（电路与系统专业论文）数字化扩频测控系统设计及其实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e p e r f o r m a n c e o f h a r d w a r e f o r d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g i s d e v e l o p i n g v e ry f a s t . a n d s o t h e t h e o ry o f s o ft w a r e r a d i o b e c a m e m o r e a n d m o r e u s e f u l i n r e a l s y s t e m d e s i g n s , e s p e c i a l l y , t h e m e a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m u s i n g s p r e a d - s p e c t r u m i s w i d e l y u s e d i n a e r o s p a c e a n d m i l i t a ry a r e a . t h e d i g i t a l i z a t i o n o f t h e s e o l d a n a l o g s y s t e m i s n e e d e d . s o w e d e v e l o p e d a q p s k d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d - s p e c t r u m f o r m a n - m a d e s a t e l l i t e m e a s u re a n d c o n t r o l p u r p o s e . t h e s y s t e m u s i n g t h e s o ft w a re r a d i o t e c h n o l o g y a n d d i g i t i z e d t h e r e c e i v e d s i g n a l a t i f . t h i s p a p e r b ase d o n t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s s y s t e m . a n d it i n t r o d u c e d t h e r e a l iz a t i o n o f t h e d s / q p s k d i g i t i z e d r e c e i v e r . i n t h i s p a p e r , f i r s t , i n t r o d u c e d t h e b asi c m e t h o d f o r m e a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m . t w o m e as u re a n d c o n t r o l m e t h o d s u s i n g s p r e a d - s p e c t r u m a r e p r o v id e d . o n e m e t h o d u s i n g o n l y o n e m - s e q u e n c e s . a n o t h e r u s i n g t w o . t h e t h e o ry o f t h e s y s t e m i s p r o p o s e d . i n c l u d i n g , h o w t o c h o o s e t h e t w o m - s e q u e n c e s , t h e d e m o d u l a t i o n o f q p s k , t h e c a p t u r e a n d f o l l o w i n g u p o f t h e t w o m - s e q u e n c e s k e y w o r d s : i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y d i gi t i z a t i o n t e l e c o n t r o l a n d t e l e m e t r y d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d - s p e c t r u m q p s k c p l d d s p 节 8 3 5 9 2 创新性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。 