（通信与信息系统专业论文）伪码调相测距技术.pdf

硕士论文伪码调相测距技术 ab s t ract p se u d o . r 胡 d o m cod ep h 魄 m od川 at i o li盯 s t e m is s tu d l ed in ti 云 sp 即 耽 丁 b . d . ra d 晰s t l c and g e ” e r at i o d ofp se u d o . rand om co业，si 邵 ， al m odul a t i o n add dem odul 画on， 加n d 如onc e t ec t i on isdi s c u 5 . l ind et 苗 l t b e p ro g 岌 mofg e n 改 越 加 g th e m“ 月 u enceon b 别 蛇 s ofp r o gl 知 m m a b l e di gi 倒1到 由 m 功 entsism 目e withthe v e r 1 o g l 即g uag e ， m 司u l at o r， d e m odu 】 以 优 阳do 田 rr e l at i v e c i 邝 u i t iss l m u l at ed anddesi 助ed with o l x . 留山 ec o r e 加 ， 川 m ent. t b e c ircult iss l m p l i z e d侧thll l j x ers m odu l ation. t 七 e te st找 污 川 t l d ee tsth e 代 叼 此stsofthe sy st e m . t b e p r oj 叭 ofthe m e as 也 e m e 口 t of the v ariabledsl ayisd i sc u s 歇 对 at l a 就. k e y w o r d s :p s e u d o 一 r a n d o m。 。 d e ， p s e u d o . r a n d om c o d ephase te c hnof o g y，c o dep r o be， d 以e cti 0 d i 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以标注和致谢的 部分外， 不包含其他人已 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的 部分或全部内 容。 对 于保密论文， 按保密的 有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文伪码调相侧距技术 1绪论 l l 研究背景 50 年代初， p . m . w ood 呢rd 等人发现， 为了实现同时测距测速， 应当 采用白噪声 式的 信号， 才能达到最小的 测量模糊度目 。 但是白 噪声的产生和复制都存在许多技术 上的困难，无法加以利用。 60 年代中期，伪随机码的出现， 较完美地解决了测距能 力和测距精度的矛盾。 70 年代初， 西欧最早将伪随机码应用于探测测距， 开始设计、 生产伪码体制探测器，并陆续装备于空地、地空及空中格斗导弹中。国内在80 年代 中期才进行伪随机码探测器的研制工作，90年代中期，伪码调相探测进入实用阶段。 随机信号调制探测器是指无线电探测器的载波被随机信号调制的探测器。 这里的 随机信号包括两种类型: 一种是噪声信号， 它是真正的随机信号; 另一种是伪随机信 号， 它有某种随机特性，同时，又可以预先设定，还可以重复产生和复制。 用噪声调 制的 称噪声引 信; 用伪随机信号调制的探测器称伪随机探测器。 这种探测器具有良 好 的距离鉴别特性， 抗干扰能力强。其中，伪随机探测器编码调相应用较多。 随机信号探测器按发射机的调制方式分类， 可分为调频 ( 调相) 和调幅两种。 