一种递进时差测量算法研究

时间：2024-08-31

任玉伟，姚金杰

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原，030051)

0 引言

时间延迟估计是数字信号处理的重要领域，它在雷达、声纳、通信、生物医学等方面都有广泛的应用。其技术随着定位需求的提高而不断的发展，时延估计的基本方法是相关算法。而m序列是伪随机序列最重要、最基本的一种，并且它的自相关函数具有尖锐的特性，广泛应用于扩频通信、通信加密、时延测量、误码率测量、噪声产生器,以及数字信息序列的加扰与解扰等技术领域。本文通过MATLAB对时延估计算法进行了验证，进而用VHDL实现递进时差测量算法的设计。

1 伪随机序列的基本理论

1.1 伪随机序列

具有类似于随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理。并且它具有随机噪声的优点，我们把这种序列称为伪随机序列。

伪随机序列具有以下一些优点：

（1）具有很高的距离分辨力和测距精度。

（2）抗干扰能力强，并且截获概率低。

（3）有良好自相关性，并且功率谱占据很宽的频带。

（4）在工程上易于产生、加工、复制与控制。

1.2 m序列及相关函数

一个n级线性反馈移存器最多能够产生2n个不同的状态，其最长的周期等于（2n−1），而m序列是最长线性反馈移存器序列的简称。若其初始状态都为“0”，则移位后得到的状态仍为全“0”状态。图1为m序列发生器逻辑框图。

图1 m序列发生器逻辑框图

由于m序列有很好的互相关性，它的互相关函数可以定义为:

以序列周期进行归一化后，互相关函数为：

2 时差测量方法

时差测量就是测量信号经过某一传输路径所受到的时间延迟，例如，需要测量某一延迟线的时间延迟。我们经常通过测量仪无线电信号在某个媒质中的传播时间，从而折算传播距离，即利用无线电信号测距。也就是说，测距的原理实质也是时差测量。

由于m序列具有优良的周期性自相关特性，因此，用它作为测量信号可以提高时差精度。除m序列之外，其他具有良好自相关特性的伪随机序列都可以用于测量时差。

递进时差测量算法包括互相关算法、峰值获取和计算时差值。根据m序列的自相关性，接收到间隔递增相等数量码元的m序列与本地的m序列进行互相关运算，求取相关谱的峰值，其两相邻峰值之间的差值减去伪随机序列的周期即为时差值。图2为递进时差测量模块。

图2 递进时差测量模块

3 时差测量的MATLAB验证

选取4级m序列，它的反馈系数和移存器的初始状态a3a2a1a0=1000。

利用MATLAB产生9组周期N=15的m序列，并且相邻间隔递增5个码元，如图3所示。

在5dB噪声条件下，接收序列与本地序列进行递进时差算法运算，可以准确地得到相关峰值，结果如图4所示。

图3 N=15的m序列

图4 相关峰值

时差值是两相邻峰值之间的差值减去伪随机序列的周期，从图4可以准确地得到时差值为5、10、15、20、25、30、35 个码元。

4 递进时差算法VHDL实现

图4是用MATLAB程序实现互相关时延估计算法的理论结果，用VHDL实现m序列发生器和递进时差测量算法，并用Alteria 公司的quartus II8.0对m序列发生器和递进时差测量算法生成原理图模块，添加到一个顶层模块，得到RTL顶层模块，如图5所示。

Quartus II仿真文件有两种格式：vwf 格式和vec格式，前者是在QuartusⅡ波形编辑器生成的,如果仿真输入数据比较复杂时,波形输入的方法将不再适用。后者是有一定格式要求的文本文件输入方式, 可以利用文本编辑器产生。本文由于仿真输入数据简单，选用vwf 格式的仿真文件，实现间隔递增5个码元的周期N=15的m序列，如图6所示。

图5 RTL顶层模块

图6 间隔递增5个码元的N=15的m序列

用递进时差测量算法所得的时差测量结果，结果为5,10,15,20,25码元，仿真结果如图7所示。

图7 时差测量结果