基于FPGA的扩频测距快速捕获仿真研究

距离测量是测试技术中的一项基本测试技术，其几乎贯穿于工程实践的每个领域。在军事航天领域，由于其特殊的需求，对测距系统的量程、实时性和精度要求越来越高，而扩频测距由于其抗干扰能力强、精度高、作用范围广、隐蔽性好、适应性强、全天候等优势，在测距系统中得到了重视。
     扩频测距也称伪码测距，它是采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号，将它与目标反射或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的码片数，从而看出其时间差，换算出发射机与目的地之间的距离。如果码片选得很窄，即码速率做得很高，那么就可以完成高精度的测距。但随着码速率的提高和码周期的加长，传统的捕获时间将达到不可容忍的地步，所以需要考虑快速捕获算法。
    由扩频码的自相关函数可知，只有在t’=(t-τ)时，扩频解调输出V(t)的信号最大。根据τ就能算出两地的距离 ，c为电磁波传播速度。
     由于计算两序列的自相关函数 需要用循环卷积代替自相关函数来计算扩频测距系统中的码片偏移，可以节省运算时间(大约为1／114)，加快捕获过程。设x(n)，y(n)分别为现有发射PN码与反射回来的PN码，序列长度为N，对它们分别做N点FFT，记

     可知R(m)为现有发射PN码与反射回来的PN码之间的相关值序列，长度为N，可知当R(m)中最大值的序列号减1即为码片差。

1 仿真方案设计
     首先由m序列发生器产生出两路序列长度为N的PN码，其中一路经过延时模块以后与另一路分别进入FFT模块进行FFT运算，将进行FFT后的两组数据运算后进入IFFT模块得出序列组，由序列组得出两路序列之间的码片偏移数，从而算出其时延。系统总体框图如图1所示。
   
   

2 主要模块仿真结果
2．1 PH码产生模块
     本设计选取的PN码为63位，本征多项式为x6+x+1。该PN码产生器由VHDL语言编写，其仿真结果如图2所示。
   
   
2．2 FFT转换模块
     该模块是本设计的核心模块，由输入缓冲器、FFT运算器、控制器构成，完成对数据的FFT变换。将PN码发生器产生的数据存入输入缓冲器中，在控制器的控制下，FFT运算模块从输入缓冲器中读取出数据值进行FFT变换，然后得出输出数据。图3所示为FFT模块的输入输出关系。fft_imag_out，fft_real_out分别为输出数据的实部、虚部和修正因子，m_soutoe_sop为输出数据的起始位。
   
   2．3 计算模块
     设两路信号进行FFT后的数据为
     
     可见对进行FFT变换后需要进行的运算处理其实质是一个乘加，一个乘减和一个加法运算，其中乘加运算仿真结果如图4、图5所示。
   
   
2．4 判断模块
     判断模块的主要功能是对IFFT后的序列的最大值进行判断，得出其最大值所在的序列号减1就为其码片差τ。clk为时钟信号，rest为开始信号，data_in为输入数据，data_out为输入数据data_in中最大值所在的序列号减1。图6为判断模块仿真结果。
   
   2．5 系统总设计图及仿真结果
     本设计采用自顶向下的设计方法，利用VHDL语言描述出扩频测距快速捕获的各个功能模块。图7所示为总体仿真结果，图中fft_imag_ outf，fft_real_outf为ifft后的数据，data_out为输出数据，由此可见，仿真结果与设定的τ=3一样，验证了本设计的可行性。
   
   
3 结束语
     采用FFT代替自相关函数计算扩频系统中的码片偏移可节省硬件计算时间。经过硬件的优化设计与仿真，在Altera Straix II系列FPGA上，时钟频率达到109．1 MHz，捕获时间和计算时间大约在2μs，捕获时间提高。此外，由于扩频技术可以极大地抑制突发干扰和脉冲干扰，所以扩频测距比起传统的测距方法，如激光测距，超声测距等方法能适用于更恶劣的环境，如卫星测控，而由于使用快速捕获技术，可进一步提高实时性，在对测距实时性要求更高的引信技术中也可以采用。