其 中， 噪声探测调频体制应用最多; 伪随机探测编码调相应用较多。 按信号处理方法分 类， 可分为相关法、反相关法和频谱法三种。 其中， 噪声探测反相关法应用较多; 伪 随机探测主要是相关法。 随机信号调制探测器是按照信号的统计特性进行分析和处理， 即按照信号的形状 来分析处理， 从而达到测距和测速的目 的。 假设一个系统反射的电磁波使用随机信号 进行振幅、 相位和频率调制的信号， 当目 标与发射机很近时， 从目 标反射的电磁波对 应的 发 射的电 磁波只有很短时间的互 酬 尽 ; 对于远距离的目 标， 回波 信号有长的 时间 延 迟。 这样延迟时间短的回波信号的波形变化小， 即与发射信号的波形相差小; 而延迟 时间长的回波信号， 其波形变化就大。 如果将发射信号和回波信号进行比较， 所获得 的结果与距离的统计特性有关。 在零距离， 发射信号与回波信号几乎是相同的， 而且 是完全相关的; 在很远的距离上， 回波和发射信号几乎没有关系， 即发射信号和回波 信号几乎不相关。 本系统就是根据伪随机探测器的这种特性设计出来， 根据其相关的 延时从而测定距离。 这里提到的相关特性只是近似的。 如果调制函数不是一个真正的 随机函 数， 即 使是十分接近目 标， 发射信号与回波信号亦存在很不相同的可能性。 况 且， 在实际系统中， 回波信号还被噪声、 多普勒效应和其他干扰所调制。 因此， 发射 信号和回波信号之间的相关就不是精确的。 硕士论文伪码调相侧距技术 本系统运用随机调制探测中的一种一一伪随机码调相探侧器， 这种探测器采用二 相相移键控调制方式， 又称为b psk调制。由于这种平衡调制方式能够抑制发射信号 的载波， 使干扰者难以 实现瞄准式千扰， 而发送者可以 用较多的功率传输信息， 并做 到在一定带宽内发射效率最高。 l z伪码调相探测器的工作原理 伪随机码调相探测器原理图如图1 . 2 . 1 所示图川 : 01， 调宙 膝本振源 ui刀 解调器 伪码产生器 延时器相关器信号处理 图1 .2 . 1 伪随机调相探测器原理框图 各级信号如下 ( 图1 . 1 中已标明位置) : ( 1 )发射信号 u(t) 一 a ， cos夙r 十 习 峨 口 式中， 1 或 0. 式为发射信号的 幅值;叭为 载波角频率;人 敬) 为 伪随 机m序列， ( 1 21 ) 其值为 ( 2 )回波信号 u. (t) = a ， co s( 叭+ 叱 )t + 川 右 萝 一 司( 1 .2 .2 ) 2 硕士论文伪码调相测距技术 式中 ，a ， 为 回 波信 号 幅 度:口 为 多 普勒 信号 角 频 率;， 为反 射信号 延 迟时 间。 ( 3 )混频器的输出信号 口， (t)= ax汀，(t一 砂 cos 向d t)( 1 2. 3) 式中 ，凡是混 频后信号的幅度;万， (t 一 对为 伪随 机m序列，其值为1 或一1 。 由上式可知，混频器的输出信号是伪随机 m序列和多普勒信号之积。 波形如图 1 . 2 . 2 所示。 一 朋 飞 月 队 ) 下 比 卿 胜 哪 队 刚 附 邢 切 排比 朋 泪 (a) 伪随机序列 (b ) 多普勒信号 (c )混频器输出信号 图1 2 . 2 伪随机序列，多普勒信号以 及混频器输出信号 (4) 相关器的输出 信号 u ， ( r ) = r (t一 lto ) cos 佃j t ) 由上式可知，相关器的输出信号是伪随机 积。 波形如图1 2 3所示。 ( 1 .2 4 ) m序列的自相关函数与多普勒信号之 图1 . 2 . 3相关器的输出波形 其归一化波形如图1 . 2 . 4 所示. 硕士论文伪码调相测距技术 认. 沙与 图1 ， 24检波器的 输出波形 当检波器的输出信号幅度大于或等于比较电 平时， 比 较器输出的脉冲对应着延时 器的延时，由此能相应的得到探测器所测距离。 