信号压缩的技术，其基本原理是通过发射一种特定频率范围内的线性调频脉冲信号，然后接收回波信号并进行相干处理，从而实现对目标的高分辨率探测。

与传统的脉冲雷达相比，线性调频脉冲压缩技术具有更高的分辨率和抗干扰能力，可以有效提高雷达系统的性能。

在现代雷达系统中，线性调频脉冲压缩技术被广泛应用于各种类型的雷达，包括陆基雷达、舰载雷达和空载雷达等。

通过结合其他先进的雷达技术，线性调频脉冲压缩技术可以进一步提高雷达系统的性能和功能，实现更加精确和可靠的目标探测和跟踪。

随着雷达技术的不断发展和完善，线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用前景将更加广阔。

1.3 意义线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用具有重要的意义。

这项技术能够在保持较低的硬件成本的情况下实现高分辨率的目标检测和辨识，极大地提高雷达系统的性能。

线性调频脉冲压缩技术能够有效地增强雷达系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性和稳定性。

这项技术还可以实现远距离目标的探测和跟踪，有助于提升雷达系统在远程监控和情报收集等方面的应用能力。

线性调频脉冲压缩技术的应用可以极大地提升雷达系统的性能表现，拓展其在军事、民用、科研等领域的广泛应用前景。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析线性调频脉冲压缩技术（Linear Frequency Modulated Continuous Waveform Compression，简称LFMCW）是一种常用于雷达系统中的信号处理技术。

LFMCW技术通过在发送端连续变化载频频率，然后在接收端进行脉冲压缩处理，达到提高雷达系统性能的目的。

LFMCW技术在雷达系统中有以下几个应用：1. 目标测距：LFMCW雷达通过连续变化载频频率，在接收端可以通过测量脉冲压缩后的信号到达时间来计算目标距离。

由于脉冲压缩技术可以实现较高的距离分辨率，因此LFMCW雷达对目标的准确测距非常有效。

2. 目标速度测量：利用LFMCW雷达在发送过程中持续改变载频频率，接收到的回波信号会受到多普勒频移的影响。

通过测量回波信号的频率差异，可以计算出目标的径向速度。

这种技术可以应用在雷达测速、交通流量检测等领域。

3. 目标角度测量：LFMCW雷达可以通过改变载频频率的方式，通过测量回波信号的相位差异来计算目标的角度信息。

这是因为目标的位置不同会导致回波信号的相位差异。

LFMCW雷达可以实现对目标的方位角和俯仰角的测量。

4. 多目标分辨：LFMCW雷达通过改变载频频率的方式，在接收端可以对回波信号进行不同的频率切片，从而实现对多个目标的同时探测和跟踪。

利用多目标跟踪算法，LFMCW雷达可以将不同目标的回波信号分离，实现对多个目标的高精度测量和跟踪。

5. 抗多径干扰能力：LFMCW雷达的脉冲压缩技术可以有效地抑制多径干扰。

当雷达信号在发射和接收过程中受到多个路径的反射时，回波信号会叠加形成干扰。

通过脉冲压缩技术，可以有效地将干扰信号分离出来，提高雷达系统的抗多径干扰能力。

LFMCW技术在雷达系统中可以实现目标测距、速度测量、角度测量、多目标分辨和抗多径干扰等功能。

这种技术不仅提高了雷达系统的性能和测量精度，还具有较低的成本和较小的体积。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用分析
线性调频脉冲压缩（Linear Frequency Modulated Pulse Compression，LFMC）技术
是一种常用于雷达系统中的信号处理技术。

