APP下载

基于伪随机序列的无线电测距系统设计

2016-11-28张松+张亚

航空兵器 2016年4期
关键词:测距滤波精度

张松+张亚

摘要: 为了提高工作机的测距能力, 测距系统不仅要对所测距离具有快速精确的判断, 而且必须具备较高的抗干扰能力。 基于伪随机序列的无线电测距系统利用QPSK原理调制M序列, 然后通过无线电发射作为测距介质, 具有测距范围广、 抗干扰能力强的特点。 同时系统采用TMS320F28335作为运算和控制的主控芯片, 具有精确度高、 实时性强的特点。 实验数据证明了无线电测距系统的可行性。

关键词: TMS320F28335; M序列; QPSK; 无线电测距

中图分类号: TP242文献标识码: A文章编号: 1673-5048(2016)04-0042-05

Abstract: In order to improve the ability of working machine range, ranging system should not only have quick and accurate judgement for the measured distance, and must have a high antiinterference ability. Using the QPSK principle, the M sequence is modualted by radio ranging system based on pseudorandom sequence, and then the M sequence is transmitted by radio as the distance measuring medium, which has the characteristics of wide ranging and strong antiinterference ability. At the same time, the system uses TMS320F28335 as the main control chip to comput and control, which has the characteristics of high accuracy and strong realtime. The experimental results show the feasibility of the system.

Key words: TMS320F28335; M sequence; QPSK; radio ranging

0引言

工业技术的发展要求工作机具有很强的测距能力, 包括测距范围和精度、 实时性以及抗干扰能力。 由此衍生出许多测距的方法: 利用超声波作为测距介质, 精度较高, 但是抗干扰能力较差, 测距范围小; 利用红外线作为测距介质, 精度较高, 但是测距范围较窄且成本高; 利用激光作为测距介质, 精度较高, 所测范围广, 但是对工作环境要求高, 测距系统成本高。

基于伪随机序列的无线电测距系统采用硬件的编码法, 将DSP生成的M序列经过QPSK调制电路进行数字调制, 通过电磁波发射器发射。 电磁波遇到目标物体后反射回来, 被电磁波接收器接收, 将其放大、 解扩、 滤波、 采样, 提取出回波中的M序列, 将其与本地的M序列在DSP中做自相关运算, 计算出延迟时间τ, 从而计算出所测距离。 系统编码采用码元较小、 周期较长的M序列, 可提高系统测距精度和测距范围。

1伪随机序列的概述

伪随机序列拥有较好的特性, 一方面其随机性与随机序列相似, 另一方面其相关函数与白噪声接近, 最重要的是可以通过其结构预先确定并且能够重复的产生。 本文所设计系统采用的M序列便是伪随机序列中具有代表性的一种。

1.1M序列的测距原理

式中: τ为延迟时间。 正交编码即对应位两两正交的编码, 其互相关性很弱, 但有较强的自相关性, 即使受到外部噪声干扰也容易区分。 因为噪声与伪随机序列的互相关性极低, 噪声会被相关函数抑制, 因此正交编码拥有较强抗干扰能力。 当M序列的周期足够大时, 其自相关函数便会和δ函数十分接近, 呈现明显尖锐的二电平特性, 如图1所示。 利用M序列的这一特性将几组M序列在DSP中做一系列计算, 实时检测出现最大值的时刻, 得出电磁波的发射与接收时差, 从而计算出所要测量的距离。

M序列可以通过MATLAB编程产生, 或由Simulink仿真模块建模产生。 上述方法的特点是可视化强, 但是可移植性较差, 与脱离PC机的系统无法联接, 不利于系统调试。 本系统选择通过DSP编程产生M序列, 较为高效可靠。

电磁波测距系统需产生一个周期为p=212-1=4 095的M序列。 确定n=12级的本原多项式, 首个移位寄存器和最后一个移位寄存器必须参与反馈计算, 并且不能全为1, 因此本测距系统从众多本原多项式中选取的本原多项式为

1.4M序列调制与解调

QPSK即所谓的正交相移键控, 是一种在无线通信等领域被广泛应用的调制解调方法, 能通过载波的四种不同相位对数字信息进行表达。 QPSK正交调制过程如图4所示, 将数字信号输入, 用a表示前一个二进制码元, 用b表示后一个二进制码元, QPSK信号便可以被认为是两个正交载波2PSK信号的合成。

对QPSK信号的解调方法同样可以采用2PSK信号的解调方法。 QPSK信号解调原理图如图5所示。 首先分别采用相干解调方式对同相支路和正交支路进行解调, 从而得到I(t)和Q(t)两路信号, 然后将两路信号进行抽样判决, 最后经过并/串交换器, 把支路的并行数据恢复成系统所需的串行数据。

2测距系统硬件电路设计

基于伪随机序列的无线电测距系统的硬件电路共有六大模块, 分别是发射接收模块、 放大滤波模块、 QPSK调制解调模块、 ADC模块、 核心处理器模块以及人机对话模块, 如图6所示。

2.1核心处理器模块

测距电路采用TI公司的TMS320F28335芯片作为控制运算芯片, 其特点是拥有较多的外设功能, 高达150 MHz的处理能力, 32位浮点处理单元, 独立的乘法器、 加法器和DMA等配置使其做大量数据运算的时间大大减少。 相比较TI公司的TMS320F2812芯片, 其整体性能提高近一倍, 能较好地完成本测距系统的数据运算与控制功能。 电源采用TPS767D318电源转换芯片实现DSP所需的1.8 V, 1.8 VA, 3.3 V, 3.3 VA电压, 为了防止电磁干扰, 其中模拟地和数字地用小电阻或磁珠连接。