1 3伪码调相探测器的抗干扰性能 无线电 探测器是利用电磁波传递目 标信息的，所以如果探测器的抗干扰能力弱， 它向空间辐射的信号被敌方截获后， 很快就会让人将其特征分析出来， 然后以强功率 向外发射干扰波， 千扰探测器的测量作用， 从而探测器失去杀伤作用。 所以如果我们 应用结构复杂、 抗干扰能力好的探测器， 那么， 对方截获信号后， 就有可能难以及时 译出信号特征， 从而不能有效释放干扰。 因此我们有必要研究一下伪随机码调相探测 器的抗干扰性能。 无线电 探测器实际 上就是一部完 整的 近程蕾达， 它要完成对目 标、 距离、 视角及 速度等信息的测量. 因 此， 完全可以 像干扰其它无线电设备一样来干扰无线电探测器， 使探测器无法确定目 标的位置和距离。 通常的 干扰可以 分为 背景千扰和人为 干扰两类国。 背景干扰一般是已 知的， 易 于 克服。主要有: ( 1) 无线电台的干扰。 ( 2 ) 工业千扰。 (3) 自 然干扰。 包括接收设备中半导体器件的电子起伏、目 标反射信号的波动、 大气千扰、 大地和地面物体对电波传播的影响、 电池噪声、 探测器在飞行中的振动等。 人为千扰是敌方制造的千扰， 根据产生干扰的途径和来源， 可以 分为有源和无源 干扰。 通常所说的电 子对抗就是干扰与抗干扰的统称。 由 千扰机产生的 干扰叫做有源 干扰，人工制造物的电磁能反射产生的干扰叫做无源干扰。 无源干扰的方法通过在目 标上涂复一层吸收电 磁波的物质， 如陶瓷( 铁氧体) 材 料， 可以 使 信号的 反 射功 率减小 到 原 来的1 / 20， 因 而， 可以 破 坏 探测 器的 正常 工作。 4 硕士论文伪码调相侧距技术 或者采用角反射体来产生假目 标， 使探测器真假难辨， 从而造成误判。 或者也可以将 已调谐的半波振子，撤向电波传输空间，使传输无线电波的介质特性变得不均匀。 可以 看出， 无源干扰主要是人为地改变无线电波的正常传播条件， 无源干扰是最 常采用的一类方法。 无源千扰通常是由固定的或运动很慢的目 标 ( 如偶极子云) 反射 的能量产生的。 因此， 由它们产生的反射信号的频率与直接辐射的频率差别很小， 而 运动的目 标反射的信号频率则与直接辐射的频率差别很大， 采用恰当的频率特性的放 大器即可消除无源千扰信号。另外还可以采用惯性延迟电路来对抗无源千扰。 从发射信号的 特征上看， 伪随机码调相信号近似于射频噪声信号， 伪随机序列的 种类很多， 而且周期长， 无法在较短时间内侦察出调制规律， 具有占用的频带一般很 宽，工作时间短，最多只有几秒，作用距离近、辐射功率小的特点，对方不易侦察， 采用瞄准、 回答干扰有困难。 因此， 对于干扰机如果采用扫频干扰就必须增加其频谱 宽度， 但是这样如果扫频速率不变， 单位时间内的干扰引信的概率就会下降， 但速率 变快， 就可能导致延时电路不能积累足够的电 压而启动引信。 而阻塞干扰需要考虑发 射功率与干扰带宽的成正比这一问 题。 对伪随机码调相引信信号进行侦收本身就很困 难，因此，系统具有很强的抗干扰能力。 l 4系统设计指标 系统要求的最小测距为1 0m， 如下的系统设计指标: ( 1) 工作频率二5 . s ghz ; (2 ) 对伪码信号的 采样频率取天 无模糊距离不小于40伽， 根据具体应用要求可得出 =1 0 0 人 叮众 下面就根据这些指标来设计本系统所需的各个部分，首先进行软件的设计和仿 然后给出相应的硬件设计以及调试结果 本论文研究内容 戛1.5 本文根据伪随机码调相探测器的工作原理设计了一种伪随机码调相测距系统。 具 体工作如下: ( 1) 根据探测器系统要求， 设计了m 序列发生器。 。 (2) 使用的是m i ne一 circurt 公司芯片，结合m 序列发生器， 设计并制作了 伪码调 相器模块( b p s k ) 。 (3) 根据b p s k调相信号的原理， 采用m ine 一 circurt 公司的芯片， 设计并制作b p s k 解调器。 5 硕士论文伪码调相侧距技术 (4) 仿真设计， 验证系统的可行性及设计方案的科学性、合理性。 硕士论文伪码调相侧距技术 2伪随机码的相关理论及其产生 在五十年代初，p . m . w oo山ard等人发现，为了同时实现测距测速， 应当 采用白 噪声 式的信号， 才能达到最小的测量模糊度。 但是白 噪声的产生和复制都存在许多技 术上的困难， 无法加以 利用。 直到六十年代中期人们才逐渐发现了一些既易产生和复 制又具有白噪声性质的伪噪声编码信号 ( 也叫伪随机序列) ，利用伪随机序列进行测 距， 较完美地解决了 测距能力和测距精度的矛盾， 因而获得了重要的实际应用。 伪随 机码有许多不同的形式，各自 都有许多不同的特性，应用于不同的场合。 伪随机码的性能直接决定了测距定距系统的性能， 应用到无线电探测器中来， 一 般来说测距的伪随机码应该满足如下的要求: 1 .为了避免距离模糊，测距码的长度必须大于回码的时延r ，也就是电磁波由 发射机到目 标之间的往返时间; 2 .测距码的比特速率要足够高，以满足测距精度的要求; 3 .对于相关检测来说，测距码的自 相关函数最好是两电平的:当序列与本身比 较时， 具有最大相关值输出， 而与其移位序列或其它的序列比 较时， 具有很小的相关 值输出; 4 .获取相关函数峰值所需的时间，即测距码捕获时间，应尽可能的短，以满足 测距系统的要求; 5 测距码尽量具有较大的 线性复杂度，不易截获; 6 .伪码产生器的结构要简单，易于实现，序列选择容易。 以 上这些要求， 只是选择测距码的基本原则， 其中有些要求是相互矛盾的， 因此 在设计选取时应根据实际情况加以 折衷考虑。 通常使用的测距码有m序列、 gold序 列、b 喇 序列、复合伪随机码等。它们都具有非常好的自 相关特性， 其中m序列最 易产生， 在单用户测距系统中 广泛应用。 gold序列， b ent 序列是广义的 伪随机码， 通常用于多用户测距系统。 复合码自 相关函数的副瓣峰可以大大加快检测和跟踪的 速 度， 多用于要求实现快捕的深空测距系统中。 本课题主要是针对单用户的测距定距系 统，故用m序列作为测距定距码比较合适。 2. 1伪随机码发生器的原理 伪随机码可由 移位寄存器网 络产生。 该网络由r 级串 联的双态器件， 移位脉冲产 生器和模2 加法器组成，图2 1 . 1 所示为4 级移位寄存器。下面以4 级移位寄存器为 例， 说明伪随机序列的产生。 规定移位寄存器的状态是各级寄存器从右至左的顺序排 7 硕士论文伪码调相测距技术 列而成的序列， 这样的状态叫正状态或简称状态。 反之， 称移位寄存器状态是各级寄 存器从左至右的顺序排列而成的序列叫反状态。例如，初始状态是 1 0()0 ，那么 入 “ = 1 ， a 卜 3 司， 在 闭人1 旬， 图1 中的反馈逻辑为: 衡二每 卜 由氏 “(2. 1 1) 衡一 1 卜州 叫几在1 一喇 凡一卜甲 州衡刁 图2 1 . 1 4 级移位寄存器 ( 一) 对于初始状态为 1 0 00， 经过一个时钟节拍后， 各级状态自 左向右移到下一级， 末级输出一位数， 与此同时模2 加法器输出加到移位寄存器第一级， 从而形成移位寄 存器的新状态， 下一个时钟节拍到来时又继续上述过程。 末级输出序列就是伪随机序 列。 如果图3 . 1 的初始状态是任意一个非0 状态， 它的输出 序列就是式 ( 2 . 1 . 1) 向 左或向右移位若干位后得到的同一周期的位移序列， 也可以说是周期相同而起始相位 不同的周期序列。 改变4 级移位寄存器的反馈逻辑，如图2 . 1 .2 所示。图2 1 .2 的反馈逻辑为: = 2 田 匈 闷(2. 1 2) 图2 1 . 