尽我所知， 除了 文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内 容以 外， 论文中 不包含其它人己 经发表或撰写过的研究成果; 也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明表示了谢意。 本 人 签 名 : 一 皇 j ;o日 期:?i c 0 甲, 、 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电 子科技大学有关保留和使用学位论文的规定， 即: 学校 有权保留送交论文的复印 件， 允许查阅和借阅论文; 学校可以 公布全部或部分内 容，可以 允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后 遵守此规定) 本 人 签 名 :鑫 j t.日 期: 2ao 导 师 签 名 :乞 处日 期: 2 0 0 4 卫一 第一章 绪 论 第一章绪论 1 . 1 引 言 我国测控系统正在由陆海基测控网向天地一体化测控网过渡， 对测控技术的 需求不断增加。 2 0 0 2 年， 西电与某研究所合作进行的科研项目 一扩频测控系统， 按照工程构想， 系统将能够完成对卫星的测速、 测距功能， 项目 组最终完成了系 统仿真、硬件实现及测试。论文就是基于这个科研项目 所做的工作。 1 . 2 应用背景及意义 卫星在军事方面以及民用通信方面应用非常广泛， 对卫星的测控显得尤为重 要， 航天事业的发展也扩大了 对先进测控系统的需求。 目 前， 我国的 测控系统实 行统一规划， 建立了比 较先进的 测控体系。 我国测控体系由固 定站以 及各种车载、 舰载等移动测控站组成。 而且多数测控设备可以 箭、 星通用。 数据格式及接口 实 现了标准化、 规范化。 形成了高精度测量带和中精度测量网交叉局面。 随着我国 军用及民用通信、气象等需求增加， 在轨的中低轨道卫星会大幅度增加，另外， 在我国的航天领域， 飞船与空间站对接的地面引导追踪， 将会需要高精度的测控 系统。 为了提高传输型卫星的时效性， 要求测控具备高码速率的数据传送， 具有 较强的抗干扰能力以及保密性能。 本文基于某卫星测控系统的研制， 介绍了此系统中数字化接收机部分的实现 方法。 在这个系统中， 对7 0 m中频直接采样实现数字化， 后续的处理利用c p l d 和d s p ， 实现卫星测控系统的直接序列扩频的 解扩解调。 c p l d主要完成中 频采 样、数字下变频、 低通滤波、p n码的初始捕获以 及跟踪。其中p n码初始捕获 采用大步进串并结合的搜索方式。d s p主要完成采样频率控制、多普勒频率计 算、信息码输出、捕获门限设定等功能。在实际硬件实现上，c p l d采用的是 a l t e r a 公司a p e x 2 0 k e系列芯片， 以满足系统对速度以及容量的要求， 内部逻辑 采用 a l t e r a公司新一代设计软件 q u a r t u s 1 1 设计完成。 d s p采用 a d公司的 s h a r c系列芯片。 本系统结合了可编程逻辑芯片并行高速的特点和数字信号处 理芯片灵活的特点。使用的设备简单，灵活度高，可以 满足多种场合的需要。 随着卫星测控系统的需求的日益增长， 传统模拟设备由 于复杂度高， 调试难 度大等特点，己 经难以 满足系统的需求， 所以数字化设备的研制势在必行。 系统 采用数字化技术，利用 c p l d和 d s p ，实现卫星测控系统的直接序列扩频的中 数字化扩频测控系统设计及其实现 频解调解扩单元。 本接收机使用的设备简单， 复杂度低， 灵活性高， 可以 满足多 种场合的需要。 1 . 3 本人所作工作 主要完成了数字化扩频测控系统的理论仿真，数字处理板的设计，以及 c p l d , d s p 内部编程以及系统的联合调试。 其中系统仿真主要在m a t l a b 中完成， 也部分结合q u a r t u s i i 进行;大部分数字处理在大容量的c p l d 中完成， d s p 主 要完成系统载波频率、 相 位跟踪， 中频放大器的a g c 控制等功能。 本人用q u a r t u s i i 3 . 0 设计完成c p l d 内部所有程序设计，输入方式采用原理图并结合v h d l 硬 件描述语言来完成。利用d s p 的仿真系统， 通过d s p 与c p l d 的接口， 对c p l d 的内部程序进行了调试， 成功完成数字解调及伪码的捕获和跟踪， 并提取出了测 距信息。系统多普勒频率的计算主要由d s p 完成， d s p 提取出多普勒后控制d d s 改变a d 采样时钟，来消除多普勒频率的影响。 1 . 4 论文章节安排 论文共分为五章，下面是各章内容安排: 第一章绪论。主要介绍一下本文所涉及的测控领域一些现状，测控主要的一 些应用。最后介绍论文的结构安排。 第二章系统实现的理论分析。首先举出一个单码扩频测控系统，以此来说明 扩频测控系统的基本原理;然后说明双码扩频测控原理，再把两种方 法进行比 较，说明 双码测控系统在测量距离和系统性能上优于单码测 控系统。 