基于中频数字化平台的脉冲波形参数测量研究

邓 波，王厚军，王志刚

（电子科技大学，四川 成都 610054）

1 引 言

现代电磁环境具有复杂多变的特征，而在军事领域中，由于各类电子设备如雷达及导弹武器等的大量使用，形成了复杂、多变且具有严重威胁的电子对抗环境。为了能够在这样复杂的电磁环境中实现对目标雷达进行准确识别和定位，就需要能实时分离出目标雷达的脉冲包络并测量其相关时域参数，如幅度（PA）、脉冲到达时间（TOA）、上升/下降时间（TR/TF）和脉冲宽度（PW）等。能否实时准确测得脉冲包络的时域参数直接影响侦查设备的性能的好坏[1]。设计研究并提出了基于中频数字化平台对准确实时检测出的目标信号的包络波形相关时域参数进行测量的方法，并最终在现场可编程门阵列（FPGA）中进行实现，具有实时性好、精度较高等特性，可以用于实现对目标雷达的识别和定位。

2 脉冲参数定义

现代通信中，为了实现传输信号在天线端的发送或实现不同信号源、不同系统的频分复用，提高信道利用率、发射效率以及改善通信质量，都在发送方进行调制，即在发射端将信号从低频段变换到高频段，而在接收端再将其解调出来[2]。解调是在接收端将接收到的调制信号从高频段变换到低频段，恢复为发送方的原信号。包络检波的原理就是利用普通调幅信号的包络反映调制信号波形变化的特点，提取该调制信号的包络即为原信号。设计中对脉冲包络参数进行测量的输入波形是敌方雷达输入信号经绝对值法检波及CIC滤波后的包络信号输入。

设计中的参数测量是要对经绝对值法检波及CIC滤波后的雷达脉冲包络输入信号的幅值（PA）、脉冲到达时间（TOA）、脉冲宽度（PW）、脉冲上升时间（TR）及下降时间（TF）进行测量[3]，各参数定义为[4]：

幅值（PA）：脉冲顶值与底值之差，当输入脉冲有高频干扰信号时，顶值与底值即为比较稳定的顶值区与底值区内的平均值。

脉冲到达时间（TOA）：脉冲到达时间分为脉冲前沿到达时间和脉冲后沿到达时间，其定义为脉冲上升和下降到幅值的一半的时间点，脉冲到达时间又可以分为脉冲后沿到达时间和脉冲前沿到达时间，分别记为TOA+和TOA-。

脉冲宽度（PW）：脉冲幅值50%的两点之间的时间间隔，可以表示为TOA+和TOA-之间的时间宽度。

脉冲上升时间（TR）：脉冲幅度由幅值的10%上升到90%的时间。

脉冲下降时间（TF）：脉冲幅度由幅值的90%下降到10%的时间。

3 脉冲参数测量设计

脉冲波形参数实时准确的测量是实时地识别、告警、正确引导干扰系统对目标雷达进行干扰的前提。参数测量模块主要是完成前级检波结果的输入脉冲波形的上升时间、下降时间、脉冲宽度、到达时间及幅值等时域参数的测量[4-6]。

3.1 脉冲幅值（PA）测量

幅值测量是求幅值区各采样点的幅值之和的平均值所得，即：

式中：M——幅值区的采样点数；

SPK——各采样点的幅值。

幅值区的求取是通过对输入信号求导数获得，由于在幅值区内，信号的导数基本为零，而在上升沿和下降沿的开始和结束部分其导数都有较大的跳变，由此可以确定幅值区的开始和结束位置，从而求平均值得到脉冲信号的幅度值。

3.2 脉冲到达时间（TOA）测量

脉冲到达时间分为脉冲前沿到达时间和脉冲后沿到达时间，根据计算出的脉冲幅值PA，找出-6 dB门限附近的两点A和B，以它们的连线与-6 dB门限的交点确定TOA，交点与A点的时间偏移量，再加上A点的时间TA，即为TOA。该设计中只给出脉冲前沿到达时间计算方法，后沿到达时间与前沿到达时间计算方法相似[7]：

3.3 脉冲宽度（PW）测量

脉冲宽度测量相对简单，根据计算出的脉冲前沿到达时间和脉冲后沿到达时间即可求得：

3.4 脉冲上升时间（TR）和下降时间（TF）测量

上升时间即为信号从其幅值的10%到90%所用的时间，根据以上计算出的幅值，可算得上升时间和下降时间的起始点和终点，分别设为TR-、TR+、TF-和TF+，则上升时间和下降时间分别为TR+-TR-和TF+-TF-。

根据以上参数测量原理，设计脉冲参数测量总体框图如图1所示。

由此原理设计FPGA程序框图如图2所示。其中False_Alarm模块是根据预设的脉冲上升时间TR_Preset信号判断干扰信号，当输入的脉冲信号上升时间小于预设的脉冲上升时间的50%时，视为干扰信号，置输出Real_Pulse无效，后级参数测量模块不予处理，从而达到去除干扰的目的。