2 4 级移位寄存器 二) 如果使这个4 级移位寄 存器有初始状态 ( n l l ) 、 (00 0 1) 或 ( 1011) ， 可以 得到 三个完全不同的 输出序列: 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 00， 二 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 ， 二 它们的周期分别是6 、 6 和3 。 从上述例子可以得到下列结论: ( 1) 线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列。 ( 2 )当初始状态是0 状态时，线性移位寄存器的输出都是0 序列。 (3) 级数相同的线性移位寄存器的输出 序列和反馈逻辑有关。 ( 4 )同一线性移位寄存器的输出 序列还与起始状态有关。 硕士论文 伪码调相侧距技术 ( 5 ) 对于级数为r 的线性移位寄存器，当周期n = 2 厅 一 1 时，改变移位寄存器初始状 态只改变序列的初相。这样的序列称为最大长度序列或m序列。 z j伪随机码的选择 在测距系统或相关辨识等应用中 通常使用的伪随机序列有m序列， m序列， g ol d 序列等， 有时也使用复合的伪随机码。 考虑到电路的复杂性和可实现性， m序列都是 比较理想的伪随机码， 其各项特性都能符合伪随机码调相引信定距的要求， 因此， 在 本系统中， 我们采用了m序列，下面将就这种常用的伪随机码进行讨论。 r 级线性移位寄存器能产生的序列的最大可能周期是n 粗r 一 1 。 这样的序列叫最大 长度序列或m序列，m序列具有许多优良 特性，是最常采用的扩谱码序列。 2. 2.l m序列的特性 r 级线性移位寄存器可以产生最大周期为n二 2一 1 的序列， 这样的序列称为最大 长度序列或m 序列， m 序列具有许多优良的特性， 尤其是它的自 相关特性，是最常用 的扩谱码序列， 也是精确测距系统中经常采用的一种码序列。 m 序列具有如下的一些 特 性 23 ，“ ， : 1 .平衡性或随机性 在m 序列的一个周期中，0 和1 的数目 基本相等，1 优 0 的个数多一个，且1 的 个数为2 问， 0 的个数为2 曰一 1 。 2 ，移位可加性 某个m 序列与其经任意延迟移位后的序列模2 相加后， 得到的仍是该序列某次延 迟移位后的序列。 如果将。 序列所有的 移位码构成一个编码， 则该编码一定是线性循 环码。 3 . 游程特性 游程:序列中取值相同的相继元素称为一个 “ 游程，o 游程长度:游程中元素的个数。 m 序列中， 长度为1 的 游程占 总游程数的一半: 长度为2 的游程占 总游程的1/4 ， 长度为k 的游程占 总游程数的2 一 。且在长度为k 的游程中， 连0 与连1 的游程数各 占 一半。另外， 还有一个长度为r 的1 游程和一个长度为 (r一1) 的0 游程。 4 .预先可确定性 m序列是由 移位寄存器的初始状态和反馈网络唯一确定的。 硕士论文伪码调相侧距技术 2 . 2 . zm序列的自 相关函数和功率谱 通过对矩形脉冲的不断移位， 用取值为+1或一 1 的m 序列元素加权，可得到.序 列信号表示形式为: t-_ _ _ . ， 刁t 一- 二 一t 了 二一j 刀了 二 _ _ t 、_ 下，七，_ _ _ ，2一 、_ ， 。 仍气 ，一 zjzj 工 . 线一-一-二一-一， “v) 二 二1 苟1 。 式 中 rect 。 /: ) = ， t q ( 22 . 2 . 1 ) tc 1一2 阵 d皿 其它 其中tc为 码元宽 度， n 为 码字长度。 周期 长度为刀 兀的m 序列信号m(t)， 它的自 相关函 数的可以 表示为 ; ( ) = 斋望 m (: )从 (: + ) ( 2 . 2 . 2 . 2 ) 由此式可得m 序列信号的自 相关函数为 丝 丝! 