第三章扩频测控系统的基本原理。先说明系统实现的要求，然后根据要求从 理论上对系统实现加以分析，并结合仿真来说明。 第四章数字化解扩系统设计及其实现。详细介绍系统的硬件实现方法，包括 器件选择与使用;以及调试过程遇到的问题，并结合调试时采下的波 形来说明。 第二章系统实现的理论分析 第二章系统实现的理论分析 2 . 1 前言 本章主要分析系统实现的理论基础。以期对理论的深入分析能够对工程实践 做更深层次的指导。本章首先介绍了一个单码扩频测速、测距系统，以 此来介绍 扩频测距、测速的基本实现方法，然后以此为基础介绍了双速扩频测控系统， 两 者加以比 较，显现双速扩频系统的优越性。事实上，系统所实现的双码扩频测控 系统就是双速扩频测控的一个特例。 2 . 2 扩频测控系统模型 直 接 序 列 扩 频 测 控 的 模 型 如 图2 . 1 所 示 。 信 息 数 据: ( t ) 是 信 息 经 过 编 码 处 理 后的 数字信号， 是宽 度为t s 的 值为+1 或一1 的 矩形波信号。 首先经过扩频序列 进行调制， 这个调制过程完成了 数据的加密，以 及频谱扩展。 扩频编码是码长为 n 、码元宽度为t . 、以+i 或一1 表示的矩形波信号p n ( t ) . p n 码 图2 . 1 载波 发射系统模型 本地载波本地p n 码 图22 接收系统模型 信息 数据 受扩频码调制 后记为: s ( t ) p n ( t ) 加图2 .2 的 ( a ) . ( b ) . ( c ) 所示。 数字化扩频测控系统设计及其实现 ( a ) 信息码 - 1 + 1 + 1 - 1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 - 1 + 1 - 1 - 1 + 1 - 1 + 1 (b ) pnp吁 几 步甘七丑廿移 扩 ” 调 制 吁 几 于 f : : : 井 刊i d (d 本 地 pn码 日 只廿甘七几步田 (e 输 出 数 据 厂 二二只二二目 图2 . 3 信息码的 扩频及解扩过程 信息数据s ( t ) 脉宽t s ， 其功率谱密度s s ( f ) 主要分布在 ( 一f s . f s )的频带 内 ，而f = i/ t 信息数据的频谱带宽为b b i = 2 f , 。 扩频编码的 码元宽度为t ， 则功率谱密 度主要 分部在 ( - f . , 0 的 频 带内 ， 而关= 1 i t。 扩频码的 频谱带宽为b 2 , b 2 = 2 f 。信息数据和扩频码都是二值矩形波序列， 其信息数据速率为r s ( r s =1 / f ) 和扩频码速率为r , ( r , =1 / t , ) .这样，数据带 宽b 、 和扩频带宽b 2 之间， 有如下关系: 二n ( 2 - 1 ) 尺-凡 -一 t一兀 一 关一人 一一 凡-尽 扩频增益g ( s p re a d i n g g a i n ) :扩频增益g定义为频谱扩展后的信号带宽b 2 与频谱扩展前的信号带宽b ， 之比。 根据此定义， 扩频处理增益为: g = b 2 b, = n ( 2 - 2 ) 扩频编码的码长n越大，码元宽度t 越小。即码速率凡越大， 扩频处理增 益也越大。 经过信息数据调制的 扩频编码，再调制到频率为f . 的载波，形成射频信号后 经过天线发射出去。其频谱变换过程如图2 .4 图2 .6 所示。 第二章 系统实现的理论分析 一 f d 图 2 . 0 + f d 基带信号频谱 产 / fc络八y +包丫少 一 f o 图2 . 5 扩频编码频谱 ( 示意图) l. , 尸户一一少. . 一 、 r f o ff o 图2 . s 扩频后信号频谱示意x6 1 扩频测控系统的发射信号为: s , ( t ) = a s ( t ) p n ( t ) 二( j ( - of + -p ) ) ( 2 - 3 ) 式中， a为 发射信号的 幅 度值;c o o , op 分 别为载 波频率 和相 位。 它的实信号为: s ( t ) = a s ( t ) p n ( t ) c o s ( w o t + (a ) ( 2 - 4 ) 该信号经过传输信道到达接收机，接收机除接收到发射信号 s , ( t ) ( 没有考 虑传输产生的 延迟和损耗) 外， 还有传输信道中的 各种干扰j ( t ) 和噪声n ( t ) . 如 果 假 设 射 频 滤 波器 是 带 宽 为b 2 、 且 无 衰 减的 理 想 滤 波 器， 使 射频 信 号 无 失 真 通 过。 这样接收机接收的信号: u ( 小 s ( t ) + j ( 小 n ( t ) = a s ( t ) p n ( t ) e x p ( j ( - a t + p ) ) + j ( t ) + n ( t ) ( 2 - 5 ) 该 信 号 经 本 地 载 波 2 e x p (- j 恤 t + 乒 解 调 ， 再 经 本 地 扩 频 编 码 p n 一 0 做 解 扩处理后，得到: 数字化扩频测控系统设计及其实现 w ( t) 一 a s ( t ) p n ( t ) p n ( t - z ) -e x p ( j ( ro ot + ,p ) ) 2 e x p 卜 ， ( 。 ， + ， ) ) + j ( t ) p n 一 r ) -2 e x p ( - j ( to t + rp ) ) + n ( t ) p n 一 r ) . 2 e x p ( 一 ， ( 。 ) + ， ) ) ( 2 - 6 ) 上式可简化为: 砷) = - 1 w+ - 2 w+ i w( 2 - 7 ) 其中: w , ( ，) 一 a s ( t ) p n ( 1) p n ( t - z ) -e x p ( j ( % t + q, ) -2 e x p ( 一 、 ( 。 ， + ， ) )(2 -8 ) 协”认“” - 2 t 1 一 j (t ) p n (t 一 许2 e x p (- j (w t 十 ， w , (t ) = n (t ) p n (t 一 z ) - 2 e x p c 加.t 十 ， 显 然， w , (是 接 收 机 对 发 送 来 的 扩 频 信 号 的 解 扩 结 果 ; ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) w z w20是 本 地 伪 码 对 外 部 干 扰 信 号 做 扩 谱 的 结 果 ; w 3 ( t ) 是 本 地 编 码 信 号 与 噪 声 的 相 乘 项。 频 谱 变 化 示 意 如图: 热噪声电平n ( t ) 图2 . 7 受干扰后的 扩频信号频谱及干扰信号 频谱 图2 . 8 解扩后的 扩频信号频谱和千扰信号频谱 这些信号送往基带滤波器， 这个基带滤波器是带宽为b i ， 传递函 数为h ( t ) 的窄带滤波器，它的输出是: 第二章系统实现的理论分析 , ( t ) =f - h (t 一 a ) w (a )d a v , (t ) + v , ( t ) + v 3 ( t ) ( 2 - 1 1 ) 其中: v , (t ) 一 f : h (t 一 。 ) . . , (a ) -d . (2 - 1 2 ) 2 (t) = f h (t 一 。 ) - w 2 (a ) - d a ( 2 - 1 3 ) v ; (t) 一 f . h (t 一 。 ) - w , (a ) - d a (2 - 1 4 ) 如果， 传输信道是没有噪声、没有干扰的理想信道， 经过接收机解扩、 基带 滤波后的输出仅v 一 项，即 v ( l ) 一 fh ( t - a ) -a s ( a ) p n ( a ) p n ( a 一 : ) e x p ( j ( m aa + ,p ) ) - 2 e x p ( - j ( ca a + ,p ) ) -d a ( 2 - 1 5 ) 基带 滤 波器是窄带， 截止 频率f 5 远小于 射频w o ， 因 此， 上 式中 的高 频分量能 完 全 滤除，得 v ( t ) 一 h ( t - a ) a s ( a ) p n ( a ) p n ( a 一 : ) 2 e x p ( j ( 、 一 。 ) a + ( ， 一 ， ) ) ) d a ( 2 - 1 6 ) 它的实信号为: v ( t ) 一 厂 h ( 一 a ) a s ( a ) p n (a )p n。 一 r ) c o s ( ( 、 一 ) 。 + ( ， 一 ， ) ) d a ( 2 - 1 7 ) 当 扩频测控系统的 接收 机对接收信号 进行载波 ( 口 = 2 丫 ) 提取时， 需要同 时 提取多普勒频率， 假设多普勒频率为(v d = 2 ) zf d 。 则卫星的径向运动速度为: ( 2 - i 8 ) 其中: c 为无线电 波的传播速度 ( 光速) : v为卫星运动速度的径向分量: f o 为发射机载频。 当 本地载波与 输入 载 波的 频率、 相 位完 全一致， 即万二 山 。 : 乒= 价 时。 接收 机与发射机完全同步。则上式变为: 数字化扩频测控系统设计及其实现 v ( t ) 一 厂 h ( 一 a ) a s ( a ) p n ( a ) p n ( a 一 : ) d a ( 2 - 1 9 ) 上 式 中 ， p n ( t ) 为 发 射 扩 频 码; 接 收 机 用 与 发 射 端 结 构 相同 的 本 地 扩 频 码p n ( t ) 对 接 收 信 号 进 行 解 扩; 假 设 伪 码 从 发 射到 接 收 经 过了l 个 整 周 期 ， : 介 f d 则 d ( t ) 信 号 的 全 部 频 谱 均 可 无 失 真 地 通 过 ， 仅 时 延s 。 所以 ， v ( ， ) = ch ( t - a )a s ( a ) d a = a s ( t - ,6 ) ( 2 - 2 1 ) ，使系 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) e 夕1吐eel 一一 、.少 f 了.、 h 第二章系统实现的理论分析 这 样 ， 就 完 全 获 得 发 射 来 的 信 息 数 据、 ( t ) ， 又 实 现 了 数 据 的 准 确 接 收 。 