m序列在脈沖壓縮雷達(dá)中的研究

高蕊+梁素龍

摘 要：在脈沖壓縮雷達(dá)中發(fā)射信號(hào)的選取至關(guān)重要，通常采用調(diào)頻信號(hào)和相位編碼信號(hào)。偽隨機(jī)序列中的m序列是典型的二相編碼信號(hào)，具有類似白噪聲的性質(zhì)，周期且有規(guī)律。文中對(duì)m序列的自相關(guān)和互相關(guān)特性進(jìn)行仿真，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用給出了具體的生成方式。通過具體參數(shù)的設(shè)定，達(dá)到工程應(yīng)用目的。最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出m序列在雷達(dá)中脈沖壓縮處理流程，實(shí)踐證明在工程中取得良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：m序列；自相關(guān)；互相關(guān)；脈沖壓縮

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study of m Sequence in Pulse Compression Radar

GAO Rui ，LIANG Su-long

（Department of Electronic and Electrical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji，Shaanxi 721016，China）

Abstract：The selection of transmitting signal in pulse compression radar is very important， FM signal and phase coded signal are usually used.The m sequence in pseudo-random sequence is a typical binary coded signal.which has similar white noise properties， periodic and regular.In this paper， the self correlation and cross-correlation characteristics of m sequences are simulated， and give generation mode with engineering application.Through parameter setting， achieve the purpose of Engineering application.Finally， the application of m sequence in the radar pulse compression processing flow， practice has proved good application effect in engineering.

Key words：m-sequence；autocorrelation；auto-correlation；pulse compression；

0 引言

偽隨機(jī)序列由于具有良好的自相關(guān)、互相關(guān)特性在擴(kuò)頻通信中有較廣的應(yīng)用，同樣在雷達(dá)系統(tǒng)中也可以采用偽隨機(jī)序列作為發(fā)射中頻信號(hào)[1]。在二次雷達(dá)中由于其數(shù)量較多，可以通過不同的序列來區(qū)別多個(gè)應(yīng)答機(jī)。確保在雷達(dá)跟蹤過程中雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)準(zhǔn)確的握手。從而完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤獲取方向、速度等信息[2]。需要說明的是，純粹的13位巴克碼盡管其性能良好但沒有實(shí)用意義。除此之外，還有m序列、GOLD序列（是由構(gòu)成優(yōu)選對(duì)的兩個(gè)m序列異或得到）以及各類混沌序列[3]。本文中主要對(duì)典型的二相編碼信號(hào)m序列性能進(jìn)行分析，并給出具體的工程實(shí)現(xiàn)方式。

1 相位編碼信號(hào)

數(shù)字相位編碼調(diào)制是利用載波相位的變化來表達(dá)數(shù)字信號(hào)信息的一種調(diào)制方法，在二項(xiàng)

碼中，通常用相反的相位“0°”或“180°”，來表示數(shù)字信息“0”或“1”。當(dāng)然也可以用“90°”或“270°”來表示。由于相位編碼信號(hào)對(duì)多普勒頻率比較敏感，只適用于多普勒頻率較小的場合。在實(shí)際中可以通過預(yù)調(diào)多普勒的方式來對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈壓運(yùn)算。

2 m序列的生成

1）m序列是由線性移位寄存器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的，由于n級(jí)移位寄存器共有2n個(gè)狀態(tài)，除去全“0”狀態(tài)外還剩下P=2n-1種狀態(tài)。產(chǎn)生m序列的移位寄存器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不是隨意的，m序列周期P也不是任意取值的，必須滿足 P=2n-1。

2）根據(jù)m序列的本源多項(xiàng)式選取適當(dāng)?shù)姆答伋轭^，可以容易的得到相應(yīng)的m序列。具體應(yīng)用中采用Altera公司推出FPGA/CPLD開發(fā)環(huán)境Quartus II[4-5]。由于工程中需要長度為127bit的序列，實(shí)際應(yīng)用中本系統(tǒng)所需的7級(jí)m序列可以在其原理圖設(shè)計(jì)中使用移位寄存器方便的實(shí)現(xiàn)（見圖1）[6]。