止望 互 ntc 0 匀r 一 z n 界 tc ， 1 = 0， 1， 2 ， r 二 ( : ) 一 责 ( 2 . 2 . 2 . 3 ) 其它 一 矛卜卜之.! 一一 显然，m序列信号的自 相关函数是双电平的，最大值为 1 ，最小值为 一 1 /n。其自 相关函数波形如图2 . 1 所示: r 少 ) 抽 介 1 介( 卜1 ) 及1( ( 卜1 ) 龙 一 1 1 万 d 图2. 2， 2. l m序列自 相关函数 从图2 . 2 . 2 . 1 中可以得出: n tc 1 . 伪码的自 相关函数可以 看成是高度为( n +l) / n 的周期三角脉冲列减去一个幅度 为1 州 的直流分量。随着码元宽度的减小，自 相关函数的波形越接近于占 函数波形， 码元宽度越小，波形越尖锐，定距精度也就越高。 2 . 周期n 越长，定距的距离也就越远。在反射功率一定的情况下， 要提高系统的 硕士论文伪码调相测冲技术 距离 分 辨率， 可 将rc做的 很 小， 同 时 将n 相 应的 增大， 这对 线 性移位寄 存器 来说 是 比较容易的。 3 . 当目 标反 射延 迟码与 相 关 延 迟 码相 对应时， 相 关曲 线出 现峰值， 当目 标回 波 信 号延时与相关码延时有差别时， 相关器输出降至一 1 卿，可以通过滤波器来消除。 因而 相关器输出( 包括多普勒幅值) 大大降低了。 这就是此种体制的引信所以能提高抗千 扰能力和提高检测灵敏度的关键。 m 序列的相关函数也可以改写为: 1、丁 1 一叹 且 + j 吧 全 n 兀 0 r 1 时， 有。 ( fo) = n +1 n2 、= 。 2 华坐 琪 今 丘 ) jv一l 侧i o l j 。 j ( 2 . 22 . 7 ) 由 黯二 。 .5 “ 得 ，鄂洲 = 0.5 硕士论文 伪码调相侧距技术 计算得出:网几/ fc二 1 .3 97 由 此得出 频宽为:丫= nfo = 0. 445 fc 式 中 : “ = 炭 ，fc = 会 可见，功率谱线强度下降一半时， m序列信号频宽为任 刁 .科5 关. 2 3m序列的产生方法 图2 . 3 . 1 所示的是一个n 级的移位寄存器构成的码序列发生器， 它由n 个二元存 储器和模2 开关网络组成。 二元存储器通常是一种双稳态触发器， 它的两种状态记为 0 和1 ，其状态取决于时钟控制下输入的信息 (0或 1 ) ，例如第1 级移位寄存器的状 态取决于时钟脉冲后的第1 一 1 级移位寄存器的状态. 气1 兔 。权 札 州叼 乌 1 输出 时钟 图2. 3. 1 用移位寄存器实现伪码信号产生器 图 中co、 q c 。 为 反 馈线， 其 中几= c二 1 ， 表 示反 馈连 结。 因为m 序列 是由 循 环序列 发生 器产生的， 因 此co和 吼肯 定为1 ， 即 参与反 馈。 而反 馈系 数q 、 c z c 。 若为1 ，参与反馈， 若为0 ，则表示断开反馈线， 无反馈连接。 当反馈逻辑满足特定条件时，就产生m 序列.例如，四级移位寄存器 (r“4 ) ， 反 馈 逻 辑为co= 1; q= 0; q= 0; q= l; q= 1 。 根 据这 个 反 馈 系 数， 可以 画出n 城的 m 序列发生器的电路原理如图2 . 3 ， 2 所示. 时钟 d d ，d l飞 图2. 3. 2 下4 的m序列产生器原理图 若假定各级初始 值均为1 ， 则产生的m 序列为 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 ， 序 l 3 硕士论文伪码调相侧距技术 列波形如图2 . 3 . 3 示: (a)向 (a): 时钟信号伪 ): 码长n =1 5 的m序列 图2. 3. 3 m序列信号波形图 由于移位寄存器的初始状态是随机的，它可能是 1 ，也可能是0 。