謝 鑫，杜 松

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

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【光學(xué)工程與電子技術(shù)】

基于LabVIEW的多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)仿真

謝 鑫，杜 松

(海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

設(shè)計(jì)一種多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)仿真系統(tǒng)；在深入分析偽隨機(jī)碼產(chǎn)生原理和性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用LabVIWE環(huán)境圖形化和模塊化的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)索引數(shù)組移位寄存和建立條件結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)的仿真；結(jié)果表明：系統(tǒng)操作界面友好，具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，可用于演示偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生和驗(yàn)證引信的抗干擾性能。

LabVIEW；多級(jí)數(shù)；偽隨機(jī)信號(hào)；移位寄存器

引信是各種彈藥終端毀傷效能的控制系統(tǒng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有著不可或缺的地位。偽隨機(jī)碼調(diào)相無(wú)線電引信具有檢測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)和無(wú)模糊距離測(cè)量等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著電子技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，引信信號(hào)的仿真更加靈活經(jīng)濟(jì)，逐漸成為引信設(shè)計(jì)和分析的重要手段。

LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的一款優(yōu)秀的圖形化編程語(yǔ)言，它使用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其他應(yīng)用程序通信的VI庫(kù)。LabVIEW操作靈活，容易編制良好人機(jī)界面，廣泛應(yīng)用到圖形仿真、數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析等領(lǐng)域[3]。

傳統(tǒng)的偽隨機(jī)碼發(fā)生器功能較為單一，只能產(chǎn)生特定的偽隨機(jī)碼，不利于演示觀測(cè)。利用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，對(duì)偽隨機(jī)碼原理教學(xué)演示以及研究引信偽隨機(jī)碼探測(cè)體制抗干擾能力都有一定意義。

1 基本原理

1.1 偽隨機(jī)碼序列生成

偽隨機(jī)碼是由線性移位寄存器產(chǎn)生最長(zhǎng)的周期性序列。圖1是一個(gè)n級(jí)線性移位寄存器，L是模2加法器，執(zhí)行異或邏輯運(yùn)算。在時(shí)鐘脈沖的作用下，暫存在移位寄存器H1、H2…Hn-1、Hn的0或1逐級(jí)向右移動(dòng)而發(fā)生改變，通過(guò)Hm輸出變化了的是編碼序列；同時(shí)，輸出序列又和反饋抽頭的序列進(jìn)行模2加運(yùn)算，進(jìn)行下一步移位輸出[4]。

圖1 n級(jí)線性移位寄存器原理圖

1.2 偽隨機(jī)碼信號(hào)調(diào)制

偽隨機(jī)碼調(diào)相無(wú)線電引信的調(diào)制信號(hào)是基于二相相移鍵控調(diào)制方式(BPSK)調(diào)制的，即發(fā)射載波被偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)相位在0和π變化。

偽隨機(jī)碼信號(hào)p(t)可以表示為

(1)

圖2是通過(guò)Matlab仿真產(chǎn)生的BPSK調(diào)制的7級(jí)偽隨機(jī)碼波形圖。從圖2可以看出，BPSK偽隨機(jī)信號(hào)與其采用的偽隨機(jī)碼信號(hào)變化一致。

圖2 7級(jí)BPSK偽隨機(jī)碼波形

偽隨機(jī)碼信號(hào)可以攜帶信息，但不能進(jìn)行傳播，因此需要把偽隨機(jī)碼信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上才能發(fā)射。偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)表示為

U(t)=A·p(t)·cos(2πf0+φ0)

(2)

式(2)中，A是發(fā)射信號(hào)的幅度，f0是載波頻率，φ0是初始相位。圖3是通過(guò)Matlab仿真產(chǎn)生的7級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)。

圖3 7級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)波形

1.3 參數(shù)的確定

偽隨機(jī)碼參數(shù)選擇要從引信的距離特性、抗干擾能力、靈敏度以及設(shè)備的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)性等方面綜合考慮進(jìn)行最優(yōu)選擇。影響偽隨機(jī)碼參數(shù)選取的主要因素是碼元寬度和序列長(zhǎng)度[5]。

