距離測量是測試技術(shù)中的一項基本測試技術(shù)，其幾乎貫穿于工程實踐的每個領(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、實時性和精度要求越來越高，而擴頻測距由于其抗干擾能力強、精度高、作用范圍廣、隱蔽性好、適應(yīng)性強、全天候等優(yōu)勢，在測距系統(tǒng)中得到了重視。
擴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，將它與目標反射或轉(zhuǎn)發(fā)回來的PN碼序列的相位進行比較，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)的捕獲時間將達到不可容忍的地步，所以需要考慮快速捕獲算法。
由擴頻碼的自相關(guān)函數(shù)可知，只有在t’=(t-τ)時，擴頻解調(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)來計算擴頻測距系統(tǒng)中的碼片偏移，可以節(jié)省運算時間(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
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入FFT模塊進行FFT運算，將進行FFT后的兩組數(shù)據(jù)運算后進入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)計選取的PN碼為63位，本征多項式為x6+x+1。該PN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)計的核心模塊，由輸入緩沖器、FFT運算器、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運算模塊從輸入緩沖器中讀取出數(shù)據(jù)值進行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 計算模塊
設(shè)兩路信號進行FFT后的數(shù)據(jù)為
可見對進行FFT變換后需要進行的運算處理其實質(zhì)是一個乘加，一個乘減和一個加法運算，其中乘加運算仿真結(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)計圖及仿真結(jié)果
本設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，利用VHDL語言描述出擴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，驗證了本設(shè)計的可行性。
3 結(jié)束語
采用FFT代替自相關(guān)函數(shù)計算擴頻系統(tǒng)中的碼片偏移可節(jié)省硬件計算時間。經(jīng)過硬件的優(yōu)化設(shè)計與仿真，在Altera Straix II系列FPGA上，時鐘頻率達到109．1 MHz，捕獲時間和計算時間大約在2μs，捕獲時間提高。此外，由于擴頻技術(shù)可以極大地抑制突發(fā)干擾和脈沖干擾，所以擴頻測距比起傳統(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)，可進一步提高實時性，在對測距實時性要求更高的引信技術(shù)中也可以采用。
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