m序列在脈沖壓縮雷達中的研究

高蕊+梁素龍

摘 要：在脈沖壓縮雷達中發射信號的選取至關重要，通常采用調頻信號和相位編碼信號。偽隨機序列中的m序列是典型的二相編碼信號，具有類似白噪聲的性質，周期且有規律。文中對m序列的自相關和互相關特性進行仿真，并結合實際工程應用給出了具體的生成方式。通過具體參數的設定，達到工程應用目的。最后結合實際應用給出m序列在雷達中脈沖壓縮處理流程，實踐證明在工程中取得良好的應用效果。

關鍵詞：m序列；自相關；互相關；脈沖壓縮

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：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

偽隨機序列由于具有良好的自相關、互相關特性在擴頻通信中有較廣的應用，同樣在雷達系統中也可以采用偽隨機序列作為發射中頻信號[1]。在二次雷達中由于其數量較多，可以通過不同的序列來區別多個應答機。確保在雷達跟蹤過程中雷達與應答機準確的握手。從而完成對目標的跟蹤獲取方向、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用意義。除此之外，還有m序列、GOLD序列（是由構成優選對的兩個m序列異或得到）以及各類混沌序列[3]。本文中主要對典型的二相編碼信號m序列性能進行分析，并給出具體的工程實現方式。

1 相位編碼信號

數字相位編碼調制是利用載波相位的變化來表達數字信號信息的一種調制方法，在二項

碼中，通常用相反的相位“0°”或“180°”，來表示數字信息“0”或“1”。當然也可以用“90°”或“270°”來表示。由于相位編碼信號對多普勒頻率比較敏感，只適用于多普勒頻率較小的場合。在實際中可以通過預調多普勒的方式來對信號進行脈壓運算。

2 m序列的生成

1）m序列是由線性移位寄存器網絡產生的，由于n級移位寄存器共有2n個狀態，除去全“0”狀態外還剩下P=2n-1種狀態。產生m序列的移位寄存器的網絡結構不是隨意的，m序列周期P也不是任意取值的，必須滿足 P=2n-1。

2）根據m序列的本源多項式選取適當的反饋抽頭，可以容易的得到相應的m序列。具體應用中采用Altera公司推出FPGA/CPLD開發環境Quartus II[4-5]。由于工程中需要長度為127bit的序列，實際應用中本系統所需的7級m序列可以在其原理圖設計中使用移位寄存器方便的實現（見圖1）[6]。

3 m序列的特性

m序列是一偽隨機序列，具有與隨機噪聲類似的尖銳自相關特性，以及良好的互相關特性（沒有明顯的峰值），但它不是真正隨機的，而是按一定的規律形式周期性地變化。由于m序列容易產生，規律性強，有許多優良的特性，在擴頻通信和碼分多址系統中最早獲得應用。但是由于在通信中和雷達中發射信號的要求不同，（通信中常采用連續波信號，雷達中常采用的是脈沖信號）在具體做自相關運算時分別采用循環自相關和滑動自相關[6-7]。具體的區別如圖2所示，圖中采用的是127bit的m序列進行相關運算。在進行互相關運算時選取了一對性能較好的m序列進行仿真如圖3所示，該序列已經應用于工程中。通過仿真發現有的m序列對之間的互相關特性不理想，因而不宜作為發射信號。

4 雷達中的脈沖壓縮

雷達是通過對回波信號作一些相應的處理來識別復雜回波信號中的有用信息。為了能達到要求的距離分辨率，必須提高發射信號的有效帶寬，通常采用脈沖壓縮的方式。所謂脈沖壓縮，就是將發射時的寬脈沖，通過匹配濾波器進行脈沖壓縮，輸出窄帶脈沖信號，使雷達提高檢測能力的同時又不降低距離分辨率[8-9]。

通過反饋抽頭的選取，假定由7級移位寄存器產生127位m序列，且碼元寬度為0.2 us，即總時長為25.4 us。當頻率為39.4 kHz時，不能通過自相關運算進行脈沖壓縮（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到測速的目的。endprint

5 脈沖壓縮的實現

數字脈沖壓縮分為時域和頻域兩種，時域中的匹配濾波器相當于直接進行在時域內相關運算，而頻域內FFT后的結果和脈壓系數相乘再反變換，處理流程圖如圖5所示。由數字信號處理理論可知兩種實現方法的本質算法是一致的。

本系統采用的處理器芯片為AD公司生產的ADSP-TS101通用處理器[10]。該處理器有3條128bit寬度的內部數據總線，為存儲器塊之間提供每周期48字節的高度寬連接。支持32和40bit的浮點及8、16、32和64bit的定點處理。擁有14個DMA通道，支持內部存儲器、外設、外部存儲器、鏈路口及鏈路口間的數據傳輸。

具體工作中我們通過dsp軟件編程進行fft運算來實現脈沖壓縮，因而采用頻域脈沖壓縮，實現流程如圖5所示。由于ADI公司提供了ADSP-TS101軟硬件開發工具，包括仿真器和支持C/C++語言編程的Visual DSP++4.5集成開發環境，因而可以通過軟件語言方便的實現信號的脈沖壓縮[11-12]。具體實現流程如圖5所示。

6 結 論

通過硬件FPGA產生m序列并對其性能進行軟件仿真，同時給出雷達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中具體應用，并滿足各項指標的測試。目前已經通過各項驗收測試。

參考文獻

[1] 向敬成，張明友.《雷達系統》[M].成都：電子科技大學出版社，1997.

[2] 丁鷺飛，耿富錄 .《雷達原理》[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3] 周潤景，圖雅，張麗敏 .《基于QUARTUS II的FPGA/CPLD 數字系統設計實例》[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 劉書明，蘇濤，羅軍輝 .《Tiger SHARC DSP 應用系統設計》[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5] 蔣權，姚振東，李建.基于FPGA的m序列信號發生器設計[J].電子設計工程.2014，22（13）：154-157.

[6] 張月，周建偉，史巧碩，等.基于FPGA的m序列擴頻通信的設計與實現[J].河北工業大學學報，2014，43（4）：22-25.

[7] 徐立平.m序列及其采樣序列互相關特性研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學， 2015.

[8] 蔣易松.基于相位編碼的正交波形研究[D].成都：電子科技大學， 2015.

[9] 馬雯瑩.相位編碼脈沖壓縮技術在雷達中的應用[D].南京：東南大學， 2015.

[10] 張恒達.二相編碼信號性能分析[J].電子設計工程.2014，22 （12）：138-140.

[11] 王學偉，董曉璇 ，王琳，等.m 序列偽隨機動態測試信號建模與壓縮檢測方法[J].電力自動化設備，2017，37 （2）：145-149.

[12] 耿亞南.基于 matlab 的 m 序列的產生和特性分析[J].互聯網+應用，2017，12（2）：109-110.endprint