线性调频(LFM)信号脉冲压缩仿真

随机信号处理实验

————线性调频（LFM）信号脉冲压缩仿真

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一、实验目的：

1、了解线性FM 信号的产生及其性质；

2、熟悉MATLAB 的基本使用方法；

3、利用MATLAB 语言编程匹配滤波器。

4、仿真实现FM 信号通过匹配滤波器实现脉压处理，观察前后带宽及增益。

5、步了解雷达中距离分辨率与带宽的对应关系。

二、实验内容：

1、线性调频信号

线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为：

()()2001222j f t j f t ut lfm

t t u t Arect S e e ππτ⎛⎫+ ⎪⎝⎭⎛⎫== ⎪⎝⎭ ()211,210,2

j ut t t t u t Arect rect t e πττττ⎧≤⎪⎪⎛⎫⎛⎫==⎨ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪>⎪⎩为信号的复包络，其中为矩形函数。 0u f τ式中为脉冲宽度,为信号瞬时频率的变化斜率，为发射频率。

当1B τ≥（即大时宽带宽乘积）时，线性调频信号特性表达式如下：

0()LFM f f f B S -⎛⎫=

⎪⎝⎭幅频特性： 2

0()()4LFM f f f u ππφ-=+相频特性：

20011222i d f f t ut f ut dt ππ⎡⎤⎛⎫=+=+ ⎪⎢⎥⎝

⎭⎣⎦信号瞬时频率：

程序如下：

%%产生线性调频信号

T=10e-6; %脉冲宽度

B=400e6; %chirp signal 频带宽度400MHz K=B/T; %斜率

Fs=2*B;Ts=1/Fs; %采样频率与采样周期

N=T/Ts %N=8000

t=linspace(-T/2,T/2,N); %对时间进行设定

St=exp(j*pi*K*t.^2) %产生chirp signal

figure;subplot(2,1,1);

plot(t*1e6,real(St));

xlabel('Time in u sec');

title('线性调频信号');

grid on;axis tight;

subplot(2,1,2)

freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); %对采样频率进行设定

plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St))));

xlabel('Frequency in MHz');

title('线性调频信号的幅频特性');

grid on;axis tight;

Matlab 程序产生chirp 信号，并作出其时域波形和幅频特性，如图：

2、匹配滤波器

在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(t x ：

)()()(t n t s t x +=

其中：)(t s 为确知信号，)(t n 为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No 。

设线性滤波器系统的冲击响应为)(t h ，其频率响应为)(ωH ，其输出响应：

)()()(t n t s t y o o +=

白噪声条件下，匹配滤波器的脉冲响应：

)()(*t t ks t h o -=

如果输入信号为实函数，则与)(t s 匹配的匹配滤波器的脉冲响应为：

)()(t t cs t h o -= c 为滤波器的相对放大量，一般1=c 。

匹配滤波器的输出信号：

)()(*)()(o o o t t kR t h t s t s -== 匹配滤波器的输出波形是输入信号的自相关函数的c 倍，因此匹配滤波器可以看成是一个计算输入信号自相关函数的相关器，通常c =1。

3、LFM 信号的脉冲压缩

窄脉冲具有宽频谱带宽，如果对宽脉冲进行频率、相位调制，它就可以具有和窄脉冲相同的带宽，假设LFM 信号的脉冲宽度为T ，由匹配滤波器的压缩后，

带宽就变为τ，且1≥=D T τ，这个过程就是脉冲压缩。

信号)(t s 的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

)()(*t t s t h o -= 3.1

0t 是使滤波器物理可实现所附加的时延。理论分析时，可令0t ＝0，重写3.1式，

)()(*t s t h -= 将3.1式代入2.1式得: 22()()c j f t

j Kt t h t rect e e T ππ-=⨯

()s t 经过系统()h t 得输出信号()o s t 。

经计算得：

20sin (1)()()2c j f t t uT t t T s t T rect e uTt T

πππ-= 上式即为LFM 脉冲信号经匹配滤波器得输出,它是一固定载频c f 的信号，这是因为压缩网络的频谱特性与发射信号频谱实现了“相位共轭匹配”，消除了色散；当t T ≤时，包络近似为辛克（sinc ）函数。

0()()()()()22t t t TSa uTt rect TSa Bt rect T T

S ππ==

如上图，当Bt ππ=±时，1t B =±

为其第一零点坐标；当2Bt ππ=±时，12t B

=±，习惯上，将此时的脉冲宽度定义为压缩脉冲宽度。 B

B 1221=⨯=τ LFM 信号的压缩前脉冲宽度T 和压缩后的脉冲宽度τ之比通常称为压缩比D

1≥==TB T D τ

s(t),h(t),so(t)均为复信号形式，Matab 仿真时，只需考虑它们的复包络S(t),H(t),So(t)。以下Matlab 程序段仿真了下图所示的过程。其中波形参数脉冲宽度T =10s μ，脉冲宽度B=400Mhz 。

仿真程序：

%%demo of chirp signal after matched filter

T=10e-6; %脉冲持续时间10us

B=400e6; %chirp signal 带宽400MHz K=B/T; %chirp 信号频率的斜率 Fs=10*B;Ts=1/Fs; %采样频率与采样周期 N=T/Ts; %采样点的个数N=40000 t=linspace(-T/2,T/2,N);