基于偽隨機(jī)序列的無線電測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張松+張亞

摘要： 為了提高工作機(jī)的測(cè)距能力， 測(cè)距系統(tǒng)不僅要對(duì)所測(cè)距離具有快速精確的判斷， 而且必須具備較高的抗干擾能力。 基于偽隨機(jī)序列的無線電測(cè)距系統(tǒng)利用QPSK原理調(diào)制M序列， 然后通過無線電發(fā)射作為測(cè)距介質(zhì)， 具有測(cè)距范圍廣、 抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 同時(shí)系統(tǒng)采用TMS320F28335作為運(yùn)算和控制的主控芯片， 具有精確度高、 實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了無線電測(cè)距系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞： TMS320F28335； M序列； QPSK； 無線電測(cè)距

中圖分類號(hào)： TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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

工業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求工作機(jī)具有很強(qiáng)的測(cè)距能力， 包括測(cè)距范圍和精度、 實(shí)時(shí)性以及抗干擾能力。 由此衍生出許多測(cè)距的方法： 利用超聲波作為測(cè)距介質(zhì)， 精度較高， 但是抗干擾能力較差， 測(cè)距范圍小； 利用紅外線作為測(cè)距介質(zhì)， 精度較高， 但是測(cè)距范圍較窄且成本高； 利用激光作為測(cè)距介質(zhì)， 精度較高， 所測(cè)范圍廣， 但是對(duì)工作環(huán)境要求高， 測(cè)距系統(tǒng)成本高。

基于偽隨機(jī)序列的無線電測(cè)距系統(tǒng)采用硬件的編碼法， 將DSP生成的M序列經(jīng)過QPSK調(diào)制電路進(jìn)行數(shù)字調(diào)制， 通過電磁波發(fā)射器發(fā)射。 電磁波遇到目標(biāo)物體后反射回來， 被電磁波接收器接收， 將其放大、 解擴(kuò)、 濾波、 采樣， 提取出回波中的M序列， 將其與本地的M序列在DSP中做自相關(guān)運(yùn)算， 計(jì)算出延遲時(shí)間τ， 從而計(jì)算出所測(cè)距離。 系統(tǒng)編碼采用碼元較小、 周期較長(zhǎng)的M序列， 可提高系統(tǒng)測(cè)距精度和測(cè)距范圍。

1偽隨機(jī)序列的概述

偽隨機(jī)序列擁有較好的特性， 一方面其隨機(jī)性與隨機(jī)序列相似， 另一方面其相關(guān)函數(shù)與白噪聲接近， 最重要的是可以通過其結(jié)構(gòu)預(yù)先確定并且能夠重復(fù)的產(chǎn)生。 本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的M序列便是偽隨機(jī)序列中具有代表性的一種。

1.1M序列的測(cè)距原理

式中： τ為延遲時(shí)間。 正交編碼即對(duì)應(yīng)位兩兩正交的編碼， 其互相關(guān)性很弱， 但有較強(qiáng)的自相關(guān)性， 即使受到外部噪聲干擾也容易區(qū)分。 因?yàn)樵肼暸c偽隨機(jī)序列的互相關(guān)性極低， 噪聲會(huì)被相關(guān)函數(shù)抑制， 因此正交編碼擁有較強(qiáng)抗干擾能力。 當(dāng)M序列的周期足夠大時(shí)， 其自相關(guān)函數(shù)便會(huì)和δ函數(shù)十分接近， 呈現(xiàn)明顯尖銳的二電平特性， 如圖1所示。 利用M序列的這一特性將幾組M序列在DSP中做一系列計(jì)算， 實(shí)時(shí)檢測(cè)出現(xiàn)最大值的時(shí)刻， 得出電磁波的發(fā)射與接收時(shí)差， 從而計(jì)算出所要測(cè)量的距離。

M序列可以通過MATLAB編程產(chǎn)生， 或由Simulink仿真模塊建模產(chǎn)生。 上述方法的特點(diǎn)是可視化強(qiáng)， 但是可移植性較差， 與脫離PC機(jī)的系統(tǒng)無法聯(lián)接， 不利于系統(tǒng)調(diào)試。 本系統(tǒng)選擇通過DSP編程產(chǎn)生M序列， 較為高效可靠。

電磁波測(cè)距系統(tǒng)需產(chǎn)生一個(gè)周期為p=212-1=4 095的M序列。 確定n=12級(jí)的本原多項(xiàng)式， 首個(gè)移位寄存器和最后一個(gè)移位寄存器必須參與反饋計(jì)算， 并且不能全為1， 因此本測(cè)距系統(tǒng)從眾多本原多項(xiàng)式中選取的本原多項(xiàng)式為

1.4M序列調(diào)制與解調(diào)

QPSK即所謂的正交相移鍵控， 是一種在無線通信等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)方法， 能通過載波的四種不同相位對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行表達(dá)。 QPSK正交調(diào)制過程如圖4所示， 將數(shù)字信號(hào)輸入， 用a表示前一個(gè)二進(jìn)制碼元， 用b表示后一個(gè)二進(jìn)制碼元， QPSK信號(hào)便可以被認(rèn)為是兩個(gè)正交載波2PSK信號(hào)的合成。

對(duì)QPSK信號(hào)的解調(diào)方法同樣可以采用2PSK信號(hào)的解調(diào)方法。 QPSK信號(hào)解調(diào)原理圖如圖5所示。 首先分別采用相干解調(diào)方式對(duì)同相支路和正交支路進(jìn)行解調(diào)， 從而得到I（t）和Q（t）兩路信號(hào)， 然后將兩路信號(hào)進(jìn)行抽樣判決， 最后經(jīng)過并/串交換器， 把支路的并行數(shù)據(jù)恢復(fù)成系統(tǒng)所需的串行數(shù)據(jù)。

2測(cè)距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于偽隨機(jī)序列的無線電測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路共有六大模塊， 分別是發(fā)射接收模塊、 放大濾波模塊、 QPSK調(diào)制解調(diào)模塊、 ADC模塊、 核心處理器模塊以及人機(jī)對(duì)話模塊， 如圖6所示。

2.1核心處理器模塊

測(cè)距電路采用TI公司的TMS320F28335芯片作為控制運(yùn)算芯片， 其特點(diