基于PN序列抽取的偽碼調相引信信號處理研究*

張慶輝，劉明友，向云強

(1河南工業(yè)大學信息科學與工程學院，鄭州 450001;2防空兵學院，鄭州 450052)

0 引言

偽碼調相引信運用距離相關器和包絡檢波器，能在強干擾環(huán)境下直接測量目標距離。該類引信測距分辨率比較高，一般為 0.5～5m，由所使用的 PN(pseudorandom noise)序列的位寬所決定[1]。然而，PN序列的位寬越小，要求ADC的采樣頻率越高(典型的采樣率為30～300MHz)?？紤]到高采樣速率對系統(tǒng)其它指標帶來的較高要求，比如動態(tài)范圍和DSP的處理速度，用現(xiàn)有的元器件難以構建一個理想的數(shù)字化引信系統(tǒng)。鑒于此，文中在該類引信中引入抽取技術，運用抽取PN序列的原理減少了對ADC采樣率和數(shù)字硬件處理速率的要求，構建一個帶有抽取數(shù)字相關器的引信回波處理系統(tǒng)。

1 抽取PN序列原理

如果一個偽碼調相引信所用發(fā)射PN序列的位寬設為4m，而期望炸高設為8m，那么接收PN序列需要有4位的延遲[2]。如圖1所示。

圖1 PN序列

若對圖1(b)中的序列進行2倍抽取，則抽取后的序列如圖2所示。

圖2 延遲和抽取后的接收PN序列

從圖2可以看出，對PN序列抽取處理后產生的序列除了相移外，與原始序列相同。但抽取因子 ρ不是任意的，必須與PN序列的長度L互為質數(shù)。對于長度為L的PN序列來說，總共有L/m種不同的序列，其它相同長度的不同PN序列都可以通過用與L互質的ρ抽取該序列獲得。一組ρ對應一種新的PN序列，那么長度L的L/m種不同PN序列就有L/m組ρ。只有當ρ =1，2，4，…，2m－1時(m 是 PN 序列的階數(shù))，所得序列除了可能的相移外，與原始序列是同樣的序列，而且它們有相同的自相關特性。在偽碼調相引信中，用這樣的序列代替抽取前的發(fā)射PN序列進行相關運算，不會影響引信系統(tǒng)的定距性能和干擾抑制性能[3]。

2 基于抽取的偽碼調相引信實現(xiàn)

基于抽取的偽碼調相引信(以下簡稱抽取偽碼調相引信)總體框圖如圖3所示。

圖3 抽取偽碼調相引信總體框圖

射頻信號源通過二進制相位調制器被時鐘頻率為fPN的發(fā)射PN序列所調制。二進制相位調制器的輸出經(jīng)功率放大器被送到發(fā)射天線。該信號為:

其中，相位項φPN與PN序列有關，受二進制相位調制器控制。

接收信號首先通過一個高增益的低噪放大器，以設置接收機噪聲系數(shù)。該信號相對于發(fā)射信號來說，被延遲、衰減和放大，并且由于目標與引信之間的相對運動頻率被偏移fd:[4]

低噪放大器的輸出通過下變頻混頻器和一個來自射頻源的參考信號混頻，被轉換到基帶:

基帶信號有一個中心位于目標多普勒頻率處的PN頻譜。

下變頻混頻器的基帶輸出信號被送到預濾波器，以便在A/D子系統(tǒng)抽取采樣前降低寬帶噪聲。

在非抽取偽碼調相引信中，要求A/D子系統(tǒng)的采樣時鐘頻率fA/D與發(fā)射PN序列的時鐘頻率fPN同步。而文中通過運用抽取PN序列的原理，fA/D實際上只相當于fPN的1/ρ。A/D子系統(tǒng)的輸出信號用yp(t)表示。

信號然后被送到受接收PN序列sρk驅動的數(shù)字相關器。sρk是發(fā)射PN序列sk被ρ倍抽取后的延遲序列。數(shù)字相關器根據(jù)sρk的值，轉換yp(t)的符號位。因此，數(shù)字相關器的輸出是

在沒有干擾和噪聲存在時，在相關的距離上，數(shù)字相關器的輸出是一個純正弦信號，其頻率等于fd。在不相關的距離上，數(shù)字相關器的輸出是受PN序列調制的多普勒頻率，即有一個中心位于 fd處的 PN頻譜。

數(shù)字相關器的輸出被送到一組累加器中，以精確地測量目標距離。累加器1用來在一個接收PN序列的周期內把數(shù)字相關器的輸出累加起來。在每個PN序列間隔的結尾通過檢波器把累加器的幅度提取出來并傳到累加器2。累加器2根據(jù)要求的目標探測積分時間和累加器(低通濾波器)的頻率響應，重復執(zhí)行預定數(shù)量的PN序列間隔。定時模塊給包絡檢波器和累加器2提供適當?shù)亩〞r。當累加器2的輸出信號幅度達到預定的電平時，輸出啟動脈沖，觸發(fā)執(zhí)行級產生引爆信號。

需要說明的是，在抽取偽碼調相引信的實際實現(xiàn)中，數(shù)字相關器的輸出在相關距離上產生一個矩形脈沖，其寬度等于發(fā)射PN序列的位寬。因此，數(shù)字相關器的輸出保持了發(fā)射PN序列的距離分辨率。

3 仿真結果

用systemview塊圖模型對圖3描述的抽取偽碼調相引信進行了仿真[5]。表1中列出了主要仿真參數(shù)。

文中測量抽取偽碼調相引信性能的方法是計算距離響應。

圖4包含4個距離響應，分別是一個非抽取偽碼調相引信響應(ρ=1)和3個抽取偽碼調相引信響應(ρ=2，3，4)。所有的距離響應幾乎都是一致的，除了ρ=3的抽取偽碼調相引信，它對于一個63位的PN序列來說，是一個無效的抽取因子。引信的干擾抑制性能是36dB，它對于63位PN序列的偽碼調相引信來說是一個理想值。

表1 抽取偽碼調相引信仿真參數(shù)設置

圖4 抽取偽碼調相引信距離響應(L=63，ρ=1，2，3，4)

4 結論

文中討論了一種基于抽取PN序列原理的偽碼調相引信實現(xiàn)過程，并通過仿真進行驗證。該方法在保持引信距離分辨率的同時，減小了對A/D采樣速率和DSP處理速率的要求，從而解決了偽碼調相引信數(shù)字化實現(xiàn)過程中的一大難題。該方法的缺陷是降低了信號的信噪比(SNR)。因此，相關過程中需要增加積分時間以提高SNR。

[1]Hogberg，S.W.Decimating pseudorandom noise teceiver[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1999，35(1):338 －343.

[2]曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安:電子科技大學出版社，2004.

[3]張慶輝.偽碼調相引信探測與起爆控制技術研究[D].北京:北京理工大學，2006.

[4]Merrill I Skolnik.雷達手冊[M].3版.南京電子技術研究所，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[5]孫屹.Systemview通信系統(tǒng)仿真開發(fā)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.