多遙測天線(xiàn)集中校準源的設計與應用

摘要：遙測天線(xiàn)校準通常采用誤碼儀產(chǎn)生的信號經(jīng)調制后送入校準天線(xiàn)發(fā)射，接收機收到信號解調后，再送入誤碼儀測量鏈路誤碼率完成單天線(xiàn)校準。該校準方式無(wú)法進(jìn)行多天線(xiàn)集中校準，針對該校準方式的弊端提出了一種多天線(xiàn)集中校準的方法，利用反饋式移位寄存器理論在FPGA中產(chǎn)生偽隨機序列，給出了偽隨機序列的仿真波形，并利用IN-SNEC公司接收機測試軟件完成多天線(xiàn)集中校準源的測試。
關(guān)鍵詞：m序列；移位寄存器理論；FPGA；集中校準

0 引言
為保證多試驗對象的遙測數據同時(shí)接收，試驗場(chǎng)所需配備數量較多的遙測天線(xiàn)，通常這些天線(xiàn)位置較為分散，給天線(xiàn)的集中校準帶來(lái)了很大困難?，F行的方案是利用誤碼儀產(chǎn)生信號通過(guò)信號發(fā)生器調制后經(jīng)遙測天線(xiàn)發(fā)射出去，接收機收到信號解調后將信號送回誤碼儀進(jìn)行誤碼率測試完成單天線(xiàn)校準。這種方案的弊端在于使用誤碼儀必須形成閉合的環(huán)路才能進(jìn)行誤碼率測試，這樣多套天線(xiàn)都配置誤碼儀、信號發(fā)生器、發(fā)送天線(xiàn)等設備將耗費大量的人力物力。本文中提到的校準方案是利用各個(gè)遙測站已經(jīng)配置的遙測接收機自帶的誤碼率測試程序，使用FPGA產(chǎn)生連續偽隨機碼，對整個(gè)遙測鏈路進(jìn)行多次單向測試，這樣使用某一遙測站點(diǎn)集中發(fā)送校準信號，各個(gè)站點(diǎn)即可進(jìn)行定量的誤碼率測試完成多天線(xiàn)集中校準，大大節約了人力物力成本，低成本的FPGA完全可以取代成本昂貴的誤碼儀對遙測天線(xiàn)進(jìn)行集中校準。
偽隨機序列的偽隨機性表現在預先的可確定性、可重復產(chǎn)生與處理。偽隨機序列雖然不是真正的隨機序列，但是當序列周期足夠長(cháng)時(shí)，偽隨機序列具有隨機序列的良好統計特性。因此偽隨機序列被廣泛應用于誤碼率測試、時(shí)延測量、通信加密、數據的擾亂和解擾、擴展頻譜通信、電子對抗、數字網(wǎng)絡(luò )系統的故障診斷及性能自測等多個(gè)領(lǐng)域。
由于FPGA(Field-Programmable Gate Array，現場(chǎng)可編輯門(mén)陣列)在電子系統設計中的廣泛使用，且便于實(shí)現大規模的數字系統，在很多高速設計和高速測試的場(chǎng)合下，希望能夠在FPGA中實(shí)現偽隨機序列發(fā)生器。
產(chǎn)生偽隨機序列的電路通常為一反饋移位寄存器，它又可分為線(xiàn)性反饋移位寄存器和非線(xiàn)性反饋移位寄存器兩類(lèi)，由線(xiàn)性反饋寄存器產(chǎn)生出的周期最長(cháng)的二進(jìn)制數字序列通常稱(chēng)為m序列。本文介紹的是在FPGA內利用線(xiàn)性反饋移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Register s)結構實(shí)現m序列發(fā)生器的方法。這種方法具有結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現，生成的偽隨機序列隨機性好，占用FPGA內部資源少等特點(diǎn)。

1 m序列產(chǎn)生原理
偽隨機序列具有類(lèi)似于隨機噪聲的一些統計特性，同時(shí)又便于重復產(chǎn)生和處理。由于它具有隨機噪聲的優(yōu)點(diǎn)，又避免了隨機噪聲的缺點(diǎn)，人們對偽隨機序列已經(jīng)有了比較深入的研究。m序列的理論比較成熟，實(shí)現比較簡(jiǎn)單，因此獲得了日益廣泛的應用。
m序列是最長(cháng)線(xiàn)性反饋式移位寄存器的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由帶線(xiàn)性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(cháng)的序列。m序列信號發(fā)生器是在n級線(xiàn)性移位寄存器的基礎上，加上反饋邏輯電路構成的。n級線(xiàn)性反饋移位寄存器的邏輯功能可以用圖1來(lái)表示。圖中n個(gè)小方框表示n個(gè)D寄存器，用ai表示寄存器的狀態(tài)。反饋線(xiàn)的連接狀態(tài)用ci表示，當ci=1時(shí)，表示第i級寄存器輸出參與反饋；當ci=0時(shí)，表示第i級寄存器輸出不參與反饋。

設n級移位寄存器的初始狀態(tài)為：a-1a-2…a-n，經(jīng)過(guò)一次移位后，狀態(tài)變?yōu)閍0a-1…a-n+1，經(jīng)過(guò)n次移位后，狀態(tài)為an-1an-2…a1a0，再次移位后，寄存器左端得到的輸入an按照圖中的線(xiàn)路連接關(guān)系，可寫(xiě)為：

式中求和按模2運算。
若初始狀態(tài)為全“0”，則移位得到的狀態(tài)仍然是全“0”，因此n級線(xiàn)性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列最長(cháng)周期為2n-1，此時(shí)線(xiàn)性反饋移位寄存器所產(chǎn)生的偽隨機序列即為m序列。
反饋線(xiàn)的連接狀態(tài)ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結構，圖中的n級移位寄存器的連接多項式為(c0=1，cn=1)：

這一方程稱(chēng)為特征多項式。特征多項式刻畫(huà)了從某一時(shí)刻的狀態(tài)到下一時(shí)刻狀態(tài)的轉移規律。
可以證明，特征多項式f(x)對應的n級線(xiàn)性反饋移位寄存器輸出最長(cháng)序列的條件為：
(1)f(x)是既約的；
(2)f(x)可整除xm+1，m=2n-1；
(3)f(x)除不盡xm+1，qm。
將這樣的特征多項式稱(chēng)為本原多項式。在制作m序列發(fā)生器時(shí)，移位寄存器的反饋線(xiàn)(及模2加法電路)的數目直接決定于本原多項式。由于本原多項式的逆多項式也是本原多項式，因此一個(gè)本原多項式可以生成兩種互為逆碼的m序列。以9級m序列為例，9級m序列的本原多項式為x9+x4+1，其逆多項式為x9+x5+1同樣可以產(chǎn)生m序列，逆多項式產(chǎn)生的m序列與本原多項式x9+x4+1產(chǎn)生的m序列互為逆碼。