基于PN序列抽取的伪码调相引信信号处理研究*

张庆辉，刘明友，向云强

(1河南工业大学信息科学与工程学院，郑州 450001;2防空兵学院，郑州 450052)

0 引言

伪码调相引信运用距离相关器和包络检波器，能在强干扰环境下直接测量目标距离。该类引信测距分辨率比较高，一般为 0.5～5m，由所使用的 PN(pseudorandom noise)序列的位宽所决定[1]。然而，PN序列的位宽越小，要求ADC的采样频率越高(典型的采样率为30～300MHz)。考虑到高采样速率对系统其它指标带来的较高要求，比如动态范围和DSP的处理速度，用现有的元器件难以构建一个理想的数字化引信系统。鉴于此，文中在该类引信中引入抽取技术，运用抽取PN序列的原理减少了对ADC采样率和数字硬件处理速率的要求，构建一个带有抽取数字相关器的引信回波处理系统。

1 抽取PN序列原理

如果一个伪码调相引信所用发射PN序列的位宽设为4m，而期望炸高设为8m，那么接收PN序列需要有4位的延迟[2]。如图1所示。

图1 PN序列

若对图1(b)中的序列进行2倍抽取，则抽取后的序列如图2所示。

图2 延迟和抽取后的接收PN序列

从图2可以看出，对PN序列抽取处理后产生的序列除了相移外，与原始序列相同。但抽取因子 ρ不是任意的，必须与PN序列的长度L互为质数。对于长度为L的PN序列来说，总共有L/m种不同的序列，其它相同长度的不同PN序列都可以通过用与L互质的ρ抽取该序列获得。一组ρ对应一种新的PN序列，那么长度L的L/m种不同PN序列就有L/m组ρ。只有当ρ =1，2，4，…，2m－1时(m 是 PN 序列的阶数)，所得序列除了可能的相移外，与原始序列是同样的序列，而且它们有相同的自相关特性。在伪码调相引信中，用这样的序列代替抽取前的发射PN序列进行相关运算，不会影响引信系统的定距性能和干扰抑制性能[3]。

2 基于抽取的伪码调相引信实现

基于抽取的伪码调相引信(以下简称抽取伪码调相引信)总体框图如图3所示。

图3 抽取伪码调相引信总体框图

射频信号源通过二进制相位调制器被时钟频率为fPN的发射PN序列所调制。二进制相位调制器的输出经功率放大器被送到发射天线。该信号为:

其中，相位项φPN与PN序列有关，受二进制相位调制器控制。

接收信号首先通过一个高增益的低噪放大器，以设置接收机噪声系数。该信号相对于发射信号来说，被延迟、衰减和放大，并且由于目标与引信之间的相对运动频率被偏移fd:[4]

低噪放大器的输出通过下变频混频器和一个来自射频源的参考信号混频，被转换到基带:

基带信号有一个中心位于目标多普勒频率处的PN频谱。

下变频混频器的基带输出信号被送到预滤波器，以便在A/D子系统抽取采样前降低宽带噪声。

在非抽取伪码调相引信中，要求A/D子系统的采样时钟频率fA/D与发射PN序列的时钟频率fPN同步。而文中通过运用抽取PN序列的原理，fA/D实际上只相当于fPN的1/ρ。A/D子系统的输出信号用yp(t)表示。

信号然后被送到受接收PN序列sρk驱动的数字相关器。sρk是发射PN序列sk被ρ倍抽取后的延迟序列。数字相关器根据sρk的值，转换yp(t)的符号位。因此，数字相关器的输出是

在没有干扰和噪声存在时，在相关的距离上，数字相关器的输出是一个纯正弦信号，其频率等于fd。在不相关的距离上，数字相关器的输出是受PN序列调制的多普勒频率，即有一个中心位于 fd处的 PN频谱。

数字相关器的输出被送到一组累加器中，以精确地测量目标距离。累加器1用来在一个接收PN序列的周期内把数字相关器的输出累加起来。在每个PN序列间隔的结尾通过检波器把累加器的幅度提取出来并传到累加器2。累加器2根据要求的目标探测积分时间和累加器(低通滤波器)的频率响应，重复执行预定数量的PN序列间隔。定时模块给包络检波器和累加器2提供适当的定时。当累加器2的输出信号幅度达到预定的电平时，输出启动脉冲，触发执行级产生引爆信号。

需要说明的是，在抽取伪码调相引信的实际实现中，数字相关器的输出在相关距离上产生一个矩形脉冲，其宽度等于发射PN序列的位宽。因此，数字相关器的输出保持了发射PN序列的距离分辨率。

3 仿真结果

用systemview块图模型对图3描述的抽取伪码调相引信进行了仿真[5]。表1中列出了主要仿真参数。

文中测量抽取伪码调相引信性能的方法是计算距离响应。

图4包含4个距离响应，分别是一个非抽取伪码调相引信响应(ρ=1)和3个抽取伪码调相引信响应(ρ=2，3，4)。所有的距离响应几乎都是一致的，除了ρ=3的抽取伪码调相引信，它对于一个63位的PN序列来说，是一个无效的抽取因子。引信的干扰抑制性能是36dB，它对于63位PN序列的伪码调相引信来说是一个理想值。

表1 抽取伪码调相引信仿真参数设置

图4 抽取伪码调相引信距离响应(L=63，ρ=1，2，3，4)

4 结论

文中讨论了一种基于抽取PN序列原理的伪码调相引信实现过程，并通过仿真进行验证。该方法在保持引信距离分辨率的同时，减小了对A/D采样速率和DSP处理速率的要求，从而解决了伪码调相引信数字化实现过程中的一大难题。该方法的缺陷是降低了信号的信噪比(SNR)。因此，相关过程中需要增加积分时间以提高SNR。

[1]Hogberg，S.W.Decimating pseudorandom noise teceiver[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1999，35(1):338 －343.

[2]曾兴雯，刘乃安，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安:电子科技大学出版社，2004.

[3]张庆辉.伪码调相引信探测与起爆控制技术研究[D].北京:北京理工大学，2006.

[4]Merrill I Skolnik.雷达手册[M].3版.南京电子技术研究所，译.北京:电子工业出版社，2010.

[5]孙屹.Systemview通信系统仿真开发手册[M].北京:国防工业出版社，2004.