如果各级移位 寄存器的初始状态都为0 时， 则模2 加法器的输出将始终为0 ， 这样就不能产生任何 序列。 为了防止这种情况发生， 在图23 3 中还需要增加必要的检测电路， 具体实现 原理如图2 . 3 . 4 所示。 十 卜 侧d l 输出 时钟 州 图2. 3 .4避免0 状态出 现的伪码产生器 移位寄存器各级不全为0 时， 或非门输出 始终为0 ， 则或门的输出就只与异或门 的输出 有关， 当移位寄存器各级起始状态都为0 时， 或在运行过程中受到外界脉冲千 扰各级状态为0 ，则或非门的输出为1 ，此时或门 输出为1 ，从而可以避免 “ 0 ”序列 的产生。 采用v eril og编写的 位，即 一 个三级的m序列的 序如下: 1 1 b r 叼 1 眼; 嫂 1 战 引 d ee 】 哈c-l l6 4 月七 即石 tyw 0 1 is 卯d ( 心 火lo ad:ins t d 一 l o g i c ; q: o utst d es l 哈c); endw m; 留c h 让 e c 扣传w mhof 、 v mi s s i gna 】 te m p : 5 目 j o 9 1 处v 州0 找 l to3 ) ; 悦g in 声 时 . 叫cl k.lo a d ) begin i f( c l kt ev以 and c l 甲 1 ，) th en 1 代 l o ad曰 1 仙朗 te m p(l) 毖 1 1 飞 1 4 硕士论文伪码调相侧距技术 妞 m 以2 卜习 0 ， ; 加 m 试 3 卜 曰 0 1; 勺 心 衬 . m 以3 ) ; 目 邵 妞 m 例 夕 ) 心 月 吧 m 试1); 忆 m 州 3 ) =t e m 雌) ; 切 以1 卜 砌m 拭 3 ) 期orte m p( 1 ) ; q 3.4v ， 低电 平几， 多 普勒 频率比 码字的 频率 低的 多， 在一个码字周期内， 多普勒信号的幅度维持不变， 则多普勒信号可以移到积分符号外， 此时相关器的输出为: u 。 = 止v j 刀 双 co s o d 孙 ( 一 r ) m (t 一 r 。 ) dt 硕士论文伪码调相侧距技术 = r(r 一 几w cos 巧t( 5 . 1 1 4 ) 由 式 (5 :l1 .3 ) 结合伪 码自 相关函 数随: 变化的规律不难说明 相关器的 输出。 u ， 的 幅值取决于仇和双 : 一 几 ) ，当: = ro时，叭有最大值输出， 其值等于佑。当 1卜rn l : 兀 时 ， u 。 的 幅 值 为 最 大 值 的 典 。 。一n 5. 1 .2伪随机码测距性能分析 1 邝 图5 1 ， 2 . 1 归一化相关函数曲 线 伪码测距主要思想是利用伪随机码良 好的自 相关特性的。若m 序列的码长为n， 码元宽 度为兀， 则m 序列的 归 一 化 相关函 数 如图5 . l 2.1 所 示。 在相 关函 数中: = z r / c ， r 为 探 测器 距 地面的 距离， c 为 光 速;即: 与r 是 一一 对应的， 也就是通过对伪码相关处理， 给回波信号的大小提供了一个相关因子， 根据 相关因子与距离的关系，采用固定门限判决器进行测距，这是常用的伪码侧距技术。 实际上， 由于地面的反射系数不同和探测器的落角不同; 在同一距离上的回波信号强 度通常相差几十分贝，同一个固定的门限 所对应的距离则不同，如图5 . 1 . 2 . 1 所示， 这样就会产生系统的测距误差; 为了提高 检测概率同时降低虚警概率， 我们假定固定 门限为 vt， 那么测距系统在各种不同 落角和各种不同地面反射系数的情况下，相关 因子的最大值所对应的距离处的最小信号幅度与最大信号幅度相差为xdb ， 通过相关 伪码提供的最大相关因子为n ，可得到系统的最大测距误差为: 尺=( 1 一 1 0一甸 竺 2 ( 51 1 . 5 ) 由 图5 . 1 . 1 . 