基于偽隨機序列的無線電測距系統設計

張松+張亞

摘要： 為了提高工作機的測距能力， 測距系統不僅要對所測距離具有快速精確的判斷， 而且必須具備較高的抗干擾能力。 基于偽隨機序列的無線電測距系統利用QPSK原理調制M序列， 然后通過無線電發射作為測距介質， 具有測距范圍廣、 抗干擾能力強的特點。 同時系統采用TMS320F28335作為運算和控制的主控芯片， 具有精確度高、 實時性強的特點。 實驗數據證明了無線電測距系統的可行性。

關鍵詞： TMS320F28335； M序列； QPSK； 無線電測距

中圖分類號： TP242文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0042-05

Abstract： In order to improve the ability of working machine range， ranging system should not only have quick and accurate judgement for the measured distance， and must have a high antiinterference ability. Using the QPSK principle， the M sequence is modualted by radio ranging system based on pseudorandom sequence， and then the M sequence is transmitted by radio as the distance measuring medium， which has the characteristics of wide ranging and strong antiinterference ability. At the same time， the system uses TMS320F28335 as the main control chip to comput and control， which has the characteristics of high accuracy and strong realtime. The experimental results show the feasibility of the system.

Key words： TMS320F28335； M sequence； QPSK； radio ranging

0引言

工業技術的發展要求工作機具有很強的測距能力， 包括測距范圍和精度、 實時性以及抗干擾能力。 由此衍生出許多測距的方法： 利用超聲波作為測距介質， 精度較高， 但是抗干擾能力較差， 測距范圍小； 利用紅外線作為測距介質， 精度較高， 但是測距范圍較窄且成本高； 利用激光作為測距介質， 精度較高， 所測范圍廣， 但是對工作環境要求高， 測距系統成本高。

基于偽隨機序列的無線電測距系統采用硬件的編碼法， 將DSP生成的M序列經過QPSK調制電路進行數字調制， 通過電磁波發射器發射。 電磁波遇到目標物體后反射回來， 被電磁波接收器接收， 將其放大、 解擴、 濾波、 采樣， 提取出回波中的M序列， 將其與本地的M序列在DSP中做自相關運算， 計算出延遲時間τ， 從而計算出所測距離。 系統編碼采用碼元較小、 周期較長的M序列， 可提高系統測距精度和測距范圍。

1偽隨機序列的概述

偽隨機序列擁有較好的特性， 一方面其隨機性與隨機序列相似， 另一方面其相關函數與白噪聲接近， 最重要的是可以通過其結構預先確定并且能夠重復的產生。 本文所設計系統采用的M序列便是偽隨機序列中具有代表性的一種。

1.1M序列的測距原理

式中： τ為延遲時間。 正交編碼即對應位兩兩正交的編碼， 其互相關性很弱， 但有較強的自相關性， 即使受到外部噪聲干擾也容易區分。 因為噪聲與偽隨機序列的互相關性極低， 噪聲會被相關函數抑制， 因此正交編碼擁有較強抗干擾能力。 當M序列的周期足夠大時， 其自相關函數便會和δ函數十分接近， 呈現明顯尖銳的二電平特性， 如圖1所示。 利用M序列的這一特性將幾組M序列在DSP中做一系列計算， 實時檢測出現最大值的時刻， 得出電磁波的發射與接收時差， 從而計算出所要測量的距離。

M序列可以通過MATLAB編程產生， 或由Simulink仿真模塊建模產生。 上述方法的特點是可視化強， 但是可移植性較差， 與脫離PC機的系統無法聯接， 不利于系統調試。 本系統選擇通過DSP編程產生M序列， 較為高效可靠。

電磁波測距系統需產生一個周期為p=212-1=4 095的M序列。 確定n=12級的本原多項式， 首個移位寄存器和最后一個移位寄存器必須參與反饋計算， 并且不能全為1， 因此本測距系統從眾多本原多項式中選取的本原多項式為

1.4M序列調制與解調

QPSK即所謂的正交相移鍵控， 是一種在無線通信等領域被廣泛應用的調制解調方法， 能通過載波的四種不同相位對數字信息進行表達。 QPSK正交調制過程如圖4所示， 將數字信號輸入， 用a表示前一個二進制碼元， 用b表示后一個二進制碼元， QPSK信號便可以被認為是兩個正交載波2PSK信號的合成。