以 上分析结果表明， 只要接收机射频滤波器是带宽为b 2 的 理想线形滤波器， 载波提取过程中能准确提取和消除多普勒频率，载波相位也能实现同步，根据多 普勒频率就可以实现测速功能; 通过比 较伪码同步时发射端与接收端伪码相位差 又可以完成测距功能。 当基带滤波器是带宽为b ， 的理想滤波器， 上面讨论的扩频 测控系统又可以实现可靠的通信功能。 2 . 3 双速扩频测控系统原理 宇航技术的发展，要求雷达能对深空物体精确测距， 而且7 要求雷达有很大 的测距范围，且要求雷达对高速运动物体测距有快速反映能力 ( 即尽量小的捕获 时间) 。 使用上节介绍方法测距， 要测量距离增大， 在发射带宽一定的情况下 ( 即 t一定) ， 必须增加伪码周期长度， 伪码周期长度增加扩频码的捕获时间 就越长， 反应速度自 然就下降。 为了 解决这个问 题， 有各种不同的方法提出， 利用两个扩 频序列的复合序列作为扩频序列的方法是最典型的。近年， 在这基础上提出了 利 用两个不同 速率的扩频序列的合成序列来进行扩频测量的双速扩频序列雷达测 距2 5 1 的 方法。 双速扩频测控系统使用两个伪随机扩频序列。 一 个高速扩频序列和 一个低速扩频序列。假设产生高速伪随机码移位寄存器的级数为 n ，则此序列长 度 为 2 ” 一 ， 如 码 片 宽 度 为 兀 ， 则 高 速 伪 随 机 序 列 的 周 期 为 几二 李 一1 又 。 假 设 产生 低速伪随机码的 移位寄 存器的级数为 m ，则低速序列长度2 0 - 1 ， 码片宽 度 为 m t . ， 低 速 序 列 周 期 为 t l 一 (2 - 一 i t 。 由 这 两 个 扩 频 序 列 可 以 组 成 复 合 序 列 ， 码片宽 度为t， 周期为 t 一 l c m (2 - 1 , (2 - - 1 卜 延( 2 -2 7 ) l c m (x , y ) 是 取 x , y 的 最 小 公 倍 数 。 如 果 2 - ， 和 华 。 一 1 卜互 质 ， 则 复 合 序 列 的周期为: t = 沙- 1 卜 m - 1 *. (2 -2 8 ) 因此，系统的最大测量距离为: d _ _ . = 1 c (2 - 1 y 2 ， 一 i )m t . 2 数字接收 机在一 个伪码周期内 对伪码进行积累， 最大捕获时间: 界 二 = m a x t y m .几， 高速扩频码最大捕获时间: ( 2 - 2 9 ) 采用串行搜索方法，那么， ( 2 - 3 0 ) t h c _一 t h 扮一 ， ) 二 份一 i y t , 但- 3 1 ) 数字化扩频测控系统设计及其实现 低速扩频码最大捕获时间: t . . = t r. (2 m 一 1 ) 一 (2 m 一 1 ) 2 m t ,( 2 - 3 2 ) 选择适当的捕获环路滤波常数，可以 使两路伪码的捕获时间基本相等，从而 使系统的灵敏度比 较高，这样可以 对快速运动目 标做出反应。 2 . 4 小结 本章介绍了两种伪码测距方法。 对于单码测距来说， 原理和结构都比较简单， 实现起来也容易，但测量距离有限;而且测量距离与系统的灵敏度矛盾，要想增 加测量距离如果不增加硬件消耗就要牺牲系统的灵敏度。 而双速扩频克服了单码 扩频的很多缺点， 例如测量距离可以 很大，可以 对快速运动目 标做出反应等。 论文期间，硬件实现的测控系统是双速扩频测控的一个特例 ( 当m= 1 时) 。 它也是采用两个周期长度互质的扩频序列，但两个扩频序列的速率是相同的。 这 样作同样具有:测量距离远、可以对快速目标反应等优点。 第三章 扩频测控系统的基本原理 第三章扩频测控系统的基本原理 3 . 1 扩频测控系统的基本要求 某扩频测控系统要求实现双码对高速运动目 标 ( 例如卫星)的测速、测距。 即要求载波提取时考虑多普勒影响，能够高动态范围的实现多普勒频率的提取和 消除。实 现伪码快速捕获和比 较精确 () 分之一码片)的 跟踪。 失锁后能 够快速 重捕。 根据要求，系统包括发射和接收两的部分，其中发射部分包括信号产生和 噪声产生两部分:接收部分包括中频滤波放大和数字化处理两部分。本文主要涉 及数字化接收处理部分。 系 统调 制方式 要 求采 用q p s k ， 两 个伪码 序列 选用m序 列， 且两个 序列的 周 期是互质数， 扩频方式要求采用直接序列扩频方式。 要求接收机有较大的多普勒 捕获范围， 能够对较大的多 普勒变化做出反应。 系统除了实现目 标测速、 测距外， 还要求有一定的数据传输能力。 在项目 进行的前期，首先对系统进行了全面的理论仿真， 使系统实现的可行 性得以验证，并得到了所需要的一些系统设计参数。下面结合仿真来建立系统的 数学模型。 3 . 2 伪码选取的原则和距离计算方法 系统实现要求扩频码型为两个m序列， 根据测量距离以及捕获的最大时间等 因素考虑，长度选为5 1 1 和1 0 2 3 。 伪码序列的速率都为5 mh z o 3 . 2 . 1 m 序列及其相关特性 所要产生的m序列也就是最长线性移位寄存器序列， 是伪随机序列中最重要 的 序列中的一种， 它容易产生， 有优良 的自 相关特性。 在这个系统中 用来扩展要 传 递 的 信 号 。 m序 列 是 由 移 位 寄 存 器 加 反 馈 后 形 成 的 。 假 设 a , _ , ( i = 1 , 2 , 3 . . . , r ) 为 移 位 寄 存 器中 每 位 移 位 寄 存 器 的 状 态: c , ( i = 1 , 2 , 3 . - - , r ) 是 对 应 于 第i 位寄 存 器 的 反 馈 系 数。当 c , = 0 时， 表 示 无反 馈; 当c ; = 1 时， 表示 有 反 馈。 在反 馈移 位寄 存 器中 c o = c r = 1 , c o 不 能 为。 ， 因 为当c o 为0 时， 没 有反 馈， 构 不 成 周 期 序列。 c r 也 不能为0 ， 因为 如果c ， 为0 , r 级的 反 馈移位寄 存器 将变成r - 1 或者 更低的 反 馈 移 位 寄 存 器 。 当 c ; i = l , 2 , 3 - - - , r 取 不 同 值 时 ， 就 有 不 同 的 反 馈 逻 辑 ， 将 产 生 不 同 数字化扩频测控系统设计及其实现 的移位寄存序列。 对于一个反馈移位寄存器来说，反馈逻辑一确定， 产生的 序列就确定了。移 位寄存器第一位的下一个时刻的状态是由此时的r 个移位寄存器的状态反馈后共 同确定的，即: a 二c , a n _ i +c z a , - 2 +c a _ 3 +. . . +c r a n - . 一 1 c ;a ，一， ( 3 - 1 ) 其对应的特征多项式为: f x = 艺c ; x c a =c , = 1( 3 - 2 ) 当反馈系数按一定规则确定后，移位寄存器结构就确定了。 例 如 对 于r = 7 的 移 位 寄 存 器 ， 反 馈 系 数 为 ( 3 2 5 ) 。 二 ( 1 1 0 1 0 1 0 1 ) 。 的 序 列 ， 对 应 的特征多项式为: f ( x ) 一 l + x + x 3 + x 5 + x 对 于 上 面 的r = 7 的 伪 码 ， 其 镜 像 序 列 的 反 馈 系 数 为 ( 2 5 3 ) 。 = ( 1 0 1 0 1 0 1 1 ) , ( 3 - 3 ) ，对 应的特征多项式是: f ( x ) = 1 + x z + x a + x c + x ( 3 - 4 ) 正是因为伪码序列存在镜像序列，所以系统实现时要注意发射端与接收端伪 码序列应该完全相同。当反馈系数确定之后，要搞清楚序列流向，如果把序列流 向弄倒，就会把所要的序列错误换成它的镜像序列。 这样接收端伪码与伪码不相 关，也就捕获不到发射端的 伪码。 由 于 反 馈 系 数 c ; ( i = 1 , 2 , 3 . 二 ， r ) 和 移 位 寄 存 器 初 始 状 态 a - , i = 1 , 2 , 3 . 二 ， ; ) 的 取 值不是任意的， 因此， 给定级数r 的移位寄存器能够产生的m序列的条数是有限 制的. 对于本系统所采用的伪码长度为5 1 1 和1 0 2 3 的m序列，产生这两个序列 所要的 移位寄 存器级数分别为9 和 1 0 。 而这样的移位寄存器分别可以 产生的m 序列个数为4 8 条和6 0 条。要从这么多条m序列中选出 两条长度分别为5 1 1 和 1 0 2 3 的 伪码， 就要遵循一定的原则: 首先要求两个伪码各自 具 有良 好的自 相关性; 而且两个伪码具有很差的互相关性， 对于两个长度不同的伪码应该具有尽量差的 部分互相关性。 周 期函 数 : ( t ) 的自 相 关 函 数 定 义 为: 第三章 扩频测控系统的基本原理 尺 ( ) 一 t t 2 s (t (t + r ) d r ( 3 - 5 ) t 是s ( t ) 的 周 期。 对于取值为 “ 1 和 “ 0 ”的二进制码序列，自 相关函数值为 r ( j ) = z- ,x ,+ , ( 3 - 6 ) 其相关系数为; ， (、 ) = _1 nn一 ，一 a一d n ( 3 - 7 ) 式 中a 一序 列 ! 、 与 移 位 序 列 a n + j 在 一 个 周 期 内 对 应 元 素 相 同 的 数 日 。 d 一序 列 、 与 移 位 序 列 、 十 ， 在 一 个 周 期 内 对 应 元 素 不 相 同 的 数 目 。 n 一 序 列 a n 的 周 期。 上 式 中 的a 相当 于 两 个 序 列 中 对 应 位 异 或 运 算 后 的 “ 0 ” 的 个 数 ( x ; . x ;+ ; 一 0 ) , d 相 当 于“ 1 ” 的 个 数( x , ( d x ,+ ; = 1 ) ， 则 式( 3 - 7 ) 可以 改 写 成 : p ( j ) 一 与( 、 。 、 + ， 一 。 的 个 数 ) 一 ( x ; 。 二 、 ， 二 1的 个 数 ) (3 -8 ) w ”一“ 由 m 序 列 的 移 位 相 加 特 性 ， 序 列 a n 与 移 位 序 列 、 + ， 异 或 后 仍 然 是 m 序 列 假 设 为 气 + ， 。 