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距離測量是測試技術(shù)中的一項(xiàng)基本測試技術(shù),其幾乎貫穿于工程實(shí)踐的每個領(lǐng)域。在軍事航天領(lǐng)域,由于其特殊的需求,對測距系統(tǒng)的量程、實(shí)時性和精度要求越來越高,而擴(kuò)頻測距由于其抗干擾能力強(qiáng)、精度高、作用范圍廣、隱蔽性好、適應(yīng)性強(qiáng)、全天候等優(yōu)勢,在測距系統(tǒng)中得到了重視。
擴(kuò)頻測距也稱偽碼測距,它是采用一個較長周期的PN碼序列作為發(fā)射信號,將它與目標(biāo)反射或轉(zhuǎn)發(fā)回來的PN碼序列的相位進(jìn)行比較,即比較兩個碼序列相差的碼片數(shù),從而看出其時間差,換算出發(fā)射機(jī)與目的地之間的距離。如果碼片選得很窄,即碼速率做得很高,那么就可以完成高精度的測距。但隨著碼速率的提高和碼周期的加長,傳統(tǒng)的捕獲時間將達(dá)到不可容忍的地步,所以需要考慮快速捕獲算法。
由擴(kuò)頻碼的自相關(guān)函數(shù)可知,只有在t’=(t-τ)時,擴(kuò)頻解調(diào)輸出V(t)的信號最大。根據(jù)τ就能算出兩地的距離,c為電磁波傳播速度。
由于計(jì)算兩序列的自相關(guān)函數(shù)需要用循環(huán)卷積代替自相關(guān)函數(shù)來計(jì)算擴(kuò)頻測距系統(tǒng)中的碼片偏移,可以節(jié)省運(yùn)算時間(大約為1/114),加快捕獲過程。設(shè)x(n),y(n)分別為現(xiàn)有發(fā)射PN碼與反射回來的PN碼,序列長度為N,對它們分別做N點(diǎn)FFT,記

可知R(m)為現(xiàn)有發(fā)射PN碼與反射回來的PN碼之間的相關(guān)值序列,長度為N,可知當(dāng)R(m)中最大值的序列號減1即為碼片差。

1 仿真方案設(shè)計(jì)
首先由m序列發(fā)生器產(chǎn)生出兩路序列長度為N的PN碼,其中一路經(jīng)過延時模塊以后與另一路分別進(jìn)入FFT模塊進(jìn)行FFT運(yùn)算,將進(jìn)行FFT后的兩組數(shù)據(jù)運(yùn)算后進(jìn)入IFFT模塊得出序列組,由序列組得出兩路序列之間的碼片偏移數(shù),從而算出其時延。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。



2 主要模塊仿真結(jié)果
2.1 PH碼產(chǎn)生模塊
本設(shè)計(jì)選取的PN碼為63位,本征多項(xiàng)式為x6+x+1。該P(yáng)N碼產(chǎn)生器由VHDL語言編寫,其仿真結(jié)果如圖2所示。


2.2 FFT轉(zhuǎn)換模塊
該模塊是本設(shè)計(jì)的核心模塊,由輸入緩沖器、FFT運(yùn)算器、控制器構(gòu)成,完成對數(shù)據(jù)的FFT變換。將PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入輸入緩沖器中,在控制器的控制下,F(xiàn)FT運(yùn)算模塊從輸入緩沖器中讀取出數(shù)據(jù)值進(jìn)行FFT變換,然后得出輸出數(shù)據(jù)。圖3所示為FFT模塊的輸入輸出關(guān)系。fft_imag_out,fft_real_out分別為輸出數(shù)據(jù)的實(shí)部、虛部和修正因子,m_soutoe_sop為輸出數(shù)據(jù)的起始位。

2.3 計(jì)算模塊
設(shè)兩路信號進(jìn)行FFT后的數(shù)據(jù)為

可見對進(jìn)行FFT變換后需要進(jìn)行的運(yùn)算處理其實(shí)質(zhì)是一個乘加,一個乘減和一個加法運(yùn)算,其中乘加運(yùn)算仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。


2.4 判斷模塊
判斷模塊的主要功能是對IFFT后的序列的最大值進(jìn)行判斷,得出其最大值所在的序列號減1就為其碼片差τ。clk為時鐘信號,rest為開始信號,data_in為輸入數(shù)據(jù),data_out為輸入數(shù)據(jù)data_in中最大值所在的序列號減1。圖6為判斷模塊仿真結(jié)果。

2.5 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖及仿真結(jié)果
本設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,利用VHDL語言描述出擴(kuò)頻測距快速捕獲的各個功能模塊。圖7所示為總體仿真結(jié)果,圖中fft_imag_ outf,fft_real_outf為ifft后的數(shù)據(jù),data_out為輸出數(shù)據(jù),由此可見,仿真結(jié)果與設(shè)定的τ=3一樣,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。


3 結(jié)束語
采用FFT代替自相關(guān)函數(shù)計(jì)算擴(kuò)頻系統(tǒng)中的碼片偏移可節(jié)省硬件計(jì)算時間。經(jīng)過硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真,在Altera Straix II系列FPGA上,時鐘頻率達(dá)到109.1 MHz,捕獲時間和計(jì)算時間大約在2μs,捕獲時間提高。此外,由于擴(kuò)頻技術(shù)可以極大地抑制突發(fā)干擾和脈沖干擾,所以擴(kuò)頻測距比起傳統(tǒng)的測距方法,如激光測距,超聲測距等方法能適用于更惡劣的環(huán)境,如衛(wèi)星測控,而由于使用快速捕獲技術(shù),可進(jìn)一步提高實(shí)時性,在對測距實(shí)時性要求更高的引信技術(shù)中也可以采用。

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