[发明专利]线性调频信号自相关运算的精确高效实现方法及装置

说明书

本发明公开了线性调频信号自相关运算的精确高效实现方法及装置，方法包括：量化步骤、缓存步骤、滤波步骤和输出步骤。线性调频信号自相关运算的精确高效实现装置的各个单元与方法对应。本发明提供了一种针对线性调频信号自相关运算的精确高效实现方法及装置，该方法最大的特点是利用FIR滤波器组实现线性调频信号的自相关运算，总体效果是通过FIR滤波器并行处理的架构，可以实现不同延时量自相关结果的同时输出。而FIR滤波器可以采用FFT算法实现，运算速度较快。该方法还具有处理信号为数字量，运算精度高且无漂移；适用于高速并行多通道数字信号处理；可以高效利用存储器，而且在某些应用场景下可以用ROM等存储器存储FIR滤波器组的系数，实现代价较小。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及线性调频信号自相关运算的精确高效实现方法，本发明还涉及线性调频信号自相关运算的精确高效实现装置。

背景技术

线性调频信号(LFM：linear frequency modulated signal)是通过非线性相位调制获得大时宽带宽积的典型信号，是现代高性能体制雷达经常采用的信号波形之一。在线性调频信号的检测中，可以采用匹配滤波的方法，能获得较高的处理增益。但是匹配滤波器的设计要求确知信号持续时间，在输入信噪比很低，波形严重失真时，这一点很难做到。由于自相关运算和匹配滤波在某种程度上是等效的，可以通过对信号进行自相关运算的方法实现近似的匹配滤波过程，获得接近匹配滤波的处理增益。相关增益提高了信噪比，使得淹没在噪声中的信号被突现出来，增加了检测概率。

目前自相关的实现方法主要分为两种类型：

(1)模拟自相关：通过一些非线性器件完成，更具体地，可以通过一种使两个信号相乘的平方率器件获得自相关。模拟自相关的实现方法中，每一个自相关结果必须由一个单独的相关器产生，具有不同延迟量的自相关结果是由具有不同延迟线的相关器获得的。采用模拟自相关器件产生具有不同延迟量的自相关结果的系统，其实现结构复杂，体积较大，硬件开销比较大，运算精度不高，且运算结果可能会随环境变化而发生漂移^[1]。

(2)数字自相关：利用FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)强大的并行运算能力和其内核中丰富的存储器资源，实现高速的并行乘积运算，向其内核中的存储器写入和读取数据等，从而可以实现数字自相关。其基本的算法思想是：首先将ADC(analog to digital converter，模数转换器)转换得到的数字信号通过“乒乓”RAM(Random-Access-Memory，随机存储器)进行缓冲，然后将数据送入乘法器中进行乘法运算，计算得到信号x(n)与其延时序列x(n-k)的乘积，将N次乘积送入累加器相加得到以后，乘以1/N或者除以N，即可得到输入信号在延时量为k时的自相关结果。该实现方法中，每一组RAM均含有两个完全相同的“乒乓”RAM(RAM 1和RAM 2)，存储相同的数据。在读取数据时RAM 1输入地址码从0开始依次读取数据形成x(n)，RAM 2在输入地址码加上k后读取数据形成序列x(n-k)，然后将两列数据送入乘法器中进行运算。“乒乓RAM”数据缓冲模式较之于单RAM分时读取数据的操作方式，减少了2个总线读取周期，提高了运算速率，但是牺牲了FPGA中的存储空间，RAM的利用效率不高。而且该算法存在另外一个问题：在RAM中存储的部分数据不能用于自相关运算，当RAM 2读取到倒数第N-1-k个数据时，RAM1中的数据已经全部读取完毕，再进行计算均为无效数据。在RAM中存储的N个数据中仅有N-1-k个数据进行了自相关运算，超出这个范围的数据视为无效数据被舍弃^[2]。

[1]詹姆斯·崔保延.数字式微波接收机—理论和概念[M].北京：电子工业出版社，1992：220-254.

[2]董亮，汪敏，陈建华，苗爱敏.基于FPGA嵌入式的多比特自相关器设计[J].现代电子技术，2009，305(18)：20-24.

发明内容