基于競爭編碼法的偽隨機脈沖發生器設計

朱旺　劉彥　張民明

摘要：偽隨機碼在通信、測試、勘探等多個領域廣泛應用。本文提出了一種產生偽隨機脈沖的競爭編碼法，避免了復雜的狀態變換和邏輯運算。通過MATLAB/Simulink建立模型仿真和FFT分析，證實該方法編碼簡單，容易實現，可以形成任意頻率組合的偽隨機脈沖信號。

關鍵詞：偽隨機；脈沖信號；FFT分析；競爭編碼法

中圖分類號：P631.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0143-02

1 引言

偽隨機碼是一種具有類似白噪聲性質的碼，也稱為偽隨機（偽噪聲）序列。白噪聲是隨機過程，瞬時值服從正態分布，功率譜在很寬的頻帶內都是均勻的；具有優良的相關特性，白噪聲的自相關函數類似于δ函數，但無法實現對其進行放大、調制、檢測、同步及控制等操作。但是，利用白噪聲作為輸入信號，要精確測量互相關函數需要很長時間，二是白噪聲的隨機特性會引起統計誤差，使重復測試的結果不一致，三是白噪聲不易產生。如果用偽隨機信號則可以克服上述缺點。偽隨機信號兼具隨機性和重復性，是精確的噪聲源，不受環境變化的影響。

偽隨機序列在近年興起的擴頻通信和雷達中得到了廣泛的應用。例如擴展頻譜雷達就是利用己經過調制的具有類似白噪聲性質的偽隨機編碼序列作為發送信號，接收機采用相關解調的工作方式，這種雷達具有很強的抗干擾能力并且具有很高的距離分辨力和速度分辨力。在電法勘探中，由于大地存在各種各樣的天然和人為的電磁干擾，因此要求測量儀器具備很強的抗干擾能力[1-3]。偽隨機編碼序列具有良好的自相關特性，因此在提高通信和測試系統的抗干擾性能方面得到了廣泛的采用。

2 偽隨機多頻信號編碼原理

an序列偽隨機多頻信號法由我國的何繼善院士首先提出，基本原理是根據an序列偽隨機多頻信號編碼的數學原理，用三碼元：-1，0，1代表電流-Io、0、Io；將多個不用頻率的電流合成為包含這些電流中所有頻率成分的合成電流，通過觀測可以得到相同數量的頻率響應。采用an序列偽隨機激電法，1次能夠提取多頻率的振幅譜和相位譜（或者實分量和虛分量），構成較完整的振幅譜和相位譜（或實譜和虛譜），為分辨異常性質提供依據。

文獻[1]中的偽隨機多頻波產生方法，比較復雜。由于采用狀態機實現，N頻波有2n個狀態，當N較大時，狀態很多，不利于編程和速度。本文提出一種簡單的競爭編碼法，該文獻中的波形可由不同頻率的脈沖經過簡單的運算和比較得到。令各個單頻波的脈沖起始時刻相同，起始值都為正，然后各個方波相加，相加后的值（取符號函數運算）若>0，則為1，<0則為-1。也可以將各個單頻波作為輸入，進行高低電平數競爭，通過高電平和低電平的多少得到多頻波的電平，形成新的多頻波。高電平數多于低電平數，則為正，反之則為負。

3 偽隨機脈沖頻譜分析

信號的頻譜分析建立在傅里葉分析的基礎上，求出與時域描述相對應的頻域描述，從中找出信號頻譜的變化規律，以達到特征提取的目的.本文利用MATLAB/Simulink建立偽隨機脈沖的原理模型，并基于快速傅里葉（FFT）分析方法對單頻方波脈沖和偽隨機脈沖的頻譜進行對比。

設定三種主頻分量，頻率分別為10Hz、20Hz和40Hz。Simulink模型如圖1。

合成的偽隨機方波波形圖如圖2（橫坐標為時間，單位為s），頻譜圖如圖3。

圖4和圖5分別是10Hz單頻方波的波形（橫坐標為時間，單位為s）和頻譜圖。

根據以上FFT分析結果，偽隨機脈沖在10Hz、20Hz和40Hz處的含量均較高，而單頻脈沖的幅頻譜隨著頻率的增加迅速衰減，而且當以10Hz為基頻進行分析時，偶次諧波消失。但是采用偽隨機脈沖編碼可以合成任意頻率的波形，進而提高指定頻率成分的能量。

4 結語

偽隨機碼兼具白噪聲和長周期重復性的特點，是電子測試和通信、探測領域常用的信號源，易于實現不同頻率較均勻的能量分布。采用競爭編碼法產生偽隨機脈沖，避免了復雜的狀態轉換，原理簡單，容易實現，且可以產生任意指定頻率的多脈沖組合。

參考文獻

[1]何繼善，佟鐵鋼，柳建新.an序列偽隨機多頻信號數學分析及實現[J].中南大學學報（自然科學版），2009，40（6）：1666-1671.

[2]王偉，張群英，方廣有.淺表層偽隨機編碼超寬帶探地雷達研制[J].儀器儀表學報，2012，33（8）：1902-1908.

[3]駱文，趙強.Matlab在信號與系統中的應用[J].數字技術與用，2010（10）：144-145.