3 m序列的特性

m序列是一偽隨機(jī)序列，具有與隨機(jī)噪聲類似的尖銳自相關(guān)特性，以及良好的互相關(guān)特性（沒有明顯的峰值），但它不是真正隨機(jī)的，而是按一定的規(guī)律形式周期性地變化。由于m序列容易產(chǎn)生，規(guī)律性強(qiáng)，有許多優(yōu)良的特性，在擴(kuò)頻通信和碼分多址系統(tǒng)中最早獲得應(yīng)用。但是由于在通信中和雷達(dá)中發(fā)射信號(hào)的要求不同，（通信中常采用連續(xù)波信號(hào)，雷達(dá)中常采用的是脈沖信號(hào)）在具體做自相關(guān)運(yùn)算時(shí)分別采用循環(huán)自相關(guān)和滑動(dòng)自相關(guān)[6-7]。具體的區(qū)別如圖2所示，圖中采用的是127bit的m序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算時(shí)選取了一對(duì)性能較好的m序列進(jìn)行仿真如圖3所示，該序列已經(jīng)應(yīng)用于工程中。通過仿真發(fā)現(xiàn)有的m序列對(duì)之間的互相關(guān)特性不理想，因而不宜作為發(fā)射信號(hào)。

4 雷達(dá)中的脈沖壓縮

雷達(dá)是通過對(duì)回波信號(hào)作一些相應(yīng)的處理來識(shí)別復(fù)雜回波信號(hào)中的有用信息。為了能達(dá)到要求的距離分辨率，必須提高發(fā)射信號(hào)的有效帶寬，通常采用脈沖壓縮的方式。所謂脈沖壓縮，就是將發(fā)射時(shí)的寬脈沖，通過匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮，輸出窄帶脈沖信號(hào)，使雷達(dá)提高檢測能力的同時(shí)又不降低距離分辨率[8-9]。

通過反饋抽頭的選取，假定由7級(jí)移位寄存器產(chǎn)生127位m序列，且碼元寬度為0.2 us，即總時(shí)長為25.4 us。當(dāng)頻率為39.4 kHz時(shí)，不能通過自相關(guān)運(yùn)算進(jìn)行脈沖壓縮（無法得到尖銳的峰值）。具體仿真如圖4所示。通過時(shí)間軸解析峰值從而獲取距離信息。通過頻率軸解析多普勒信息從而達(dá)到測速的目的。endprint

5 脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字脈沖壓縮分為時(shí)域和頻域兩種，時(shí)域中的匹配濾波器相當(dāng)于直接進(jìn)行在時(shí)域內(nèi)相關(guān)運(yùn)算，而頻域內(nèi)FFT后的結(jié)果和脈壓系數(shù)相乘再反變換，處理流程圖如圖5所示。由數(shù)字信號(hào)處理理論可知兩種實(shí)現(xiàn)方法的本質(zhì)算法是一致的。

本系統(tǒng)采用的處理器芯片為AD公司生產(chǎn)的ADSP-TS101通用處理器[10]。該處理器有3條128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，為存儲(chǔ)器塊之間提供每周期48字節(jié)的高度寬連接。支持32和40bit的浮點(diǎn)及8、16、32和64bit的定點(diǎn)處理。擁有14個(gè)DMA通道，支持內(nèi)部存儲(chǔ)器、外設(shè)、外部存儲(chǔ)器、鏈路口及鏈路口間的數(shù)據(jù)傳輸。

具體工作中我們通過dsp軟件編程進(jìn)行fft運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，因而采用頻域脈沖壓縮，實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。由于ADI公司提供了ADSP-TS101軟硬件開發(fā)工具，包括仿真器和支持C/C++語言編程的Visual DSP++4.5集成開發(fā)環(huán)境，因而可以通過軟件語言方便的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的脈沖壓縮[11-12]。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

6 結(jié) 論

通過硬件FPGA產(chǎn)生m序列并對(duì)其性能進(jìn)行軟件仿真，同時(shí)給出雷達(dá)中典型的脈沖壓縮算法，且該序列及算法已在某脈沖壓縮雷達(dá)中具體應(yīng)用，并滿足各項(xiàng)指標(biāo)的測試。目前已經(jīng)通過各項(xiàng)驗(yàn)收測試。

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