偽碼調(diào)相多普勒定距原理及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法

阿依夏木·力提甫

（新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

偽碼調(diào)相多普勒定距原理及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法

阿依夏木·力提甫

（新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

偽隨機(jī)碼具有良好的隨機(jī)特性，它的自相關(guān)函數(shù)跟白噪聲的自相關(guān)函數(shù)特征相類似，具有較窄的相關(guān)峰值和較寬的功率譜密度，使它易于從其他信號(hào)或干擾中分離出來(lái)。文章首先介紹軍事和國(guó)防事業(yè)上廣泛使用的偽碼調(diào)相多普勒定距原理，其次研究給定參數(shù)條件下的多普勒定距算法，算出來(lái)的參數(shù)對(duì)其Simulink仿真模型提供合理的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。最后，提出偽隨機(jī)碼調(diào)相多普勒定距系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法。

偽隨機(jī)碼；自相關(guān)函數(shù)；合理參數(shù)集

在整個(gè)電子設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真是耗時(shí)最多的工作，也是占用資源最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于帶參數(shù)的仿真項(xiàng)目，其所有可能的參數(shù)有一個(gè)范圍。選擇出合理的具有代表性的參數(shù)子集，可以提高仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性和有效性。

目前對(duì)于偽隨機(jī)碼自相關(guān)函數(shù)模型參數(shù)選擇方面的研究并不多見(jiàn)，并不存在一個(gè)通用的、研究參數(shù)之間關(guān)系和參數(shù)選擇的方法。當(dāng)前大多數(shù)參數(shù)的選擇是根據(jù)檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確定。

文章通過(guò)偽碼調(diào)相多普勒定距系統(tǒng)詳細(xì)分析了定距原理并確定了具體的參數(shù)，這些參數(shù)在搭建系統(tǒng)仿真模型時(shí)具有很高的參考價(jià)值。

1 偽碼調(diào)相多普勒探測(cè)器的工作原理

常用的探測(cè)器種類繁多，其組成結(jié)構(gòu)也各不相同，但是各類探測(cè)器的工作原理大同小異，即任何一種探測(cè)器，必須由發(fā)送端到接收端，并且有相應(yīng)的檢測(cè)方法。在建立仿真模型時(shí)必須要考慮從發(fā)送端到接收端的整個(gè)信號(hào)處理過(guò)程，即發(fā)送端的信號(hào)調(diào)制過(guò)程和接收端的解調(diào)和信號(hào)處理過(guò)程。文章中的偽碼調(diào)相探測(cè)器是由調(diào)相器、載波振蕩器、偽碼產(chǎn)生器、延時(shí)器、混頻器、恒虛警放大器、信號(hào)處理電路和收、發(fā)天線等部分組成，其原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 偽碼調(diào)相多普勒探測(cè)器原理框圖

2 偽碼調(diào)相多普勒信號(hào)分析

按照?qǐng)D1所示的原理框圖，觀察各個(gè)模塊上信號(hào)的變化情況，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，為仿真模型尋找合理的參數(shù)集。

偽碼調(diào)相探測(cè)器的發(fā)射信號(hào)可以表示為：

上式中，At為發(fā)射信號(hào)的幅度；ω0為載波角頻率；m(t)為偽隨機(jī)m序列，作為二值序列其值為1或-1，At的值為任意值。

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)反射回來(lái)后幅度會(huì)發(fā)生變化，偽隨機(jī)碼有時(shí)間延遲，載波角頻率會(huì)受多普效應(yīng)的影響［1］，則回波信號(hào)可以表示為：

式中，Ar為回波信號(hào)的幅度；τ0為反射信號(hào)的時(shí)間延遲；ωd為多普勒頻率。

根據(jù)反射回來(lái)的信號(hào)情況，反射信號(hào)的時(shí)間延遲τ0用下式［1］計(jì)算：

以上τ0的表達(dá)式中，R為發(fā)射端和接收端之間的距離，Vt為目標(biāo)對(duì)于探測(cè)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（徑向速度），c為光速，其值為c=3×108m/s。

假設(shè)選擇的距離為R=30m，徑向速度為Vt=400m/s，載波頻率為f0=108Hz。則按照（3）式可以算出τ0的值：

式（2）中多普勒頻率ωd是由以下兩個(gè)公式推算出來(lái)的結(jié)果：

則根據(jù)所給參數(shù)按照上式（4）可以算出多普勒頻率ωd的值：

設(shè)本振信號(hào)為：

式中，Al為本振信號(hào)的幅度。

載波角頻率ω0為ω0=2πf0=2π×108Hz，則：

式（2）的回波信號(hào)與式（5）的本振信號(hào)相混頻，可得混頻信號(hào)UI(t)：

（4）經(jīng)恒虛警放大限幅處理，得到幅度歸一化的輸出信號(hào)Ua(t)：

選擇低通濾波器的截止頻率時(shí)，必須要保證多普勒頻率完全能夠通過(guò)。一般選擇小于載波頻率、比多普勒頻率大的頻率（如果僅為提取多普勒頻率，則只需比多普勒頻率大即可，一般不大于1倍）［1］。

（5）將偽碼產(chǎn)生器輸出的偽碼序列m(t)進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)量τ主要由系統(tǒng)要求的精度決定，通過(guò)延時(shí)器的偽碼序列Ud(t)為：

（6）將Ua(t)和Ud(t)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)參考文獻(xiàn)［1］得到輸出信號(hào)UR(τ)：