它通过将短脉冲信号调频，然后在接收端进行
解调和压缩，从而实现对目标回波信号的高分辨率测量和目标检测。

1. 高分辨率测量：线性调频脉冲压缩技术可以通过压缩脉冲信号的时间宽度，提高
雷达系统对目标距离分辨率。

通过调整脉冲信号的调频斜率和脉冲宽度，可以实现对不同
距离目标的分辨能力。

2. 目标检测：线性调频脉冲压缩技术可以通过对接收到的回波信号进行解调和压缩，从而增强目标回波的信噪比，提高目标检测能力。

通过调整压缩滤波器的参数，可以选择
性地压制背景噪声，进一步提高目标检测的可靠性。

3. 抗干扰能力：线性调频脉冲压缩技术具有良好的抗多径干扰的能力。

由于调频信
号具有较大的带宽，相对于信号传播路径中的多径传播，调频信号的时间展宽更大，使得
不同路径上的回波信号能够分离开来，减小了多径干扰对目标测量的影响。

4. 多普勒频移估计：线性调频脉冲压缩技术可以通过对接收回波信号的频谱分析，
提取出目标相对于雷达系统的多普勒频移信息。

这对于目标的运动状态估计和目标分类具
有重要的意义。

线性调频脉冲压缩技术在雷达系统中的应用十分广泛，可以实现高分辨率测量、目标
检测、抗干扰能力、多普勒频移估计和同时任务处理等功能。

它在军事、民用以及科研领
域都有着重要的地位和价值。

---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 数字脉冲压缩技术研究+文献综述摘要：数字脉冲压缩技术是现代雷达系统中的一项十分重要技术，其原因就在于它能够有效的解决雷达的距离分辨率同探测距离间的矛盾。

本设计在首先总结了脉冲压缩技术的发展和应用，并列举了几种常见的脉冲压缩技术，并对其优劣进行了分析，最后就应用最为广泛的线性调频脉冲压缩进行了分析和仿真，验证脉冲压缩的效用并对结果进行分析，提出并验证了，增大采样频率改善低信噪比压缩结果的优化方法。

关键词：数字脉冲压缩；距离分辨率；线性调频10316Technology of Digital Pulse CompressionAbstract:Digital pulse compression technology is a modern radar system a very important technology, the reason is that it can effectively solve the contradiction of radar range resolution with the distance between the probe. The design of the first summarize the development and1 / 9application of pulse compression technology, and lists several common pulse compression technology, and its advantages and disadvantages are analyzed, and finally the most widely used chirp compression analyzes and simulations, verify the effectiveness of pulse compression and the results were analyzed, and verified, the sampling frequency is increased to improve the low SNR compression optimization results.Key Words: Pulse compression; range resolution; linear frequency modulation目录摘要1引言11.数字脉冲压缩技术的应用与发展21.1 线性调频脉冲压缩雷达2---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 1.2 非线性调频脉冲压缩雷达31.3 相位编码脉冲压缩雷达32.数字脉冲压缩技术简介32.1 数字脉冲压缩技术发展前提32.2 脉冲压缩原理43.脉冲压缩信号种类51.1 线性调频脉冲压缩雷达线性调频脉冲压缩雷达的特点是发射信号频率在脉冲内随时间线性变化，频带宽度为B，脉冲宽度为T[1]。

第三章线性调频信号的脉冲压缩的理论研究与仿真分析线性调频信号，最大的优点就是波形的产生比较容易，此外该信号对多普勒频移不敏感，也就是说当存在多普勒频率偏移的时候，线性调频信号仍然能够应用。

但LFM信号主要缺点是信号在匹配滤波后输出信号的旁瓣较高，第一旁瓣相对于主瓣为-13.2dB，无法满足实际的需要。

从而发展出了加权网络技术，即在匹配滤波之后将信号通过一个加权网络来抑制旁瓣的影响。

本章将重点介绍线性调频信号的脉冲压缩，并对其多普勒频率偏移的敏感性与旁瓣加权抑制技术进行研究，并通过MATLAB进行仿真分析。

3.1 线性调频信号的脉冲压缩基本理论介绍在研究线性调频信号的脉冲压缩理论之前，我们首先通过原理图来说明线性调频脉冲压缩的基本原理。

图3.1a 输入信号的高频脉冲包络图3.1b 线性调频过程中载频的调频特性图3.1c 压缩网络的频率延迟特性图3.1d 压缩网络的输出脉冲包络图3.1 线性调频信号的频谱变化图通过以上变化，线性调频信号的不同频率分量，压缩成单一载频的窄脉冲τ。

