DSP试验大作业(精)

DSP实验课程序设计报告学院：学号：姓名：指导教师：DSP实验课大作业设计一实验目的在DSP上实现线性调频信号的脉冲压缩、动目标显示（MTI）和动目标检测(MTD，并将结果与MATLAB上的结果进行误差仿真。二实验内容2.1MATLAB仿真设定带宽、脉宽、采样率、脉冲重复频率，用MATLAB产生16个脉冲的LFM，每个脉冲有4个目标（静止，低速，高速），依次做2.1.1脉压2.1.2相邻2脉冲做MTI，产生15个脉冲2.1.316个脉冲到齐后，做MTD，输出16个多普勒通道2.2DSP实现将MATLAB产生的信号，在visualdsp中做脉压，MTI、MTD，并将结果与MATLAB作比较。三实验原理3.1线性调频线性调频信号是指频率随时间而线性改变(增加或减少的信号。本实验中用的是线性调频矩形脉冲信号，其表达式可写为：其中信号的复包络为T为脉冲宽度，为调频斜率，B为调频带宽，也称频偏。3.2脉冲压缩原理脉冲压缩处理将发射的宽脉冲信号压缩成窄脉冲信号，它既可以发射宽脉冲以提高平均功率和雷达的检测能力，又能保持窄脉冲的距离分辨率。本实验中是对线性调频脉冲信号的压缩处理，是通过在发射的长脉冲上加上频率调制，并通过匹配滤波器接收机来压缩接受到的信号，其过程如下图所示：图1LFM脉冲压缩处理框图（频率域）3.3MTI（动目标显示）原理MTI是指利用用杂波抑制滤波器来抑制各种杂波，提高雷达信号的信杂比，以利于运动目标检测的技术。实验中使用的是单延迟对消器，其原理如下图所示：图2单延迟线对消3.4MTD（动目标检测）原理MTD是一种利用多普勒滤波器组来抑制各种杂波，以提高雷达在杂波背景下检测运动目标能力的技术。四实验步骤以下是该实验中设定的几个参数BandWidth=2.0e6------------------------------------------------------------------带宽TimeWidth=42.0e-6----------------------------------------------------------------脉宽Fs=2.0e6---------------------------------------------------------------------------采样率PRT=240e-6---------------------------------------------------------------脉冲重复周期TargetDistance=[30008025802512000]----------------------------------目标距离TargetVelocity=[500-120225]----------------------------------------------目标速度假设接收到的回波数是16个，噪声为高斯随机噪声。4.1在MATLAB中产生线性调频信号。4.2根据目标距离得出目标回波在时域的延迟量，根据目标速度得出多普勒相移，从而在MATLAB中产生4个目标的16个回波串（接收到的回波含噪声）。4.3由匹配滤波理论产生对应于目标回波的滤波系数（脉压系数），在时域中做线性卷积，实现匹配滤波（时域脉压）；在频域中做回波信号和脉压系数的FFT，点乘后作逆FFT，实现频域脉压。两者进行比较，讨论其差别。4.4对16个去暂态点后的脉冲串按接收顺序进行排列，用一次相消器（一种滤波方式）实现MTI。4.5做16通道的FFT，实现MTD。4.6在DSP中对MATLAB产生的回波数据和脉压系数进行处理，实现频域脉压。导入DSP的回波数据为时域数据，而脉压系数为频域数据。将导入DSP的时域回波数据进行一次FFT变换到频域，然后将其与频域脉压系数进行点积，得到频域脉压结果。对该结果再做一次IFFT，将频域转换成时域。在这一步中需要调用库函数fft_flp32.asm。该子程序可实现8192点复数的FFT功能。由于C语言中无法实现复数运算，因此，对8192个复数按照实部虚部交替的顺序进行重排列，用长度为16384的数组来存放时域回波数据。频域相乘后，做乘积结果的IFFT，得到脉压结果。做IFFT，仍需调用库函数fft_flp32.asm，此时要通过FFT子程序实现IFFT的功能，要对频域的数据进行处理，才能达到这一目的。4.7对脉压后的数据按照脉冲号重排，相邻序列的数据相减（滑动对消），实现MTI。4.8调用子程序fft_16.asm，做16通道FFT，实现MTD。入口参数为16通道的脉压数据。五实验结果及讨论5.1脉压、MTI、MTD结果分析:5.1.1脉压图2脉压结果如图所示（修改程序，使横轴表示目标距离，以便分析），试验初试是设置的目标距离参数为TargetDistance=[300080258025，12000]，现在图中只看到三个目标分别是（300，41.94）、（8025，122.7）、（12000，84.74），因为目标2和目标3的距离参数相同，即使距离参数不同，在小于雷达的距离分辨力的情况下依然不能分辨。对于幅度sqrt(SigPower(k=[1,1,0.5,1],目标1的回波由于雷达闭锁的影响，幅度较低；目标2和目标3的回波叠加在一起，且由于相位的影响，两个回波同相叠加而增强或者反相抵消而减弱，所以在16个回波中目标2和目标3的回波的和幅度有时增强，有时减弱；目标4回波的幅度是一般情况。5.1.2MTI050100150200250300350400450500051015020406080100120140160180X:108Y:1Z:71.2MTIresultX:161Y:9Z:163.4X:41Y:15Z:32.86图2(aMTI三维图图2(bMTI正面图在实验中做的是单延迟对消MTI，即相邻两个脉冲做差，最后只剩下15个脉冲，对于静止目标，两次回波相差不大，互相抵消，回波2此时只剩下目标3的回波；由于MTI滤波器幅频响应特点的影响，目标1和目标3的回波幅度减小大于目标4的回波幅度的减小，所以出现上图的幅度现象；另，由于随机噪声的影响，各次脉冲的幅度有一定的起伏。