基于竞争编码法的伪随机脉冲发生器设计

朱旺　刘彦　张民明

摘要：伪随机码在通信、测试、勘探等多个领域广泛应用。本文提出了一种产生伪随机脉冲的竞争编码法，避免了复杂的状态变换和逻辑运算。通过MATLAB/Simulink建立模型仿真和FFT分析，证实该方法编码简单，容易实现，可以形成任意频率组合的伪随机脉冲信号。

关键词：伪随机；脉冲信号；FFT分析；竞争编码法

中图分类号：P631.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0143-02

1 引言

伪随机码是一种具有类似白噪声性质的码，也称为伪随机（伪噪声）序列。白噪声是随机过程，瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的；具有优良的相关特性，白噪声的自相关函数类似于δ函数，但无法实现对其进行放大、调制、检测、同步及控制等操作。但是，利用白噪声作为输入信号，要精确测量互相关函数需要很长时间，二是白噪声的随机特性会引起统计误差，使重复测试的结果不一致，三是白噪声不易产生。如果用伪随机信号则可以克服上述缺点。伪随机信号兼具随机性和重复性，是精确的噪声源，不受环境变化的影响。

伪随机序列在近年兴起的扩频通信和雷达中得到了广泛的应用。例如扩展频谱雷达就是利用己经过调制的具有类似白噪声性质的伪随机编码序列作为发送信号，接收机采用相关解调的工作方式，这种雷达具有很强的抗干扰能力并且具有很高的距离分辨力和速度分辨力。在电法勘探中，由于大地存在各种各样的天然和人为的电磁干扰，因此要求测量仪器具备很强的抗干扰能力[1-3]。伪随机编码序列具有良好的自相关特性，因此在提高通信和测试系统的抗干扰性能方面得到了广泛的采用。

2 伪随机多频信号编码原理

an序列伪随机多频信号法由我国的何继善院士首先提出，基本原理是根据an序列伪随机多频信号编码的数学原理，用三码元：-1，0，1代表电流-Io、0、Io；将多个不用频率的电流合成为包含这些电流中所有频率成分的合成电流，通过观测可以得到相同数量的频率响应。采用an序列伪随机激电法，1次能够提取多频率的振幅谱和相位谱（或者实分量和虚分量），构成较完整的振幅谱和相位谱（或实谱和虚谱），为分辨异常性质提供依据。

文献[1]中的伪随机多频波产生方法，比较复杂。由于采用状态机实现，N频波有2n个状态，当N较大时，状态很多，不利于编程和速度。本文提出一种简单的竞争编码法，该文献中的波形可由不同频率的脉冲经过简单的运算和比较得到。令各个单频波的脉冲起始时刻相同，起始值都为正，然后各个方波相加，相加后的值（取符号函数运算）若>0，则为1，<0则为-1。也可以将各个单频波作为输入，进行高低电平数竞争，通过高电平和低电平的多少得到多频波的电平，形成新的多频波。高电平数多于低电平数，则为正，反之则为负。

3 伪随机脉冲频谱分析

信号的频谱分析建立在傅里叶分析的基础上，求出与时域描述相对应的频域描述，从中找出信号频谱的变化规律，以达到特征提取的目的.本文利用MATLAB/Simulink建立伪随机脉冲的原理模型，并基于快速傅里叶（FFT）分析方法对单频方波脉冲和伪随机脉冲的频谱进行对比。

设定三种主频分量，频率分别为10Hz、20Hz和40Hz。Simulink模型如图1。

合成的伪随机方波波形图如图2（横坐标为时间，单位为s），频谱图如图3。

图4和图5分别是10Hz单频方波的波形（横坐标为时间，单位为s）和频谱图。

根据以上FFT分析结果，伪随机脉冲在10Hz、20Hz和40Hz处的含量均较高，而单频脉冲的幅频谱随着频率的增加迅速衰减，而且当以10Hz为基频进行分析时，偶次谐波消失。但是采用伪随机脉冲编码可以合成任意频率的波形，进而提高指定频率成分的能量。

4 结语

伪随机码兼具白噪声和长周期重复性的特点，是电子测试和通信、探测领域常用的信号源，易于实现不同频率较均匀的能量分布。采用竞争编码法产生伪随机脉冲，避免了复杂的状态转换，原理简单，容易实现，且可以产生任意指定频率的多脉冲组合。

参考文献

[1]何繼善，佟铁钢，柳建新.an序列伪随机多频信号数学分析及实现[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（6）：1666-1671.

[2]王伟，张群英，方广有.浅表层伪随机编码超宽带探地雷达研制[J].仪器仪表学报，2012，33（8）：1902-1908.

[3]骆文，赵强.Matlab在信号与系统中的应用[J].数字技术与用，2010（10）：144-145.