图1 参数测量总体框图

模块Parameter_Measure是参数测量模块，该模块同时输出脉冲包络的各参数值。由于不同雷达信号的频率范围较宽，脉内跳频较大，但其上升时间和下降时间基本固定[7-8]，变化不大。由此特性，逻辑设计中将输入脉冲包络缓存预估脉冲上升时间TR_cal的两倍时间，从而可以完全包含幅值区的开始时间点，由此即可测出幅值。由于雷达信号脉内跳频相对较大，即脉冲幅值区的宽度相差较大，设计中幅值区内的采样点数固定为上升时间点的个数。当幅值区较宽时，幅值区采样点数达到上升时间的采样点数后，若幅值区还在持续，则以后每次幅值区内新的采样值替换前一个值保存，即将当前采样点的值作为新的幅值，从而达到节约逻辑资源并自适应脉内跳频的效果，最终输出的幅值是将幅值区内上升时间点个数的幅度值采样点求平均值即可；若幅值区较窄，区内采样点数小于上升时间点数，则对幅值区内的采样值求平均值即可。根据实时计算出的脉冲幅值可以计算出各参数前后采样点的值，从而可以得到各参数的开始和结束点，计算始点和终点之间的采样点数，用点数值乘以采样时钟周期即为测得的各参数值，并在脉冲结束时同时输出测得的各脉冲参数。

图2 参数测量逻辑设计

4 仿真结果

在仿真阶段，设计中的输入波形用Matlab产生.mif文件模拟，其波形如图3中Data_Detected所示。该信号是经过绝对值检波器、CIC滤波器之后的雷达脉冲包络信号，该脉冲包络信号经参数测量模块后所得的仿真结果如图3所示，实际输入脉冲包络信号的各参数值分别为：PA=145、PW=485、TOA=120、TR=240、TF=140。

图3 仿真参数测量输出

由此可知，经绝对值检波、CIC滤波后输入的脉冲包络波形的参数测量仿真结果跟实际波形参数基本一致，仿真所得波形参数与实际波形参数相差最大的是下降时间TF，误差为真实时间的5%。所以设计参数测量结果精度较高，可以用于对目标雷达系统的识别和定位，且设计都是在FPGA中进行，没有用到乘法器等资源占用量大的模块，节省资源的同时也提高了运行速率，可以达到波形时域参数实时测量的目的[9]。

5 实验结果

设计中选用德州仪器的TMS320VC5416这款DSP芯片进行系统功能的在线测试，输入波形为仿真时输入的脉冲包络，经DSP仿真器输出数据如图4所示。

脉冲包络信号连续输入，参数测量模块对输入的每一个脉冲包络的时域参数进行测量，并依次存储到从0x4 000开始的空间中，输出顺序依次为幅值PA、脉冲宽度PW、下降时间TF、到达时间TOA和上升时间TR所持续的采样点数，实验中的采样频率为66MHz，各参数所持续采样点数乘以采样周期1/66μs即为所得的各参数值。

5.1 精度分析

由实验结果可知，测得的值与实际值相差很小，误差最大的参数是下降时间TF，误差为4.3%，时间误差为（1/66）×0.043=0.65 ns，误差根据实际采样率的不同而不同，降低采样率会导致精度的降低，但由于采样点数的减少，可以提高信号处理速度。如用20 MHz的采样率时，最大时间误差即为0.043×（1/20）=2.15 ns，测量精度较高，可以满足精度要求。

5.2 实时性分析

由设计可知，脉冲包络的采样值是在采样点顺序输入FPGA的同时进行的，当脉冲信号结束后，输出各参数的时间延迟分别为：PAdelay=2Ts、TOA-delay=TOA+delay=4Ts、TRdelay=2Ts、PWdelay=2Ts、TFdelay=2Ts，由此可知输出脉冲参数时间延迟为：

所以，脉冲包络后沿结束242.2 ns后即可完成测量并输出，完全可以满足实时性测量的要求。

图4 DSP实验结果

6 结束语

设计利用现场可编程门阵列实现雷达信号脉冲包络参数的实时测量，具有良好的实时性和较高的测量精度，可以用于后续DSP算法中实现对目标雷达的定位和识别。设计没有用到乘法器等资源占用量很大的模块，节约硬件资源的同时也缩短了运行时间，从而达到了较好的实时性目的，最终获得了较为准确的脉冲信号时域参数，在雷达识别和定位领域中具有良好的应用前景。

[1] 宋李彬.雷达脉冲参数的测量与分选[J].电子工程师，2006，32（10）：1-4.

[2] 陈保辉.雷达目标反射特性[M].北京：国防工业出版社，1993.

[3] DON J，Torrieri.Arrival time estimation by adaptive thresholding[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1974（3）：178-184.

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