，通常情况下脉冲压缩宽度由下式给出：1Bτ= （3.1） 其中，B 为发射信号带宽，τ为输出脉冲的主瓣宽度。

因此，脉冲压缩比由下式给： T CR TB τ== （3.2） 其中T 为发射信号时宽。

因为B 为雷达发射信号带宽，所以TB 被定义为系统的时间一带宽乘积。

TB 指标在研究线性调频过程中具有十分重要的意义。

由此，可以得到雷达的距离分辨力表达式为：122r c c B δτ== （3.3） 令载波信号频率0f 在脉冲宽度内按以下方式被线性调频：0(),||2T f t f t t μ=+≤ （3.4） 式3.4中角频率由下式给出：B Tμ= （3.5） 那么，一个复的线性调频信号可以表示为：20()()exp[2()]2t t s t Arect j f t T μπ=+ （3.6） 其频谱为：2002/()/],||()420B A j f f f f S f ππμπμ⎧--+-≤⎪=⎨⎪⎩ （3.7）LFM 信号的脉压主要是通过匹配滤波器实现的，匹配滤波器的频率特性表达式为：*0()()exp(2)H f KS f j ft π=- （3.8） K 为比例因子，t0为与滤波器实现有关的一个时延。

直接数字频率合成器的优化技术研究郑利文【摘要】详细阐述了利用QuartusⅡ实现直接数字频率合成器(DDS)的方法和步骤.分析了DDS的设计原理,采用多级流水线控制技术对DDS相位累加器进行了优化,利用存储对称波形方法对波形存储表进行了优化,并在开发环境下进行了功能仿真,选用现场可编程器件FPGA作为目标器件,得到了可以重构的IP核,实现了复杂的调频功能.利用该方法实现的DDS模块具有更广泛的实际意义和更良好的实用性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2010(033)018【总页数】3页(P143-144,159)【关键词】DDS;相位累加器;波形存储表;Quartus Ⅱ【作者】郑利文【作者单位】中国中铁一局有限责任公司,陕西,西安,710054【正文语种】中文【中图分类】TN74-34直接数字频率合成技术(direct digital frequency synthesize，DDS或DDFS)是第三代频率合成技术。

它采用全数字技术，并从相位角度进行频率合成。

DDS具有相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续，可产生宽带正交信号以及其他多种调制信号，控制灵活方便，性价比高等特点[1]。

本文采用多级流水线控制技术对DDS相位累加器进行了优化，利用存储对称波形方法对波形存储表进行了优化，并在开发环境下对其进行了功能仿真，选用现场可编程器件FPGA作为目标器件，得到可以重构的IP核，实现了复杂的调频功能。

