M序列偽隨機碼在測距回答概率控制中的應用

摘要：通過(guò)對機載測距詢(xún)問(wèn)器檢測中測距回答概率控制的工作特性的分析，提出一種基于m序列偽隨機碼的具有可設定測距回答概率功能及隨機回答特性的測距回答概率控制設計方案，并給出其具體的PLD實(shí)現電路。 關(guān)鍵詞：m序列 偽隨機碼 可編程邏輯電路（PLD） 測距器（Distance Measuring Equipment）系統分為機載詢(xún)問(wèn)器和地面應答器兩部分。其測距原理為二次雷達測距原理。系統工作時(shí)，由機載詢(xún)問(wèn)器發(fā)射測距詢(xún)問(wèn)脈沖，經(jīng)距離d到達地面應答器接收機，經(jīng)信號處理，并延遲一個(gè)系統固定時(shí)間后，測距回答脈沖被回發(fā)。機載詢(xún)問(wèn)器計算出詢(xún)問(wèn)與回答脈沖之間的時(shí)間間隔t，即可計算出飛機與地面應答器的斜距d，公式如下： d=c(t-Δt)/2 其中，Δt為系統延時(shí)，c為無(wú)線(xiàn)電波的傳播速度。 由測距原理可以知道，要對機載詢(xún)問(wèn)器的測距性能指標進(jìn)行檢測，就必須模擬地面應答器產(chǎn)生的回答脈沖。而在實(shí)際測距系統工作中，由于各種干擾存在，使測距回答率不可能達到100%。所以，為在不同回答數目情況下對機載訪(fǎng)問(wèn)器進(jìn)行綜合性能測試，需要對測距回答概率進(jìn)行控制，以達到檢測目的。 本文通過(guò)對測距回答概率控制過(guò)程的特性分析，提出一種基于m序列偽隨機碼的實(shí)現方法，并給出了具體PLD實(shí)現電路。 1 設計方案 1.1 特性分析 模擬應答器由機載詢(xún)問(wèn)脈沖觸產(chǎn)生回答脈沖，原理框圖如圖1所示。經(jīng)模擬應答器接收機解調后的視頻詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)過(guò)詢(xún)問(wèn)脈沖處理電路處理后，輸出回答脈沖觸發(fā)信號；經(jīng)測距回答概率控制電路進(jìn)行回答概率判決，得到回答觸發(fā)信號；觸發(fā)回答脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生視頻回答脈沖，經(jīng)調制后發(fā)射，供機載詢(xún)問(wèn)器接收處理。本文所研究的重點(diǎn)即測距回答概率控制電路。 在測距回答概率控制工作過(guò)程中有幾個(gè)特性需要特別注意。首先，測距回答概率控制電路由詢(xún)問(wèn)脈沖間接觸發(fā)，即視頻詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號為測距回答概率控制過(guò)程同步觸發(fā)信號；其次，根據檢測要求，測距回答概率范圍在0%～100%之間（一般達不到100%），并且以一定步進(jìn)可調，如10%或20％等；第三,兩個(gè)測距回答概率控制電路輸出的回答脈沖觸發(fā)信號的時(shí)隔是隨機變化的，而不是按相等時(shí)間間隔平衡分配的；同時(shí)，測距回答概率控制電路的工作速率要快，以增強系統檢測性能。 1.2 理論方案 根據回答概率控制的特性知道，應把詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號作為測距回答概率控制電路的同步信號（或者說(shuō)時(shí)鐘）。測距回答概率P回∈[0%,100%]，以10％或20%步進(jìn)可調?，F以20%步進(jìn)為例，其可調值為0%、20%、40%、60%、80%、100%，即P回為整個(gè)概率空間上的幾個(gè)離散點(diǎn)。 由于回答脈沖在固定概率控制下是隨機產(chǎn)生的，其產(chǎn)生過(guò)程是隨機過(guò)程，所以可以通過(guò)模擬具有隨機特性的隨機過(guò)程來(lái)實(shí)現固定概率下回答脈沖隨機的產(chǎn)生。 但是，一方面模擬產(chǎn)生完全符合隨機分布的隨機過(guò)程很難實(shí)現；另一方面，在實(shí)際機載詢(xún)問(wèn)器檢測中，測距回答總數有限，利用完全符合正態(tài)分布的隨機過(guò)程隨機產(chǎn)生回答信號，很難達到所規定的測距回答概率控制要求。