基于伪随机序列的无线电测距系统设计

设计系统采用的M序列便是伪随机序列中具有代表性的一种。

1.1M序列的测距原理

式中： τ为延迟时间。 正交编码即对应位两两正交的编码， 其互相关性很弱， 但有较强的自相关性， 即使受到外部噪声干扰也容易区分。 因为噪声与伪随机序列的互相关性极低， 噪声会被相关函数抑制， 因此正交编码拥有较强抗干扰能力。 当M序列的周期足够大时， 其自相关函数便会和δ函数十分接近， 呈现明显尖锐的二电平特性， 如图1所示。 利用M序列的这一特性将几组M序列在DSP中做一系列计算， 实时检测出现最大值的时刻， 得出电磁波的发射与接收时差， 从而计算出所要测量的距离。

M序列可以通过MATLAB编程产生， 或由Simulink仿真模块建模产生。 上述方法的特点是可视化强， 但是可移植性较差， 与脱离PC机的系统无法联接， 不利于系统调试。 本系统选择通过DSP编程产生M序列， 较为高效可靠。

电磁波测距系统需产生一个周期为p=212-1=4 095的M序列。 确定n=12级的本原多项式， 首个移位寄存器和最后一个移位寄存器必须参与反馈计算， 并且不能全为1， 因此本测距系统从众多本原多项式中选取的本原多项式为

1.4M序列调制与解调

QPSK即所谓的正交相移键控， 是一种在无线通信等领域被广泛应用的调制解调方法， 能通过载波的四种不同相位对数字信息进行表达。 QPSK正交调制过程如图4所示， 将数字信号输入， 用a表示前一个二进制码元， 用b表示后一个二进制码元， QPSK信号便可以被认为是两个正交载波2PSK信号的合成。

对QPSK信号的解调方法同样可以采用2PSK信号的解调方法。 QPSK信号解调原理图如图5所示。 首先分别采用相干解调方式对同相支路和正交支路进行解调， 从而得到I（t）和Q（t）两路信号， 然后将两路信号进行抽样判决， 最后经过并/串交换器， 把支路的并行数据恢复成系统所需的串行数据。

2测距系统硬件电路设计

基于伪随机序列的无线电测距系统的硬件电路共有六大模块， 分别是发射接收模块、 放大滤波模块、 QPSK调制解调模块、 ADC模块、 核心处理器模块以及人机对话模块， 如图6所示。

2.1核心处理器模块

测距电路采用TI公司的TMS320F28335芯片作为控制运算芯片， 其特点是拥有较多的外设功能， 高达150 MHz的处理能力， 32位浮点处理单元， 独立的乘法器、 加法器和DMA等配置使其做大量数据运算的时间大大减少。 相比较TI公司的TMS320F2812芯片， 其整体性能提高近一倍， 能较好地完成本测距系统的数据运算与控制功能。 电源采用TPS767D318电源转换芯片实现DSP所需的1.8 V， 1.8 VA， 3.3 V， 3.3 VA电压， 为了防止电磁干扰， 其中模拟地和数字地用小电阻或磁珠连接。

2.2人机对话模块

人机对话部分包括按键（6个）、 3.3 V供电的液晶LCM128645ZK显示器、 利用DSP的GPIOA、 B口、 连接按键和液晶， 如图7所示。

2.3QPSK调制解调电路模块

QPSK调制解调模块的硬件电路采用ST公司的STV0299B芯片， 内部集成了双 6-Bit 的模数转换器， I2C总线控制等电路。 拥有90 Mbps 的采样速率以及可达±45 MHz载波回路跟踪范围， 还拥有串、 并行选择输出的功能以及对邻频道有很好的抑制特性， 完全满足测距系统的要求。

2.4高速的数据采样与处理电路模块

对回波信号中的M序列进行采样转化， 波形较为简单， 所以ADC芯片的位数可以选择较低的版本， 同时M序列的码元较窄， 所以必须采用高频率的ADC芯片。 因此测距系统采用AD公司的AD9054芯片。 AD9054是一款8位单芯片模数转换器（ADC）， 公司专门对其做了优化。 该器件提供的编码速率高达200 MSps， 同时其全功率模拟带宽范围在350 MHz左右， 完全满足测距系统高动态性能的要求。 AD9054的硬件连接如图8所示。

2.5信号的放大滤波电路

由于回波信号能量较为弱小， 同时信号中夹杂着干扰信号， 所以必须对回波信号进行放大和滤波处理。 测距系统选用AD公司的AD620芯片作为信号放大芯片， 具有操作简单、 增益精度高的优点， 只需外加一个电阻便可起到放大的作用， 系统采用二级放大电路， 增大放大倍数， 同时确保放大精度， 放大电路如图9所示。 测距系统选用AD公司的OP27E作为滤波电路， 将二谐高通和二谐低通相串联构成带通滤波器， 有效地衰减带通以外的信号， 滤波电路如图10所示。

3测距系统程序设计

测距系统的应用程序采用模块化编程， 便于调用和调试。 包括： M序列的产生程序、 STV0299B芯片的初始化设定程序、 STV0299B芯片与控制芯片的数据传输程序、 本地M序列和回波M序列的自相关运算程序、 人机交互程序。

3.1M序列的产生程序

3.2M序列自相关运算程序

MATLAB的一系列仿真证明了测距系统的可行性。 本次室外实验的测量距离为1～4.5 km， 测距绝对误差在10 m内， 实验结果如表1所示， 可见系统具有较强的远距离测距能力。

5结论

基于伪随机序列的无线电测距系统相比较其他原理的测距方法有其独特的优势。

测距系统的测距精度为电磁波的速度与码元的乘积。 因此要提高系统的测距精度就必须减小码元的宽度。 测距系统的测距范围为电磁波的速度与M序列周期的乘积， 要提高系统的测距范围精度必须增大M序列的周期， 随着系统程序的不断完善和硬件功能的不断强大， 测距的性能也将不断提高。

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