1 DDS基本原理目前，常用的直接数字频率合成器是波形存储DDS [2-10]。

它不同于以前的频率合成概念，即不是从对频率进行加、减、乘、除运算的角度进行频率合成的，而是从相位的概念根据式(1)进行频率合成的。

(1)式(1)中将2π的相位均匀量化M份，实际中，M=2N；fc为采样频率；K为常量，满足K/M，M<1/2。

2 相位累加器的优化设计相位累加器用来实现线性数字信号的逐级累加，信号范围从0加到累加器的满偏值。

线性调频超声信号脉冲压缩的实时实现曹玉龙;郑政【摘要】编码脉冲在不增大发射峰值功率的前提下,通过增大时宽-带宽积显著提高超声平均发射功率,然后在接收端通过脉冲压缩恢复应有的纵向分辨力,并显著增强信噪比.利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)设计了一个中心频率为10 MHz的线性调频脉冲(chirp)发射和实时脉冲压缩系统,由FPGA 控制DDS(direct digital synthesizer)产生chirp信号,送入模拟乘法器与窗函数相乘,经功率放大后作为发射脉冲,回波信号送回FPGA进行脉冲压缩处理,82μs的回波数据可以在230 μs的时间里处理完毕.实验使用了中心频率10 MHZ、带宽7 MHZ、时长5μs的chirp信号.和单脉冲系统相比,在纵向分辨力没有明显损失的情况下,脉冲压缩方法使信噪比增强了12.8 dB,旁瓣抑制可以达到30.6 dB.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2015(037)003【总页数】6页(P295-300)【关键词】编码激励;解码压缩;线性调频脉冲;现场可编程门阵列【作者】曹玉龙;郑政【作者单位】上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093;上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】R318.04超声成像的分辨能力与超声频率成正比,但衰减也随频率的升高而增加.由于超声的发射峰值功率受到安全性的限制,因此分辨力和探测深度是一对矛盾.编码脉冲在不增大发射峰值功率的前提下,通过增大时宽-带宽积(TBP)提高平均发射功率,然后在接收端通过脉冲压缩恢复应有的纵向分辨力,这是解决上述矛盾的一个有效方法[1-8].用于脉冲压缩的编码方式有很多种,在超声成像系统中,由于存在衰减所引起的频率偏移,所以具有脊形模糊函数的线性调频脉冲(chirp)是一种理想的方式[4].本文利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)实现了一种中心频率为10 MHz的实时线性调频编码脉冲压缩系统.该系统的纵向分辨力和10 MHz单脉冲系统相当,但是与后者相比信噪比增加了12.8 dB,同时,旁瓣抑制可以达到30.6 dB.该系统每次发射后以50 MHz的采样率采集82μm的回波射频信号,脉冲压缩算法在230μs内完成.该系统可以满足帧频20帧/s、每帧图像200线的浅表器官B型超声波扇形扫描仪的实时性要求.传统的单脉冲激励方式中,由于超声波最大发射功率的限定,因而无法通过增加其幅值的方法度来增强激励的能量.如果发射一个编码宽脉冲,则总能量可以显著增加,同时在接收端用匹配滤波器对回波信号进行滤波,就能压缩输出一个单峰信号,如图1所示.1.1 发射脉冲线性调频脉冲信号ψ(t)表示为式中,t表示时间;j表示虚数单位;fl表示信号的起始频率;T表示脉冲宽度;B表示频带宽度.瞬时频率fi(t)是相位函数的微分,表示为很明显,在脉宽T内fi(t)线性地扫过了整个带宽B.复信号ψ(t)的实部作为激励信号η(t)加载到换能器上,则本文采用的换能器中心频率为9.76 MHz, -6 dB带宽为6.29 MHz,故线性调频激励的中心频率设置为10 MHz,带宽为7 MHz.由于本系统应用于浅表器官,为了不使探测盲区过大,脉宽T设计为5μs.1.2 压缩滤波器脉冲压缩滤波器(pulse compression filter, PCF)是一个匹配滤波器,表示为式中,h(t)是脉冲压缩滤波器的冲激响应,是激励信号的共轭、翻转并时移.