基于PN序列抽取的偽碼調(diào)相引信信號(hào)處理研究*

張慶輝，劉明友，向云強(qiáng)

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

0 引言

偽碼調(diào)相引信運(yùn)用距離相關(guān)器和包絡(luò)檢波器，能在強(qiáng)干擾環(huán)境下直接測(cè)量目標(biāo)距離。該類引信測(cè)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)。考慮到高采樣速率對(duì)系統(tǒng)其它指標(biāo)帶來(lái)的較高要求，比如動(dòng)態(tài)范圍和DSP的處理速度，用現(xiàn)有的元器件難以構(gòu)建一個(gè)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(shù)，運(yùn)用抽取PN序列的原理減少了對(duì)ADC采樣率和數(shù)字硬件處理速率的要求，構(gòu)建一個(gè)帶有抽取數(shù)字相關(guān)器的引信回波處理系統(tǒng)。

1 抽取PN序列原理

如果一個(gè)偽碼調(diào)相引信所用發(fā)射PN序列的位寬設(shè)為4m，而期望炸高設(shè)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(duì)圖1(b)中的序列進(jìn)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(duì)PN序列抽取處理后產(chǎn)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(zhǎng)度L互為質(zhì)數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的PN序列來(lái)說(shuō)，總共有L/m種不同的序列，其它相同長(zhǎng)度的不同PN序列都可以通過(guò)用與L互質(zhì)的ρ抽取該序列獲得。一組ρ對(duì)應(yīng)一種新的PN序列，那么長(zhǎng)度L的L/m種不同PN序列就有L/m組ρ。只有當(dāng)ρ =1，2，4，…，2m－1時(shí)(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(guān)特性。在偽碼調(diào)相引信中，用這樣的序列代替抽取前的發(fā)射PN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，不會(huì)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(diào)相引信實(shí)現(xiàn)

基于抽取的偽碼調(diào)相引信(以下簡(jiǎn)稱抽取偽碼調(diào)相引信)總體框圖如圖3所示。

圖3 抽取偽碼調(diào)相引信總體框圖

射頻信號(hào)源通過(guò)二進(jìn)制相位調(diào)制器被時(shí)鐘頻率為fPN的發(fā)射PN序列所調(diào)制。二進(jìn)制相位調(diào)制器的輸出經(jīng)功率放大器被送到發(fā)射天線。該信號(hào)為:

其中，相位項(xiàng)φPN與PN序列有關(guān)，受二進(jìn)制相位調(diào)制器控制。

接收信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)高增益的低噪放大器，以設(shè)置接收機(jī)噪聲系數(shù)。該信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)來(lái)說(shuō)，被延遲、衰減和放大，并且由于目標(biāo)與引信之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率被偏移fd:[4]

低噪放大器的輸出通過(guò)下變頻混頻器和一個(gè)來(lái)自射頻源的參考信號(hào)混頻，被轉(zhuǎn)換到基帶:

基帶信號(hào)有一個(gè)中心位于目標(biāo)多普勒頻率處的PN頻譜。

下變頻混頻器的基帶輸出信號(hào)被送到預(yù)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(diào)相引信中，要求A/D子系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘頻率fA/D與發(fā)射PN序列的時(shí)鐘頻率fPN同步。而文中通過(guò)運(yùn)用抽取PN序列的原理，fA/D實(shí)際上只相當(dāng)于fPN的1/ρ。A/D子系統(tǒng)的輸出信號(hào)用yp(t)表示。

信號(hào)然后被送到受接收PN序列sρk驅(qū)動(dòng)的數(shù)字相關(guān)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(guān)器根據(jù)sρk的值，轉(zhuǎn)換yp(t)的符號(hào)位。因此，數(shù)字相關(guān)器的輸出是

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

數(shù)字相關(guān)器的輸出被送到一組累加器中，以精確地測(cè)量目標(biāo)距離。累加器1用來(lái)在一個(gè)接收PN序列的周期內(nèi)把數(shù)字相關(guān)器的輸出累加起來(lái)。在每個(gè)PN序列間隔的結(jié)尾通過(guò)檢波器把累加器的幅度提取出來(lái)并傳到累加器2。累加器2根據(jù)要求的目標(biāo)探測(cè)積分時(shí)間和累加器(低通濾波器)的頻率響應(yīng)，重復(fù)執(zhí)行預(yù)定數(shù)量的PN序列間隔。定時(shí)模塊給包絡(luò)檢波器和累加器2提供適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。當(dāng)累加器2的輸出信號(hào)幅度達(dá)到預(yù)定的電平時(shí)，輸出啟動(dòng)脈沖，觸發(fā)執(zhí)行級(jí)產(chǎn)生引爆信號(hào)。

需要說(shuō)明的是，在抽取偽碼調(diào)相引信的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字相關(guān)器的輸出在相關(guān)距離上產(chǎn)生一個(gè)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(guān)器的輸出保持了發(fā)射PN序列的距離分辨率。

3 仿真結(jié)果

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

文中測(cè)量抽取偽碼調(diào)相引信性能的方法是計(jì)算距離響應(yīng)。

圖4包含4個(gè)距離響應(yīng)，分別是一個(gè)非抽取偽碼調(diào)相引信響應(yīng)(ρ=1)和3個(gè)抽取偽碼調(diào)相引信響應(yīng)(ρ=2，3，4)。所有的距離響應(yīng)幾乎都是一致的，除了ρ=3的抽取偽碼調(diào)相引信，它對(duì)于一個(gè)63位的PN序列來(lái)說(shuō)，是一個(gè)無(wú)效的抽取因子。引信的干擾抑制性能是36dB，它對(duì)于63位PN序列的偽碼調(diào)相引信來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想值。

表1 抽取偽碼調(diào)相引信仿真參數(shù)設(shè)置

圖4 抽取偽碼調(diào)相引信距離響應(yīng)(L=63，ρ=1，2，3，4)

4 結(jié)論

文中討論了一種基于抽取PN序列原理的偽碼調(diào)相引信實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。該方法在保持引信距離分辨率的同時(shí)，減小了對(duì)A/D采樣速率和DSP處理速率的要求，從而解決了偽碼調(diào)相引信數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的一大難題。該方法的缺陷是降低了信號(hào)的信噪比(SNR)。因此，相關(guān)過(guò)程中需要增加積分時(shí)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(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安:電子科技大學(xué)出版社，2004.

[3]張慶輝.偽碼調(diào)相引信探測(cè)與起爆控制技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學(xué)，2006.

[4]Merrill I Skolnik.雷達(dá)手冊(cè)[M].3版.南京電子技術(shù)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(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.