基于自适应门限的脉冲宽度鉴别器的设计与实现

蔡 潇，李大超

（海军驻上海地区电子设备军事代表室，上海200233）

0 引 言

近年来，随着科学技术的快速发展、电子技术的飞速进步，雷达的各种应用日趋广泛，对雷达作用距离、分辨率、抗干扰能力等性能指标也提出了更高要求。脉冲宽度鉴别作为一种技术手段，可完成对所接收雷达回波信号脉冲宽度的鉴别，从而增强雷达系统抗电子信号干扰的能力，被广泛应用于雷达工程领域［1］。

传统的脉冲宽度鉴别电路基于全模拟电路设计，采用单一电压值作为脉冲宽度鉴别的比较门限，脉冲宽度鉴别能力低，受接收信号功率影响大，自适应能力差。本文提出了一种可以根据接收雷达信号功率大小自动调节脉宽比较门限的脉宽鉴别器设计方法。通过高速模／数转换器 （ADC）对输入的模拟信号进行连续采样，通过获取单次脉冲的最大采样幅值来确定本次采样脉冲的脉宽比较门限——最大采样值的一半，同时存储采样得到的所有数据。当本次信号采样结束后，将采样得到的所有数据与本次获取的脉宽比较门限比较，通过获取大于比较门限的连续采样点数确定本次脉冲的宽度。

1 设计原理

假设ADC采样速率为mMsps。

雷达发出的询问信号的脉宽宽度τ：T1≤τ，其中T1为询问信号的最小脉宽宽度。

待检测信号 （包含询问信号和干扰信号）如图1所示。

图1中连续出现的2次脉冲信号分别为S1，S2。假设信号S1的最大幅值为A1。N1、N2……Ni均为信号S1的采样点数据。

图1 待检测信号波形图

通过获取最大采样幅值可求得S1的脉宽比较门限值：

因ADC采样速率为m，则采样间隔时间：

假设大于脉宽比较门限的连续采样点个数为n，则可求出S1的脉宽宽度：

将τ1代入Τ1≤τ1，可得Τ1m≤n。因此当大于脉宽比较门限的连续采样点数n≥T1m时，待检测信号为雷达发出的询问信号；否则为干扰信号。

信号S2分析同上。

2 硬件结构

为了提高对采样数据的处理能力，自适应脉宽鉴别器采用了高性能的现场可编程门阵列 （FPGA）作为核心处理器件，其硬件结构主要分为3个部分：信号调理电路、AD采样模块、FPGA数据处理模块［2］。图2为系统的原理框图。

系统上电后，信号调理电路将输入的模拟信号调理到AD模块的采样范围，供其进行连续的AD采样并将采样得到的数字信号发送给FPGA进行数据处理。FPGA将接收到的采样数据存入内部自建先进先出 （FIFO）并通过获取最大采样值确定本次脉冲的脉宽比较门限，当本次采样结束后再从FIFO中读出数据与脉宽比较门限比较，确定采样脉冲的脉宽宽度，当与雷达询问信号脉宽宽度相符时，输出触发脉冲。

图2 系统原理框图

3 软件设计

系统软件设计作为自适应脉宽鉴别器的关键部分，主要担负着对采样点数据的判别处理，其设计的优劣将直接影响脉宽鉴别器的鉴别性能。具体信号流程如图3所示。

图中系统软件主要包含3个模块：滤波模块、数据处理模块、触发脉冲输出模块。

（1）滤波模块

利用平滑算法对接收到的采样点数据进行平滑滤波，剔除信号脉冲上叠加的毛刺及尖峰干扰。同时通过设置噪声门限滤除低于该门限的干扰噪声。

（2）数据处理模块

为了保证数据不丢失，本模块采用双FIFO的乒乓操作方式对数据进行连续读写。内部自建FIFO大小与所鉴别的雷达询问信号脉冲宽度以及AD采样的速率有关。

数据处理模块主要包括写FIFO控制、门限获取、读FIFO控制3部分。

写FIFO控制：FPGA将平滑后的数据与噪声门限比较后，将大于噪声门限的数据写入FIFO且写计数器 （Wrcnt）加1，当本次信号脉冲采样完成后，判别写计数器计数值并清零，当计数值大于雷达询问信号脉冲宽度所对应的采样次数 （N）时，置写完成标志，更换FIFO，准备写下一个信号脉冲数据。否则，清空当前FIFO，下一个信号脉冲数据到来时，继续向当前FIFO写数据。

门限获取：在写FIFO的同时，对写入FIFO的数据进行不断比较，找出本次连续采样的最大值并通过该值确定当前脉冲的脉宽比较门限——最大采样值的一半。

图3 系统软件流程图

读FIFO控制：当FPGA检测到FIFO写完成标志后，读取该FIFO数据并与其所对应的脉宽门限进行比较。当读取数据大于脉宽门限时读计数器（Rdcnt）加1，否则判别读计数器计数值并清零。

（3）触发脉冲输出模块

根据读计数器的计数值，确定信号的脉冲宽度，当与雷达询问信号脉冲宽度相符时，输出触发脉冲信号。

4 实验结果

通过软件设置脉宽鉴别器ADC采样速率为40Msps，假设雷达发射的询问信号为大于等于1.3μs的脉冲信号。待测信号通过信号发生器产生，当检测到符合询问信号脉冲宽度时输出触发脉冲。验证波形如图4所示。

通过实验发现，在ADC采样速率为40Msps的情况下，自适应脉宽鉴别器能够鉴别不同幅度的信号脉冲宽度。

由于受信号本身因素 （幅度、边沿时间、毛刺）及输入信号调理电路的影响，在输入信号幅度为2.4V、边沿时间为100ns的条件下，脉宽鉴别器的鉴别精度为0.04μs；在输入信号幅度为0.5 V、边沿时间为500ns的条件下，脉宽鉴别器的鉴别精度为0.1μs。对于与询问信号脉冲宽度相差0.1μs以上的干扰信号，脉宽鉴别器能起到很好的抑制作用。因此提高AD采样速度，采用较好的集成运放调理信号，能够进一步提高自适应脉宽鉴别器的鉴别精度，更好地抑制有源干扰。

图4 待测信号波形以及输出触发信号波形

5 结束语

本文设计并实现了基于自适应门限的脉冲宽度鉴别器。通过采用AD采样获取自适应脉宽比较门限的方式，有效地解决了接收信号因功率 （幅度）的不同而难于鉴别的问题。通过实验表明，自适应脉宽鉴别器能够有效地抑制不同功率的信号干扰，对脉冲信号宽度的鉴别起到了很大的改善作用，同时也间接地提高了雷达的抗干扰能力。

［1］王德志，单涛，鲁溟峰.一种脉宽鉴别器算法在雷达中的应用 ［J］.火控雷达技术，2004，33 （3）：14－16.

［2］徐国平，连雁翔，张红明.可编程器件实现的雷达数字脉冲宽度鉴别电路 ［J］.国外电子元器件，2002 （3）：26－27.