脉冲压缩滤波器的输出γ(t)为式中,τ表示积分运算中代表时间的中间变量.将式(1)代入式(5),得当滤波器的输入是实际回波信号时,其数据长度远大于压缩滤波器的长度,可以利用卷积的重叠相加法来实现[9].根据卷积定理,式(5)可以变换为式中,FFT表示快速傅里叶变换;IFFT表示快速傅里叶逆变换;f表示频率.利用FFT和IFFT可以大大减小运算量,提高处理速度.由于匹配滤波器的输出在频谱上近似一个矩形,所以输出波形时域上存在较大的旁瓣,这会严重影响成像效果.为匹配滤波器加上适当的窗函数可以减小旁瓣,本文采用了切比雪夫窗(Chebyshev)[5].1.3 菲涅尔纹波及其改善矩形包络的线性调频信号在时域上两端的突变性导致其频谱上产生菲涅尔波纹,该波纹会导致远端旁瓣的产生.为此,对发射信号在时域上加窗使信号两端渐变(tapering)以削弱菲涅尔波纹,进而削弱远端旁瓣.本文采用的是占时比为0.2的图基窗(turkey)[5],波形如图2所示,纵坐标A表示电压幅度.2.1 整体构成线性调频脉冲压缩系统如图3所示.脉冲发射和压缩电路由同一个同步脉冲控制.DDS(direct digital synthesizer)在这个同步脉冲的控制下产生chirp信号,同时幅度控制电路将事先存储在ROM中的窗函数数据读出,通过DAC(数模转换器)转换为模拟信号.两路信号经过模拟乘法器相乘后得到窗函数加权的chirp信号,该信号经功放后激励超声换能器.回波信号经过BPF(带通滤波器)并经ADC(模数转换器)采样进入FPGA中.本系统采样率为50 MHz,在线性调频信号的低频端(6.5 MHz)每周期可以采集到约7.7个点,高频端(13.5 MHz)可以采集到约3.7个点.回波信号共采集4 096个点,时长82μs,对应探测深度63 mm.考虑到超声信号的动态范围,本系统采用了12 bit的ADC.2.2 脉冲压缩电路脉冲压缩电路如图4所示.图4中,u(n)表示数字回波信号,n表示离散时间点.u(n)和互相正交的两个参考信号相乘,经过FIR低通滤波器(LPF)后得到复信号x(n)= xI(n)+j xQ(n),下标I表示实部,Q表示虚部.经过处理的信号频谱下移,所以可以采用隔二取一的方法进行降采样,采样率降低为25 MHz,回波信号的数据长度缩短为2 048点.将同相项和正交项分别存在两个双口RAM中,等待压缩处理.压缩滤波器的冲击响应是通过激励波形ψ(n)变换得到的,所以可以事先计算其参数供处理时使用.按照图4中虚框内的计算步骤,将与发射脉冲相同的信号在50 MHz 的频率下抽样,得到250个点,经过和上文相同的步骤获取复数信号并降采样,得到两个125点的相互正交的信号.将它们进行时移、反转、取共轭、加窗,并进行傅里叶变换,即获得压缩滤波器的频域响应函数H(k)=HI(k)+j HQ(k),k表示离散频率点. 将降频后的回波信号均匀分割为16段, x1(n),x2(n),…,x16(n),每段128点,与压缩滤波器h(n)长度接近,分别和滤波器系数作卷积运算,则yi(n)=h(n)xi(n),其长度为252点.其中,y1(n)的后124点和y2(n)的前124点、y2(n)的后124点和y3(n)的前124点……对应相加才是该部分卷积的正确值,与其它值组合,一起构成最终的卷积结果,如图5所示.利用卷积定理将上述分段信号的卷积yi(n)= h(n)xi(n)转换到频域进行运算.先对h(n)及xi(n)补零到N点,N大于等于252,一般选取N= 2D(D为整数),故N取256.如上文所述,回波信号经过正交解调后同相项和正交项分别存在两个双口RAM中,按照每次128点的方式将两路信号读出并送入复数FFT IP核的两个输入端,经转换后获得回波信号的傅氏变换X(k)=XI(k)+j XQ(k).本系统所使用的Altera公司的FFT IP核支持4种I/O数据流结构,在速度满足的前提下,使用占用资源最少的突发类数据流结构,每次运算约8.2μs.将FFT后的结果与预先存在ROM中的压缩滤波器系数频域响应函数H(k)相乘.