基于自適應門限的脈沖寬度鑒別器的設計與實現

蔡 瀟，李大超

（海軍駐上海地區電子設備軍事代表室，上海200233）

0 引 言

近年來，隨著科學技術的快速發展、電子技術的飛速進步，雷達的各種應用日趨廣泛，對雷達作用距離、分辨率、抗干擾能力等性能指標也提出了更高要求。脈沖寬度鑒別作為一種技術手段，可完成對所接收雷達回波信號脈沖寬度的鑒別，從而增強雷達系統抗電子信號干擾的能力，被廣泛應用于雷達工程領域［1］。

傳統的脈沖寬度鑒別電路基于全模擬電路設計，采用單一電壓值作為脈沖寬度鑒別的比較門限，脈沖寬度鑒別能力低，受接收信號功率影響大，自適應能力差。本文提出了一種可以根據接收雷達信號功率大小自動調節脈寬比較門限的脈寬鑒別器設計方法。通過高速模／數轉換器 （ADC）對輸入的模擬信號進行連續采樣，通過獲取單次脈沖的最大采樣幅值來確定本次采樣脈沖的脈寬比較門限——最大采樣值的一半，同時存儲采樣得到的所有數據。當本次信號采樣結束后，將采樣得到的所有數據與本次獲取的脈寬比較門限比較，通過獲取大于比較門限的連續采樣點數確定本次脈沖的寬度。

1 設計原理

假設ADC采樣速率為mMsps。

雷達發出的詢問信號的脈寬寬度τ：T1≤τ，其中T1為詢問信號的最小脈寬寬度。

待檢測信號 （包含詢問信號和干擾信號）如圖1所示。

圖1中連續出現的2次脈沖信號分別為S1，S2。假設信號S1的最大幅值為A1。N1、N2……Ni均為信號S1的采樣點數據。

圖1 待檢測信號波形圖

通過獲取最大采樣幅值可求得S1的脈寬比較門限值：

因ADC采樣速率為m，則采樣間隔時間：

假設大于脈寬比較門限的連續采樣點個數為n，則可求出S1的脈寬寬度：

將τ1代入Τ1≤τ1，可得Τ1m≤n。因此當大于脈寬比較門限的連續采樣點數n≥T1m時，待檢測信號為雷達發出的詢問信號；否則為干擾信號。

信號S2分析同上。

2 硬件結構

為了提高對采樣數據的處理能力，自適應脈寬鑒別器采用了高性能的現場可編程門陣列 （FPGA）作為核心處理器件，其硬件結構主要分為3個部分：信號調理電路、AD采樣模塊、FPGA數據處理模塊［2］。圖2為系統的原理框圖。

系統上電后，信號調理電路將輸入的模擬信號調理到AD模塊的采樣范圍，供其進行連續的AD采樣并將采樣得到的數字信號發送給FPGA進行數據處理。FPGA將接收到的采樣數據存入內部自建先進先出 （FIFO）并通過獲取最大采樣值確定本次脈沖的脈寬比較門限，當本次采樣結束后再從FIFO中讀出數據與脈寬比較門限比較，確定采樣脈沖的脈寬寬度，當與雷達詢問信號脈寬寬度相符時，輸出觸發脈沖。

圖2 系統原理框圖

3 軟件設計

系統軟件設計作為自適應脈寬鑒別器的關鍵部分，主要擔負著對采樣點數據的判別處理，其設計的優劣將直接影響脈寬鑒別器的鑒別性能。具體信號流程如圖3所示。

圖中系統軟件主要包含3個模塊：濾波模塊、數據處理模塊、觸發脈沖輸出模塊。

（1）濾波模塊

利用平滑算法對接收到的采樣點數據進行平滑濾波，剔除信號脈沖上疊加的毛刺及尖峰干擾。同時通過設置噪聲門限濾除低于該門限的干擾噪聲。

（2）數據處理模塊

為了保證數據不丟失，本模塊采用雙FIFO的乒乓操作方式對數據進行連續讀寫。內部自建FIFO大小與所鑒別的雷達詢問信號脈沖寬度以及AD采樣的速率有關。

數據處理模塊主要包括寫FIFO控制、門限獲取、讀FIFO控制3部分。

寫FIFO控制：FPGA將平滑后的數據與噪聲門限比較后，將大于噪聲門限的數據寫入FIFO且寫計數器 （Wrcnt）加1，當本次信號脈沖采樣完成后，判別寫計數器計數值并清零，當計數值大于雷達詢問信號脈沖寬度所對應的采樣次數 （N）時，置寫完成標志，更換FIFO，準備寫下一個信號脈沖數據。否則，清空當前FIFO，下一個信號脈沖數據到來時，繼續向當前FIFO寫數據。

門限獲取：在寫FIFO的同時，對寫入FIFO的數據進行不斷比較，找出本次連續采樣的最大值并通過該值確定當前脈沖的脈寬比較門限——最大采樣值的一半。

圖3 系統軟件流程圖

讀FIFO控制：當FPGA檢測到FIFO寫完成標志后，讀取該FIFO數據并與其所對應的脈寬門限進行比較。當讀取數據大于脈寬門限時讀計數器（Rdcnt）加1，否則判別讀計數器計數值并清零。

（3）觸發脈沖輸出模塊

根據讀計數器的計數值，確定信號的脈沖寬度，當與雷達詢問信號脈沖寬度相符時，輸出觸發脈沖信號。

4 實驗結果

通過軟件設置脈寬鑒別器ADC采樣速率為40Msps，假設雷達發射的詢問信號為大于等于1.3μs的脈沖信號。待測信號通過信號發生器產生，當檢測到符合詢問信號脈沖寬度時輸出觸發脈沖。驗證波形如圖4所示。

通過實驗發現，在ADC采樣速率為40Msps的情況下，自適應脈寬鑒別器能夠鑒別不同幅度的信號脈沖寬度。

由于受信號本身因素 （幅度、邊沿時間、毛刺）及輸入信號調理電路的影響，在輸入信號幅度為2.4V、邊沿時間為100ns的條件下，脈寬鑒別器的鑒別精度為0.04μs；在輸入信號幅度為0.5 V、邊沿時間為500ns的條件下，脈寬鑒別器的鑒別精度為0.1μs。對于與詢問信號脈沖寬度相差0.1μs以上的干擾信號，脈寬鑒別器能起到很好的抑制作用。因此提高AD采樣速度，采用較好的集成運放調理信號，能夠進一步提高自適應脈寬鑒別器的鑒別精度，更好地抑制有源干擾。

圖4 待測信號波形以及輸出觸發信號波形

5 結束語

本文設計并實現了基于自適應門限的脈沖寬度鑒別器。通過采用AD采樣獲取自適應脈寬比較門限的方式，有效地解決了接收信號因功率 （幅度）的不同而難于鑒別的問題。通過實驗表明，自適應脈寬鑒別器能夠有效地抑制不同功率的信號干擾，對脈沖信號寬度的鑒別起到了很大的改善作用，同時也間接地提高了雷達的抗干擾能力。

［1］王德志，單濤，魯溟峰.一種脈寬鑒別器算法在雷達中的應用 ［J］.火控雷達技術，2004，33 （3）：14－16.

［2］徐國平，連雁翔，張紅明.可編程器件實現的雷達數字脈沖寬度鑒別電路 ［J］.國外電子元器件，2002 （3）：26－27.