從這兩個(gè)方面出發(fā)，采用偽隨機過(guò)程，即具有周期性的隨機過(guò)程，而每個(gè)周期內的隨機變量近似服從隨機分布。 在這里，利用N位m序列產(chǎn)生周期n=2N-1的偽隨要序列，其自相關(guān)函數與平穩高斯隨機分布的自相關(guān)函數之間的比較如圖2所示?？梢?jiàn)，m偽隨機序列的隨機性是具有周期性的，其周期為n，n即周期內隨機變量的個(gè)數。實(shí)際上，偽隨機序列就是隨機序列的周期沿拓。圖2中，τ為離散值。 由于m偽隨機序列在每個(gè)周期內有n(n≤2 N-1)個(gè)偽隨機數，具有近似離散隨機分布特性，這里把這個(gè)離散隨機分布特性與固定概率控制下的回答脈沖隨機產(chǎn)生相對應。而測距回答概率的控制則根據n個(gè)偽隨機數的數值大小作為門(mén)限來(lái)判定， 即把偽隨機數的值作為測距回答概率判決條件。具體判決過(guò)程如下： n個(gè)偽隨機數為x1，x2，…，xi,…,xn,xi∈(x1…xn)；測距回答概率P回符合離散隨機分布特性，設x為由詢(xún)問(wèn)信號觸的m序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機數，其值包含在n個(gè)偽隨機數的取值范圍內，則測距回答概率取值規則如下： P回（x≥x1）=n/n%26;#215;100%=100%； P回（x≥x2）=(n-1/n)%26;#215;100%； P回（x≥x3）=（n-2/n）%26;#215;100%； …… P回（x≥xn）=1/n%26;#215;100％； P回（設定為不回答狀態(tài)）=0%。 由以上各式，可以通過(guò)設定不同的偽隨機數值作為測距回答概率判決門(mén)限的方式，來(lái)設定不同的測距回答概率值。實(shí)際中，首先確定測距回答概率配置，然后通過(guò)不同的偽隨機數數值門(mén)限加以實(shí)現。其原理框圖如圖3所示。N位m序列產(chǎn)生電路在詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號觸發(fā)下產(chǎn)生n個(gè)N位二進(jìn)制偽隨機數，經(jīng)譯碼電路進(jìn)行二-十進(jìn)制轉換，形成各種數值電平，由概率判決電路進(jìn)行判決。若為設定測距回答概率判決門(mén)限之上的偽隨機數值，則輸出回答觸信號，否則沒(méi)有回答觸發(fā)信號輸出。其中，判決門(mén)限由測距回答概率設置輸入配置。 2 具體實(shí)現 為提高電路的工作效率并使其具有靈活的可編程性能，采用PLD可編程邏輯器件實(shí)現?，F以N=4位m序列偽隨機數產(chǎn)生器為例詳細介紹一下（測距回答概率步進(jìn)為20%）。 2.1 m序列產(chǎn)生電路 以四級（N=4）移位寄存器構成周期為n=2n-1=15的m序列偽隨機數產(chǎn)生器，本原多項式為f（x）=1+x+x4，原理圖如圖4所示。利用詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號作為m序列產(chǎn)生器同步時(shí)鐘，4位并行輸出二進(jìn)制數產(chǎn)生周期為15的偽隨機數，產(chǎn)生的偽隨機數如表1所示。 表1 偽隨機數列表 觸發(fā)序號 D3 D2 D1 D0 偽隨機數譯碼輸出 1 1 0 0 0 8 d8 2 1 1 0 0 12 d12 3 1 1 1 0 14 d14 4 1 1 1 1 15 d15 5 0 1 1 1 7 d7 6 1 0 1 1 11 d11 7 0 1 0 1 5 d5 8 1 0 1 0 10 d10 9 1 1 0 1 13 d13 10 0 1 1 0 6 d6 11 0 0 1 1 3 d3 12 1 0 0 1 9 d9 13 0 1 0 0 4 d4 14 0 0 1 0 2 d2 15 0 0 0 1 1 d1 2.2 二-十進(jìn)制譯碼電路 譯碼電路原理圖如圖5所示。四位二進(jìn)制偽隨機數碼經(jīng)4-15譯碼器譯為d1～d15輸出，高電平有效，d1～d15與偽隨機數的對應關(guān)系如表1所示。