故 上 式 分 子 就 等 于m 序 列 一 个 周 期 内“ 0 ” 的 个 数 与“ i ” 的 个 数 的差值，由m序列的均衡性可知 “ 1 ”比 “ 0 多一个，故有: p m= 一 李 丹 j = 1 , 2 , 3 ， . . . . . . , m一 1 .( 3 - 9 ) 当 j = 0 时 ， 显 然p ( 0 ) = 1 。 所以， m序列的自 相关系数为 j“0 j#0 ( 3 - 1 0 ) 11-n 一 rl，ise 一一 、.矛 .了 了.、 p 数字化扩频测控系统设计及其实现 3 . 2 . 2 m 序列的选取 所以对于m序列来说，自 相关特性都是很好的。 所以选码时关键是看短码与 长码的部分互相关 设 短 码 为 a， 长 码 为执 ， 这 两 个m 序 列 的 部 分 互 相 关函 数 定 义 为: r 。 一 告 f t12t12 一 (t , ( 一 ) “ ( 3 - 1 1 ) t 是 短 码 a 的 周 期 相关系数同样可以表示为: p ( ，)= a一d x i x ,. i = 一 n ( 3 - 1 2 ) 刀2闺 1一n 由 于 短 码 a 与 长 码 b 相 关 时 ， 长 码 b没 有 取 够 一 个 周 期 ， 所 以 这 样 异 或后得到的不是m序列。 所以不会出现m序列自 相关时相关系数的二值性。这 也就需要依据上面公式对部分互相关值进行计算，找出部分互相关值较小的那一 组伪码。 对于长度为5 1 1 和1 0 2 3 的伪码， 用m a t l a b对m序列的部分反馈系数 进行仿真计算，列表如下: 表3 . 1 两路伪码部分反馈系数互相关 值 5 1 1 翎 3 2 0 1 12 0 3 32 1 5 72 4 4 32 7 4 53 4 7 1 1 0 2 11 4 51 4 61 4 11 4 41 4 51 4 1 1 0 5 51 5 21 4 81 5 01 5 11 5 01 4 9 1 1 3 11 4 91 4 51 4 91 5 01 4 81 4 9 1 1 5 71 5 11 4 91 4 51 5 11 4 81 5 0 1 1 6 71 4 51 5 0 1 4 71 4 8 1 4 51 4 9 1 1 7 51 4 61 4 91 5 31 5 11 4 81 4 8 表中第一行是周期长度为 1 0 2 3伪码的六个反馈系数，第一列是周期长度为 5 1 1伪码的六个反馈系数，表中是它们部分互相关的最大值，可以看出，部分互 相关值中的最小值是1 4 1 ， 满足最小条件的伪码有两组， 分别是: 长度1 0 2 3 伪码 反馈系数是3 4 7 1 时， 长度5 1 1 伪码系数是1 0 2 1 ; 长度1 0 2 3 伪码反馈系数是2 1 5 7 时，长度5 1 1 伪码系数是1 0 2 1 。任意选择其中一组 ( 3 4 7 1 1 0 2 1 ) 。也就是: 5 1 1 伪码对应的反 馈系数为: 1 0 2 3 伪码对应的反馈系数为: ( 1 0 2 1 ) 0 = ( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 ) , ( 3 4 7 1 ) 。 = ( 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 天 很容易根据上面的反馈系数得到对应的反馈移位寄存器结构。 第三章扩频测控系统的基本原理 ai aa1 aal a 输出 9 1 8 1 7】65 1 9a 3 a z a , 图3 . 1 5 1 1 伪码反馈移位寄 存器结构 a o i a 9 i a s i a 7 1 a 6 1 a , l a 4 i a , l a 2 1 a , 输出 图3 .2 1 0 2 3 伪码反馈移位寄存器结构 另外，为了确定伪码周期起始点，发射端与接收端需要约定一个移位寄存器 初始值，这一方面作为初始值，另一方面作为确定伪码起始点的标志。这里约定 5 1 1 伪码移位寄存器初始值为: ( a 9 i a s a , ,a 6 ia . , a 4 i a 3 .a 2 ia ,) 一 ( ， ， ， ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ) 1 0 2 3 伪码移位寄存器初始值为: (a lo ,a v ,a .,a 7 ,a , a 5 ,a a la , a 2,a ,) ( 一 ，一 ， ，一 ， ， ， ，一 ，一 ，一 ) 3 . 2 . 3 测量距离的计算 发射端和接收端两路伪码的因为寄存器初始值约定之后。在系统设计时，使 发射端在两个移位寄存器的 值分别等于两个移位寄存器初始值矢量时， 发射端就 分别发送一个起始脉冲，接收端根据这个脉冲知道发射端伪码当前的相位，再根 据接收端的当前同步的伪码相位就可以 确定发射端与接收端因为信道传输而产 生的相位差。 根据相位差就可以 计算距离，下面说明 计算距离的一 种方法。 假设，两个周期长度互质的伪码的周期分别为l 和m，其中l m。 码片宽 度都为tc。则由这两个伪码实现的系统，可以测量的最大距离为: 、 一 粤 l x m x 兀 x c( 。 