2.2人机对话模块

人机对话部分包括按键(6个)、 3.3 V供电的液晶LCM128645ZK显示器、 利用DSP的GPIOA、 B口、 连接按键和液晶, 如图7所示。

2.3QPSK调制解调电路模块

QPSK调制解调模块的硬件电路采用ST公司的STV0299B芯片, 内部集成了双 6-Bit 的模数转换器, I2C总线控制等电路。 拥有90 Mbps 的采样速率以及可达±45 MHz载波回路跟踪范围, 还拥有串、 并行选择输出的功能以及对邻频道有很好的抑制特性, 完全满足测距系统的要求。

2.4高速的数据采样与处理电路模块

对回波信号中的M序列进行采样转化, 波形较为简单, 所以ADC芯片的位数可以选择较低的版本, 同时M序列的码元较窄, 所以必须采用高频率的ADC芯片。 因此测距系统采用AD公司的AD9054芯片。 AD9054是一款8位单芯片模数转换器(ADC), 公司专门对其做了优化。 该器件提供的编码速率高达200 MSps, 同时其全功率模拟带宽范围在350 MHz左右, 完全满足测距系统高动态性能的要求。 AD9054的硬件连接如图8所示。

2.5信号的放大滤波电路

由于回波信号能量较为弱小, 同时信号中夹杂着干扰信号, 所以必须对回波信号进行放大和滤波处理。 测距系统选用AD公司的AD620芯片作为信号放大芯片, 具有操作简单、 增益精度高的优点, 只需外加一个电阻便可起到放大的作用, 系统采用二级放大电路, 增大放大倍数, 同时确保放大精度, 放大电路如图9所示。 测距系统选用AD公司的OP27E作为滤波电路, 将二谐高通和二谐低通相串联构成带通滤波器, 有效地衰减带通以外的信号, 滤波电路如图10所示。

3测距系统程序设计

测距系统的应用程序采用模块化编程, 便于调用和调试。 包括: M序列的产生程序、 STV0299B芯片的初始化设定程序、 STV0299B芯片与控制芯片的数据传输程序、 本地M序列和回波M序列的自相关运算程序、 人机交互程序。

3.1M序列的产生程序

3.2M序列自相关运算程序

MATLAB的一系列仿真证明了测距系统的可行性。 本次室外实验的测量距离为1~4.5 km, 测距绝对误差在10 m内, 实验结果如表1所示, 可见系统具有较强的远距离测距能力。

5结论

基于伪随机序列的无线电测距系统相比较其他原理的测距方法有其独特的优势。

测距系统的测距精度为电磁波的速度与码元的乘积。 因此要提高系统的测距精度就必须减小码元的宽度。 测距系统的测距范围为电磁波的速度与M序列周期的乘积, 要提高系统的测距范围精度必须增大M序列的周期, 随着系统程序的不断完善和硬件功能的不断强大, 测距的性能也将不断提高。

参考文献:

[1] 赵小川, 罗庆生, 韩宝玲.基于伪随机序列自相关性的新型超声波测距系统[J]. 压电与声光, 2009, 31(6): 856-861.

[2] 韦伟, 周凌翱, 刘青.一种便携式的红外测距系统[J].电子设计工程, 2011, 19(21): 40-42.

[3] 贾方秀, 丁振良, 袁锋.相位法激光测距接收系统[J].光学精密工程, 2009, 17(10): 2377-2384.

[4] 杨保平, 江修富, 卜格鸿, 等.基于扩谱技术的高精度无线电测距[J].装备指挥技术学院学报, 2006, 17(5): 78-81.

[5] 吴浩, 郝燕玲, 徐定杰.DSP在伪随机序列发生器中的应用[J].应用科技, 2002, 29(8): 43-44.

[6] 杨东红, 张彦梅.基于DSP的伪随机序列相关系统研究[J].制导与引信, 2004, 25(1): 30-33.

[7] 李鹏.M序列码的DSP产生及压缩技术研究[J].电子元器件应用, 2010, 12(5): 36-38.

[8] 刘明亮, 朱江淼.数字信号处理对电子测量与仪器的影响研究[J].电子测量与仪器学报, 2014, 28(10): 1041-1046.

[9] 唐苏明, 张旭, 屠大维. 伪随机编码结构光系统的标定[J].仪器仪表学报, 2014, 35(6): 1354-1362.

[10] 王荣杨, 王洪涛, 殷勇辉.基于伪随机序列自相关的多传感器测距系统[J].仪表技术与传感器, 2012(5): 89-93.

猜你喜欢

测距滤波精度
基于MSP430的飞机无线电高度表的超声波模拟方案设计
近似边界精度信息熵的属性约简
几种图像滤波处理方法比较
基于非下采样剪切波变换与引导滤波结合的遥感图像增强
基于RSSI的煤矿井下智能头盔人员定位技术研究
电力系统短期负荷预测方法与预测精度
基于正则化的高斯粒子滤波算法
船舶制造精度管理及过程控制技术探究
浅谈ProENGINEER精度设置及应用
合成孔径雷达图像的最小均方误差线性最优滤波