由于该乘法是复数乘法,故使用了4个乘法器,分别计算XI×HI,XI× HQ,XQ×HI和XQ×HQ,然后用XI×HI减去XQ× HQ,得到同相分量YI,用XI×HQ加上XQ×HI,得到正交分量YQ.上述结果进行快速傅氏反变换IFFT,得到每段的卷积结果yi(n).将分段运算的结果按上文所述的方法重组,即得到整个回波的压缩滤波结果.回波信号经过压缩滤波器之后得到的是一个复信号,包括同向分量I和正交分量Q.将I分量和Q分量分别平方,然后相加取二次方根就得到了包络信号.本设计采用流水线型的非冗余开方算法[10],其占用逻辑单元少,计算时间短,且不需要调用乘法器.3.1 实验设计本系统作为B型扫描仪的一部分,其输出是数字形式的包络信号,为便于实验,专门增加了一个数模转换器DAC,将此数字信号转换成模拟量,以便利用示波器实时观察.经模拟放大的回波信号送到示波器的另外一个通道,和处理结果同时观察.另外,还利用FPGA设计工具QUARTUS II中的SignalTap软件[11-13]抓取数据并进行离线分析.实验1以一根直径为0.08 mm金属细丝为靶目标,将换能器探头在水介质中对准靶目标,利用示波器同时观察回波及处理结果.实验2以一个有机玻璃方盒作为靶目标,将换能器垂直对准方盒的上盒壁,如图6所示,重复上述步骤.该方盒的盒壁厚度L为2.6 mm,盒壁间距为10.2 mm.3.2 结果与分析实验1的靶线回波和压缩处理结果如图7(a)和图7(b)所示.靶线回波幅度呈现明显的梭形,这是发射脉冲加权函数和超声换能器频率特性共同作用的结果.回波信号持续了5μs,和发射信号宽度相符,经过滤波后信号宽度压缩为350 ns(-6 dB),相当于10 MHz超声系统的3.5个射频周期.通过对SingnalTap获取的压缩结果进行离线分析可知,主旁瓣信噪比(signal to sidelobe noise ratio,SSNR)为30.6 dB,如图8所示.由于压缩滤波结果通过运算得到,而且DAC的输出幅度还和参考电压有关,所以在示波器上比较其与回波信号的幅度没有实际意义.为了评估压缩前后信噪比的变化,移去靶目标,在靶线回波出现的位置获取背景噪声,如图7(c)和图7(d)所示,根据式(9)计算信噪比(SNR)[14],即式中,s(t)为信号幅值;pN为噪声平均功率.压缩滤波前,信噪比为43.3 dB,压缩后变为56.1 dB,提升了12.8 dB.实验2的回波信号及压缩波形如图9所示.可以看见,在回波信号中,有机玻璃方盒盒壁的两个界面的回波是交叠在一起的,而经过脉冲压缩之后,重叠的回波被区分开来.根据超声在有机玻璃和水中的声速[15]计算得到盒壁厚度为2.9 mm,盒壁间距为10.3 mm,和实际值的误差分别为10.3%和1.0%.实验1中得到的SSNR值为30.6 dB,但是利用实验参数在Matlab中进行仿真,得到的SSNR值却为34.6 dB,比实验结果高4 dB.观察发射脉冲(图7 (a)),可以看到有明显的波形失真,而仿真是基于理想波形的,所以差距可能来自发射脉冲的不理想.实验2中盒壁厚度和盒壁间距都是依据参考资料中给出的材料声速估算出来的,和实际尺寸的误差分别为10.3%和1.0%.由于盒壁的材料是有机玻璃,而盒壁之间是水,通常不同的实验中水的成分不会有太大的差别,而有机玻璃的成分差别较大,所以盒壁厚度的误差可能是由于不同研究所采用的材料差别引起的.本文实现了基于FPGA的线性调频脉冲发射和压缩系统的设计,满足浅表器官B型超声波扇形扫描仪的实时性需求,系统结构简单,修改方便,便于参数调整.当使用更高带宽的换能器,以及追求深层信号而忽略探测盲区的时候,可以通过增大信号的时宽和带宽的方式,进一步提高信噪比[16]以及增强旁瓣的抑制[5].【相关文献】[1] Takeuchi Y.An investigation of a spread energy method for medical ultrasound systems.Part one: theory and 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