當每一個(gè)詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號到來(lái)時(shí)，m序列產(chǎn)生1個(gè)偽隨機數，對應d1～d15中有一個(gè)為高電平。 2.3 測距回答概率判決電路 各個(gè)偽隨機數值作為門(mén)限時(shí)的測距回答概率如下： P回（x≥1）=15/15%26;#215;100%=100%； P回(x≥2)=(14/15)%26;#215;100%； …… P回（x≥15）=1/15%26;#215;100%； P回（設定為不回答狀態(tài)）=0%。 門(mén)限為1，P回(x≥1)=15/15%26;#215;100％=100%,d1～d15任意有效均有輸出； 門(mén)限為4，P回（x≥4）=12/15%26;#215;100%=80%，d4～d15任意有效均有輸出； 門(mén)限為7，P回（x≥7）=9/15%26;#215;100%=60%，d7～d15任意有效均有輸出； 門(mén)限為10，P回(x≥10)=6/15%26;#215;100%=40％，d10～d15任意有效均有輸出； 門(mén)限為13，P回(x≥13)=3/15%26;#215;100%=20%,d13～d15任意有效均有輸出； 不回答狀態(tài)，P回（不回答）=0%，d1～d15任意有效均無(wú)輸出。 無(wú)回答狀態(tài)就是封閉概率控制電路的觸發(fā)輸出信號，無(wú)論產(chǎn)生偽隨機數值為多少，人為造成詢(xún)問(wèn)不回答狀態(tài)。判決電路如圖6所示。譯碼門(mén)輸出的d1～d15電平信號，分別與外部測距回答概率設定電平P0～P4相與后，經(jīng)同一個(gè)或門(mén)輸出。d1～d15每三個(gè)一組，分別與P0～P4相與，即d1～d3分別與P4，……，d13～d15分別與P0相與。顯然，只有當d1～d15任何一個(gè)電平與相對應的P0～P4中的一個(gè)電平同時(shí)為高電平時(shí)，或門(mén)輸出回答觸發(fā)信號，高電平有效，此時(shí)啟動(dòng)回答。其中測距回答概率設定電平P0～P4由外部配置，其電平配置與測距回答概率設定數值的對應關(guān)系如表2所示。 表2 電平配置與測距回答概率設定數值的對應關(guān)系 P4 P3 P2 P1 P0 測距回答概率 1 1 1 1 1 100% 0 1 1 1 1 80% 0 0 1 1 1 60% 0 0 0 1 1 40% 0 0 0 0 1 20% 0 0 0 0 0 0% 2.4 提高步進(jìn)精度的改進(jìn)電路 要使測距回答概率控制步進(jìn)精度進(jìn)一步提高，如達到10%,若用以上方法，取步進(jìn)門(mén)限1時(shí)，P回（步進(jìn)）=1/15%26;#215;100%=6.7％,取步進(jìn)門(mén)限2時(shí)， P回（步進(jìn)）=2/15%26;#215;100％=13.3%，因而只有取步進(jìn)門(mén)限1.5時(shí)才可達到P回（步進(jìn)）=1.5/15%26;#215;100%=10%的步進(jìn)要求。但按前面的方案，門(mén)限不可以取分數，所以用以上電路提高步進(jìn)精度誤差太大。因此，必須重新選取產(chǎn)生偽隨機數個(gè)數，以適應步進(jìn)精度提高的要求。為兼顧測距回答隨機性與提高步進(jìn)精度兩個(gè)方面的要求，對于10%步進(jìn)，選用5位m序列產(chǎn)生器，利用反饋方式把其隨要內戰數減少為20個(gè)。其它步進(jìn)精度要求的可由此方法實(shí)現。其實(shí)現通用的原理框圖如圖7所示。 根據用于檢測機載詢(xún)問(wèn)器性能的模擬回答信號的測距回答概率控制特性可知，該方案達到了要求，滿(mǎn)足了測距回答概率配置要求。以一定步進(jìn)可調，且測距回答概率步進(jìn)精度可以通過(guò)改進(jìn)電路來(lái)提高；同時(shí)，m序列偽隨機數的隨機產(chǎn)生性符合測距回答信號隨機產(chǎn)生特點(diǎn)，偽隨機碼的周期隨機性，也符合詢(xún)問(wèn)檢測次數有限的特性。利用PLD可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現，不但有利于在線(xiàn)調試電路，而且可以靈活地改進(jìn)電路，利于開(kāi)發(fā)。