對QPSK信號的解調方法同樣可以采用2PSK信號的解調方法。 QPSK信號解調原理圖如圖5所示。 首先分別采用相干解調方式對同相支路和正交支路進行解調， 從而得到I（t）和Q（t）兩路信號， 然后將兩路信號進行抽樣判決， 最后經過并/串交換器， 把支路的并行數據恢復成系統所需的串行數據。

2測距系統硬件電路設計

基于偽隨機序列的無線電測距系統的硬件電路共有六大模塊， 分別是發射接收模塊、 放大濾波模塊、 QPSK調制解調模塊、 ADC模塊、 核心處理器模塊以及人機對話模塊， 如圖6所示。

2.1核心處理器模塊

測距電路采用TI公司的TMS320F28335芯片作為控制運算芯片， 其特點是擁有較多的外設功能， 高達150 MHz的處理能力， 32位浮點處理單元， 獨立的乘法器、 加法器和DMA等配置使其做大量數據運算的時間大大減少。 相比較TI公司的TMS320F2812芯片， 其整體性能提高近一倍， 能較好地完成本測距系統的數據運算與控制功能。 電源采用TPS767D318電源轉換芯片實現DSP所需的1.8 V， 1.8 VA， 3.3 V， 3.3 VA電壓， 為了防止電磁干擾， 其中模擬地和數字地用小電阻或磁珠連接。

2.2人機對話模塊

人機對話部分包括按鍵（6個）、 3.3 V供電的液晶LCM128645ZK顯示器、 利用DSP的GPIOA、 B口、 連接按鍵和液晶， 如圖7所示。

2.3QPSK調制解調電路模塊

QPSK調制解調模塊的硬件電路采用ST公司的STV0299B芯片， 內部集成了雙 6-Bit 的模數轉換器， I2C總線控制等電路。 擁有90 Mbps 的采樣速率以及可達±45 MHz載波回路跟蹤范圍， 還擁有串、 并行選擇輸出的功能以及對鄰頻道有很好的抑制特性， 完全滿足測距系統的要求。

2.4高速的數據采樣與處理電路模塊

對回波信號中的M序列進行采樣轉化， 波形較為簡單， 所以ADC芯片的位數可以選擇較低的版本， 同時M序列的碼元較窄， 所以必須采用高頻率的ADC芯片。 因此測距系統采用AD公司的AD9054芯片。 AD9054是一款8位單芯片模數轉換器（ADC）， 公司專門對其做了優化。 該器件提供的編碼速率高達200 MSps， 同時其全功率模擬帶寬范圍在350 MHz左右， 完全滿足測距系統高動態性能的要求。 AD9054的硬件連接如圖8所示。

2.5信號的放大濾波電路

由于回波信號能量較為弱小， 同時信號中夾雜著干擾信號， 所以必須對回波信號進行放大和濾波處理。 測距系統選用AD公司的AD620芯片作為信號放大芯片， 具有操作簡單、 增益精度高的優點， 只需外加一個電阻便可起到放大的作用， 系統采用二級放大電路， 增大放大倍數， 同時確保放大精度， 放大電路如圖9所示。 測距系統選用AD公司的OP27E作為濾波電路， 將二諧高通和二諧低通相串聯構成帶通濾波器， 有效地衰減帶通以外的信號， 濾波電路如圖10所示。

3測距系統程序設計

測距系統的應用程序采用模塊化編程， 便于調用和調試。 包括： M序列的產生程序、 STV0299B芯片的初始化設定程序、 STV0299B芯片與控制芯片的數據傳輸程序、 本地M序列和回波M序列的自相關運算程序、 人機交互程序。

3.1M序列的產生程序

3.2M序列自相關運算程序

MATLAB的一系列仿真證明了測距系統的可行性。 本次室外實驗的測量距離為1～4.5 km， 測距絕對誤差在10 m內， 實驗結果如表1所示， 可見系統具有較強的遠距離測距能力。

5結論

基于偽隨機序列的無線電測距系統相比較其他原理的測距方法有其獨特的優勢。

測距系統的測距精度為電磁波的速度與碼元的乘積。 因此要提高系統的測距精度就必須減小碼元的寬度。 測距系統的測距范圍為電磁波的速度與M序列周期的乘積， 要提高系統的測距范圍精度必須增大M序列的周期， 隨著系統程序的不斷完善和硬件功能的不斷強大， 測距的性能也將不斷提高。

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