1) 碼元寬度。根據(jù)偽隨機(jī)碼的自相關(guān)函數(shù)可知，碼元寬度越窄，引信的距離分辨力越強(qiáng)，精度越高。偽隨機(jī)碼的頻譜寬度理論上是無(wú)窮大的，但是實(shí)際其能量的90%集中在第一個(gè)零值點(diǎn)之內(nèi)，可以把0～Δf之間的頻譜看為偽隨機(jī)碼的頻譜寬度，頻譜寬度Δf為

(3)

從式(3)中可以看出，偽隨機(jī)碼的頻譜寬度和碼元寬度成反比。碼元寬度越窄，頻譜寬度越寬，信號(hào)的抗干擾能力越強(qiáng)，信號(hào)被截獲的概率越低。但過(guò)窄的碼元寬度會(huì)使射頻信號(hào)失真，導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降[6]。通常將碼元寬度選擇為10～100μs。

2) 序列長(zhǎng)度。偽隨機(jī)碼的序列長(zhǎng)度P為

P=2n-1

(4)

式(4)中n是偽隨機(jī)碼的級(jí)數(shù)。

由偽隨機(jī)碼的自相關(guān)函數(shù)可知，序列長(zhǎng)度越長(zhǎng)，函數(shù)副瓣越小，抗干擾能力越出色。但是，序列長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加多普勒頻率對(duì)相關(guān)函數(shù)的影響。另外，過(guò)長(zhǎng)的序列會(huì)影響引信測(cè)速的計(jì)算時(shí)間。在實(shí)際工程中，偽隨機(jī)碼周期至少要達(dá)到多普勒信號(hào)周期的4倍[7]，即：

(5)

式(5)中fd是多普勒頻率。

因此文中的多級(jí)數(shù)符合工程需要，而不是任意可調(diào)。本文的級(jí)數(shù)采用5級(jí)、7級(jí)和9級(jí)3種級(jí)數(shù)。

2 模塊設(shè)計(jì)

LabVIEW的設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，即一個(gè)程序可以分成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一定的功能，模塊之間相對(duì)獨(dú)立。圖4是系統(tǒng)的主程序圖，主程序主要包含多級(jí)偽隨機(jī)碼生成模塊和波形產(chǎn)生顯示模塊。

圖4 系統(tǒng)主程序

2.1 多級(jí)偽隨機(jī)碼生成模塊

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要模塊，它的功能是實(shí)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)偽隨機(jī)碼數(shù)組的生成。在偽隨機(jī)序列中，移位寄存器的反饋線的數(shù)目決定了本原多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)，為了使m序列產(chǎn)生更加簡(jiǎn)單有效，簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，使用項(xiàng)數(shù)最少的本原多項(xiàng)式[8]。圖5是一個(gè)7級(jí)移位寄存器序列產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖，它的本原多項(xiàng)式是：x7+x3+1，即1010101，式(6)是它的反饋邏輯：

Hn=Hn-3⊕Hn-6

(6)

圖5 7級(jí)移位寄存器序列產(chǎn)生結(jié)構(gòu)

移位寄存器中的模2加法器由異或函數(shù)實(shí)現(xiàn)。圖6是異或函數(shù)控件，當(dāng)兩端輸入都為T(mén)RUE或都為FALSE，函數(shù)返回FALSE。否則，返回TRUE[9]。

圖6 異或函數(shù)控件

圖7偽隨機(jī)碼序列產(chǎn)生流程圖，索引數(shù)組對(duì)初始的一維偽隨機(jī)碼數(shù)組進(jìn)行索引時(shí)，輸入端元素的個(gè)數(shù)由移位寄存器的級(jí)數(shù)決定，其輸出為與輸入數(shù)組數(shù)據(jù)類型相同的數(shù)值元素。輸出的元素創(chuàng)建新的數(shù)組，寄存器移位寄存后進(jìn)行下一次的輸出。因?yàn)楫a(chǎn)生的偽隨機(jī)碼是0-1序列，為了達(dá)到調(diào)相的效果，需要通過(guò)乘法器和加法器將移位寄存器輸出的0-1序列轉(zhuǎn)化成1-1序列。