上式（9）中TC為偽隨機(jī)碼碼元寬度，N為碼元個(gè)數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)相乘可以算出偽隨機(jī)序列一個(gè)周期的長(zhǎng)度。由于，在一個(gè)偽碼序列周期內(nèi)，多普勒信號(hào)的幅度基本不變，故多普勒信號(hào)可以移到積分符號(hào)外，參考文獻(xiàn)［1］故：

式中R(τ-τ0)是自相關(guān)函數(shù)。當(dāng)τ0=τ時(shí)，R(τ-τ0)取得最大值。τ與t的關(guān)系為：

Vr為徑向速度。碼字頻率fN由偽隨機(jī)碼碼元寬度TC和碼元個(gè)數(shù)N來(lái)確定：

3 偽隨機(jī)碼調(diào)相多普勒定距系統(tǒng)的參數(shù)選擇原理

根據(jù)原理框圖和對(duì)信號(hào)處理過(guò)程的分析可知，偽隨機(jī)碼調(diào)相多普勒定距過(guò)程需要幾項(xiàng)參數(shù)，合理選出這些參數(shù)有利于縮短仿真過(guò)程所需的時(shí)間。這些參數(shù)具有密切的相關(guān)性，準(zhǔn)確把握各項(xiàng)參數(shù)間的關(guān)系對(duì)于能否順利運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)是極其重要的。這些參數(shù)的選擇方式如下：

（1）偽隨機(jī)碼碼元寬度N：其長(zhǎng)短決定偽隨機(jī)序列的周期長(zhǎng)度。一般取值范圍為50ns-100ns，選擇小于50ns或者大于100ns的寬度會(huì)造成周期過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響仿真速度和失真度。

（2）反射信號(hào)的時(shí)間延遲τ0：由設(shè)備性能決定，時(shí)間延遲越短越好。

（3）R為發(fā)射端和接收端之間的距離：通常定距實(shí)驗(yàn)的實(shí)際距離較長(zhǎng)，仿真實(shí)驗(yàn)一般選取30-100米，可以選擇更長(zhǎng)距離，距離越長(zhǎng)仿真需要的時(shí)間越多。

（4）Vt為目標(biāo)對(duì)于探測(cè)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（徑向速度）：由目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度決定。

（5）低通濾波器的截止頻率f：從混頻信號(hào)中濾除高頻成分，在提取多普勒頻率成分時(shí)需要選擇的頻率，一般選擇小于載波頻率、大于多普勒頻率。

在做Simulink仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要調(diào)試的另外一個(gè)參數(shù)是運(yùn)行時(shí)間。時(shí)間參數(shù)的單位為ns，頻率參數(shù)單位為MHz，因此調(diào)試的運(yùn)行時(shí)間要非常短，一般為0.1s-1s，才能夠保證觀察提取的多普勒信號(hào)一個(gè)完整的周期。若時(shí)間太長(zhǎng)，則結(jié)果會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)重復(fù)的周期；太短，則得不到完整的周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了偽隨機(jī)碼多普勒定距系統(tǒng)的工作原理，并通過(guò)對(duì)信號(hào)處理過(guò)程的分析確定了影響系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。合理選擇參數(shù)是偽隨機(jī)序列多普勒定距系統(tǒng)正確定位的關(guān)鍵。文章的參數(shù)選擇方法和參考范圍對(duì)加快仿真速度、提高提取信號(hào)質(zhì)量、短時(shí)間內(nèi)調(diào)試系統(tǒng)等方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］阿依夏木·力提甫.偽碼調(diào)相多普勒定距信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)與仿真［D］.南京理工大學(xué)碩士論文，2012：20-45.

［2］阿依夏木·力提甫.偽隨機(jī)m序列自相關(guān)函數(shù)的Simulink仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012：31（4）：50-53.

［3］阿依夏木·力提甫.偽碼調(diào)相系統(tǒng)的Simulink仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（4）：39-42.

［4］涂友超.典型偽碼體制引信參數(shù)提取及干擾效果研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010：1-35.

［5］樊昌信.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：187-190.

［6］張居正.偽隨機(jī)碼調(diào)相引信原理及設(shè)計(jì)［J］.制導(dǎo)與引信，2000，（3）：1-7.

［7］夏冠云.偽碼調(diào)相完距系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究［D］.南京理工大學(xué)，2007:5-30.

Pseudorandom Code Phase M odu latio Dopp ler Distance Princip le and Param eter Designing M ethod

AYIXIAMU·Litifu

（CollegeofPhysicsand ElectronicEngineering,Xinjiang NormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China）

The pseudo-random code hasgood randomness,itsautocorrelation functionwith thewhite noise autocorrelation function is similar to thatwith narrow correlation peak and wide peak power spectral density,so it is easy to separate from the other signals or interferences.This paper first introduces the pseudo random code Doppler distance principle,whichwidely usedmilitary careerand the nationaldefense affairs.Then studies the parametersof Doppler distance determining algorithm,parameters calculated to provide reasonable experimental basis for the Simulink simulationmodel.Finally,put forward the selectionmethod of parameters from pseudo-random code phase miduclatio Dopplersystem.

Pseudo-random code;Autocorrelative function;Reasonable parameterset

O454

A

1008-9659（2016）04-0057-04

2016-10-20

新疆師范大學(xué)優(yōu)秀青年教師科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（XJNU201418）。

阿依夏木·力提甫（1980-），女，新疆吐魯番人，講師，主要從事電子信息專業(yè)目標(biāo)探測(cè)與控制方向的教學(xué)與研究。