5.1.3MTD050100150200250300350400450500-8-6-4-2024680200400600800100012001400X:160Y:-7Z:1318MTDresultX:107Y:-5Z:632.6X:107Y:0Z:1330X:40Y:2Z:640.1图3(aMTD三维图图3(cMTDY-ZView对图3中的幅度分析，MTD中的目标的幅度是由不同脉冲相干积累得到，同时由于FFT存在频谱泄漏，主瓣展宽等，所以结果中目标的幅度近似为脉压的16倍。对图3进行多普勒和时延分析，可以看图目标1的距离和速度都已经测出，目标2和目标3由于速度不同，落在了不同的FFT通道，从而区分出来。在该实验参数的设置下目标4的速度-174.16m/s，这显然是和实际不符的，即速度出现了模糊，究其原因为在该实验参数下的测速范围是-199~199m/s，超出这个范围将会产生速度模糊（多普勒模糊）。本实验雷达的多普勒分辨率为对应的径向速度为：其中，N=TotalNumber=SampleNumber*PulseNumber=7680，在PulseNumber不变的情况下，更改PRT可以改变SampleNumber，进而改变雷达的测速范围，下面将更改PRT为150e-6，此时，，测速范围为-318~318m/s，可满足试验要求。结果如下图：050100150200250300-8-6-4-2024680200400600800100012001400X:107Y:-3Z:671.4MTDresultX:107Y:0Z:1351X:160Y:6Z:1072X:41Y:1Z:375X:40Y:1Z:573.8图4解多普勒模糊此时目标4的速度V=228.8，存在一定的误差，但较原参数已有很大的改善。以上方法在仿真实验中可以解决存在的问题，然而在实际中由于目标的速度是未知的，所以上述方法显然是不可行的。实际中为了解决多普勒模糊，采用两种脉冲重复频率，即和来解决多普勒模糊，且选择和，使得它们相互成质数，一种选择是使，在所希望的一个脉冲重复间隔（）周期内，两个脉冲重复频率和只在某一个位置上重合，此时：如果，则，如果，则，且真实多普勒为，最后，如果，则，此时，可能发生盲多普勒，可用第三种脉冲重复频率加以解决。5.2DSP结果与Matlab结果对比，误差分析。图5频域脉压的相对误差图6MTI数据的相对误差图7MTD数据的相对误差从上面的图中可以看出，MATLAB和DSP的相对误差均在10-4之内，误差在可以接受的范围内。这样的误差可能是由于算法和不同字长的舍入造成的误差。六实验思考题及心得6.1MTI结果中看不到静止目标答：MTI中利用相邻脉冲差值来检测目标，当目标静止时，两次回波的幅度和相位变化不大（杂波的影响），相差后几乎为零，所以MTI结果中看不到静止的目标。6.3MTD速度/多普勒通道的含义答：不同的多普勒通道对应着不同的速度，目标速度的不同，导致多普勒频移不同，落到不同的多普勒通道。6.2速度模糊如果目标的多普勒频移不超过单个滤波器带宽的一半，即，多普勒滤波组就可以分辨出目标的多普勒频移，否则就会产生多普勒模糊。也就是说，雷达发射脉冲的重复频率PRF不能低于目标最大多普勒频移的2倍，否则雷达无法分辨目标的多普勒信息练习五、编写C程序，建立磁盘文件，练习读写数据一实验目的在VisualDSP4.5中学习并掌握对磁盘文件的读写，并对数据进行简单的运算。二实验内容2.1编写C程序，产生1000个随机浮点数（随机类型和参数自行确定），建立一个磁盘文件，把所有随机数依序、按照相应格式写入文件。2.2关闭文件，再打开此文件，从文件中把数据读入，计算其均值、方差，并写入另一个文件中。三实验原理3.1随机数的产生利用rand(产生所需要的数据；3.2磁盘文件的读写运用格式化文件输入、输出函数：intfprintf(FILE*stream,constchar*format,/*args*/...;intfscanf(FILE*stream,constchar*format,/*args*/...;3.3均值、方差四实验步骤4.1熟悉实验原理4.2编写C程序4.3仿真、调试程序，直至程序满足实验要求五实验结果及讨论5.1产生的随机数据和从外部文件中调入所产生的数据图1数据对比5.2均值和方差图2均值和方差六实验思考题及心得6.1此练习中，计算机和DSP各自起什么作用？如果DSP脱离计算机，此程序还能运行吗？答：在此练习中，计算机提供文件存储的磁盘空间，DSP向计算机磁盘写入或读出数据，并进行运算；在此过程中DSP需要借助计算机的磁盘完成功能，因此，DSP脱离计算机后该程序将无法正常运行。练习六、调试器和EZ-KIT板的性能比较一实验目的对比程序在仿真环境下和EZKIT板上的执行性能，并分析原因。二实验内容2.1把练习二改为执行5次、10次，在软仿真环境下运行，并用记录执行的时间；2.2在EZKIT板上执行此程序，记录执行时间。三实验原理运用VisualDSP中的linearprofiling窗口观察并记录程序在仿真环境和EZKIT板上执行的时间。四实验步骤4.1修改练习二的程序，在程序中加入控制次数的for循环，以控制程序执行5次、10次。4.2编译成功后，打开VisualDSP的linearprofiling窗口观察并记录程序在仿真环境下的执行时间，通过tool/linearprofiling打开linearprofiling窗口。4.3生成LDF文件，点击\tools\expertlinker\creatLDF，按照默认选项，依次选择1：文件保存的路径（与原工程一致）、projecttype选择assembly；2：选择单处理器（singleprocess），