为 光 速 ) 乙 ( 3 - 1 3 ) 在发射端， 长码l 和短码m在各自的起始时刻都会发送起始脉冲给接收端。 数字化扩频测控系统设计及其实现 接收端在每次发射端的长码起始脉冲到来时提取测距信息。 设从发射端长码起始 脉冲到 来的时 刻开始到 第一 个短码 起始脉冲到 来的时 刻 结束， 中间 经过t , 个相 位 ( 根 据系统测量精 度不同， t , 可以 是整数， 也可以 分数) ， 接收 端在长 码起始脉冲 到来时刻，记下同步的长码的相位和同步的短码的相位，并根据这两个相位分别 计 算出 它 们与 各自 约定 的 起 始 相 位的 差 值， 分 别 计为 计 为t z 和t 3 。 且 假设 长 码从 发射到接收经过了k , 个整周期， 短码从发射到接收经过了h个整周期。简单示 意如图3 .3 : l l l 2 图3 3 距离计算示意 长码走过的整周期数k . 与短码走过的整周期数k 2 有下列关系: ( 【 i 表 示 取 整 运 算 ) ( 3 - 1 4 ) 一 无二 l一m - 气 又 有 关 系 :( 杭 l + 兀 ) 兀 = ( 不 + 气 m+ t 3 ) t , 由上面两个关系式可以得到: ( 3 - 1 5 ) k , “ t , + t 3 一 m一 t i. ll l一m x1 i l m ( 3 - 1 6 ) k 2 = (: + : 一 : 卜 ml ; 一 五 _ ， ll l一m x1 i l m ( 3 - 1 7 ) 所以，距离 第三章 扩频测控系统的基本原理 “ 一 合 (、 “ 斗 t z) x t 二 或d = 工 ( : + k , m + t , ) x t 、 。 2“ ( 3 - 1 8 ) 下面讨论如何获得伪码相位参数值。 测距系统中，两个长度互质的 伪码， 长度是知道的，即知道l和m。主要是 如 何获 得不 、t和t 3 0 可以设定提取伪码相位信息的时刻是长码起始时刻。这样当长码起始时刻脉 冲到来时，同时进行三个动作: a 、 启动一个计数器， 计数到短码起始脉冲到来时锁存计数器输出， 然后 计 数 器 清零， 等待下 一个长 码起始脉冲。 锁 存的 计 数 器输出 就是不 。 b , 锁存长 码同 步 相 位， 得到t。 c , 锁存短码同 步 相位， 得到t 3 a 知 道了不 、兀和兀， 以 及l 和m后， 带入 上面 距离 公式就可以 得到 距离。 例如:对于长度为 5 1 1和 1 0 2 3的两个伪码( 即 l = 1 0 2 3 ,m = 5 1 1 ) ，当 不 = 5 1 0， 兀= 1 0， 兀= 1 4。 时， 带 入 上 面 公 式， 可以 计 算 得到: k , = 5 1 0 +1 4一5 1 1 一1 0 f 1 0 2 3 1 l u lz.t 一m i xl 1 l 5 1 1 ( 3 - 1 9 ) ( 5 1 0 + 1 4 一 1 0 ) x 1 0 2 1 1 l 5 1 1 j 一1 0 2 3 = 一 一 一 一 一 生姿二二只二一=5 x 1 0 2 3 1 l5 1 1 ( 3 - 2 0 ) 1 0 2 3 一5 1 1 x 速率都为5 m h z ， 码片宽 度就为t , = 2 0 0 n s ，则发射端到接收端经过的 距离: d = ( k ,l + t z ) x t , x c l 2 = 生 ( 3 x 1 0 2 3 + 1 0 ) x 2 0 0 n s x 3 x 1 0 8 m / s 2“尹k j - = 9 2 3 7 0 m 数字化扩频测控系统设计及其实现 3 . 3 发射波形的产生 数字调制技术的等效低通发送信号具有形式: u ( t ) = 艺h g ( 一 n t ) ( 3 - 2 2 ) 式 中 ， 毛 i 表 示 要 发 送的 离 散 信 息 符 号 序 列。 g ( 0 是 一 个 脉 冲 且 假定 具 有 带 限 的 频 率 响 应 g ( f ) ， 即 当 f l w ( w是 信 道 允 许 带 宽 ) 时 g ( f ) = 0 o 这 个 信 号 通 过 信 道 传 输， 信 道 的 频 率 响 应c ( f ) 也 限 于 f l _ w范 围 。 则 接 收 信 号 可 以 表 示 为 : r ( t ) = 艺i h ( t - n t ) + z ( t ) ( 3 - 2 3 ) 式中 h ( t ) 一 皿 g ( r ) c ( t - r ) d r (3 -2 4 ) 而: ( t ) 表 示 加 性 高 斯白 噪 声 。 如果接收机信号首先通过一个滤波器， 然后以速率1 / t( 符号砂 ) 抽样。 接 收滤波器的输出表示为: ， ( ， ) = 艺i x ( t - n t ) + v ( t ) ( 3 - 2 5 ) x ( t ) 表 示 接 收 滤 波 器 对 输 入 脉 冲城 ) 的 响 应 。 0 ( t ) 是 接 收 滤 波 器 对 噪 声 的 信 道 传 输 延 时 为r q 。 在， = k t + r o k = 0 , 1 , 2 - 二