1 可以 看出x 2 01 o g( n ) ， 所以 系 统的 最大测距误差为: 硕士论文伪码调相侧距技术 心 尺目( ( n一 1 ) / n) 兀 c( 5 . 1 . 1 . 6 ) 图5. 1 .2 2测距误差示意图 通过改变可编程延迟线的控制字， 就可以测出不同的距离; 由 伪随机码的周期性 知自相关函数存在模糊旁瓣，由此可以得出伪码测距的最大距离为: _ _n 、 = “ 万 ( 5 . 1 . 1 . 7 ) 为了 进行相关处理， 信号发射出去后至少应该有一个码元宽度的延迟， 所以伪码 测距的最小距离为: 兀-2 cc 一一 川 凡 由 式(5 . 1 . 1 乃 和式(5 ( 当n 取较大的值时) 。 ( 5 . 1 . 1 . 8 ) ， 1 . 1 8) 可知， 伪码测距的最小距离与测距的最大误差近似相同 从这两个式子也可以看出伪码测距的测距精度与伪码的码元 宽度有直接的关系，码元宽度越小测距的精度也就越高。 5. 2相关器的设计 相关技术的实现， 具体体现在测量相关函数的相关器上， 相关函数可以看成是随 机过程( 或波形) 的“ 相似性” 的一 种度量网， 对于 满足遍历性条件的 平稳随机过程， 计算它们的相关函数时，可以用一个时间平均来代替概率平均。 相关函数的模拟定义式为: ， () = 争 卜 (!)(了二 ，dt 离散定义为: 、 (。 卜 责 翼 (“ ) ( ， ， ， = 0， ， mo ( 5 . 2 . 1 ) 5 . 2 ， 2 ) 硕士论文伪码调相侧距技术 对相关函 数的计算， 主要是通过乘法器，积分器 ( 累加器)为核心部件来实现。 而工程实践中，乘法器的实现比加法器的实现要困难得多。因此，围绕相关函数的定 义式， 5 . 2 . 1 针对乘法功能具体实现的不同方法，可将其分为许多作用机理不同的相关器。 模拟相关器 利用式(5 . 2 . 1来计算信号的相关函数，多采用模拟电路实现，它的原理如图 5 . 2 . 1 所示。 一般来讲， 模拟技术 ( 乘法器， 积分器)的精度较差，其误差主要来源 于器件本身的误差， 但是用模拟式的方法实现相关， 其作用原理简单， 设计方便， 容 易实现， 因此在一定的 场合有其特定的使用价值。 尤其是现代科学技术的发展， 推动 模拟乘法器的性能有了 长足的进步， 现在已 经有了高精度， 大带宽， 低漂移的各种模 拟乘法器， 为模拟式相关器的应用， 提供了有利的保证。 由于受数字技术发展的局限， 数字技术还不能完全代替模拟技术， 特别是在较高频率的工作环境下， 由于取样受器 件水平的限制， 运用数字技术， 还不能很好的完成相关运算， 只能借助模拟器件， 完 成相关检测的功能。 另外在探测系统需要小的装配尺寸及较低的费效比时， 模拟相关 器还是有应用价值的。 图5. 2 1 . 1模拟式相关器的 模型 本系统测距利用的就是可变延时丁 与所测距离r 的一一对应而进行测距的。 5. 2 . 2数字相关器 数字式相关器是利用式 ( 5 . 2 . 2) 来计算相关函数的， 式中n 为观察时间内的取样 点数。一种可能的实现方案如图 5 . 3 . 2 . 1 所示。 a / d 移位寄存器 图5. 2. 2. 1 数字式相关器的模型 硕士论文伪码调相侧距技术 数字式相关器， 包含了大量的乘法和加法运算， 如要求出所有观察时间的相关值， 则要做 n x n次加法和乘法。因此，如果要进行实时运算，对乘法器和加法器的运算 速度要求都相当高。 为了降低对运算速度的要求， 若采用舍弃样点和减少量化的比特 数， 必然会带来一些误差。 其中， 减少量化比 特数引起的误差不是很大， 但它却可使 运算逻辑大大简化， 从而可以提高运算的速度。 而舍弃样点引起的误差， 例如取信号 的奈奎斯特抽样周期， 其相邻的样点是互相独立的， 故舍弃的样点均为有用信息，如 果测量时间有限，随机误差必然会大大增加。 由