為了實(shí)現(xiàn)各級(jí)數(shù)的選擇，需創(chuàng)建條件結(jié)構(gòu)。當(dāng)條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行時(shí)，僅有一個(gè)級(jí)數(shù)偽隨機(jī)碼生成子程序框圖執(zhí)行?？刂戚斎霐?shù)據(jù)類型為枚舉類型，枚舉控件和下拉列表控件十分相似，它是有序的、自動(dòng)分配的。建立枚舉控件，在“編輯項(xiàng)”屬性頁(yè)面中設(shè)置添加“5級(jí)”、“7級(jí)”、“9級(jí)”。圖8、圖9和圖10分別是5級(jí)、7級(jí)和9級(jí)移位寄存器的程序圖。

圖7 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生流程

圖8 5級(jí)移位寄存器程序

圖9 7級(jí)移位寄存器程序

圖10 9級(jí)移位寄存器程序

2.2 波形產(chǎn)生顯示模塊

該模塊的功能是將偽隨機(jī)碼信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)相處理。產(chǎn)生的1-1偽隨機(jī)碼序列經(jīng)過(guò)數(shù)組初始化，通過(guò)For循環(huán)和“替換數(shù)組子集”控件索引指定位置元素開(kāi)始替換數(shù)組，得到的一維數(shù)組數(shù)據(jù)輸入到“創(chuàng)建波形”的Y輸入端，然后將輸出接入波形圖即可顯示偽隨機(jī)信號(hào)。

偽隨機(jī)碼信號(hào)和載波信號(hào)作卷積運(yùn)算得到偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)，信號(hào)卷積運(yùn)算的表達(dá)式為

(7)

圖11是卷積控件，X是第1個(gè)輸入序列，Y是第2個(gè)輸入序列，算法指定使用的卷積方法，調(diào)用卷積控件。算法的值為direct時(shí)，VI使用線性卷積的direct方法計(jì)算卷積[10-11]。由于信號(hào)分析要求循環(huán)進(jìn)行，而整個(gè)過(guò)程都希望是人機(jī)交互的。因此，在后面板的程序設(shè)計(jì)中采用While循環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖11 卷積控件

3 仿真結(jié)果

圖12是系統(tǒng)的操作界面。用戶通過(guò)前面板很方便設(shè)置碼元寬度、移位寄存器級(jí)數(shù)和初始化輸入等相關(guān)參數(shù)。以7級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)位列，系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：級(jí)數(shù)7級(jí)，初始輸入0101010，碼元寬度50 μs，載波頻率10 MHz，載波幅度1 V，采樣數(shù)5 000。圖13是仿真產(chǎn)生7級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)，從圖13可以看出偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)是雙極性視頻脈沖，偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)和偽隨機(jī)碼的變化是一致的。偽隨機(jī)碼信號(hào)自身固有的抗干擾能力很強(qiáng)，將其應(yīng)用到偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)中，使得引信的抗干擾能力獲得極大提高。

圖12 系統(tǒng)操作界面

圖13 7級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)仿真系統(tǒng)具有操作靈活、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)以及后期的升級(jí)成本,縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。根據(jù)教學(xué)需要，設(shè)置偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示不同級(jí)數(shù)下的偽隨機(jī)碼波形，具有很好的演示效果。此外，不同參數(shù)的偽隨機(jī)碼可以配合驗(yàn)證偽隨機(jī)碼調(diào)相無(wú)線電引信的測(cè)速測(cè)距性能和抗噪聲干擾能力。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

The Design of Multi-Level PN Code Phase Modulation Signal Simulation System Based on LabVIEW

XIE Xin， DU Song

(Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China)

This paper intended to design a multi-series PN code phase modulation signal simulation system. Based on in-depth analysis of generation principle and performance features, taking advantages of LabVIEW environment graphical and modularization, the simulation of multi-level PN code phase modulation signal is realized by indexing array shift register and establishing conditional structure.The results show that the system has friendly interface, strong flexibility and expansibility, and can be used to demonstrate the generation of PN code phase modulation signal and to verify the anti-jamming performance of the fuze.

LabVIEW; multi-level; PN code; shift register

10.11809/scbgxb2017.07.033

2017-03-22；

2017-04-20

謝鑫(1980—)，男，副教授，主要從事特種裝備運(yùn)用研究。

format:XIE Xin，DU Song.The Design of Multi-Level PN Code Phase Modulation Signal Simulation System Based on LabVIEW[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):156-159.

TJ55;TN 919

A

2096-2304(2017)07-0156-04

本文引用格式：謝鑫，杜松.基于LabVIEW的多級(jí)偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):156-159.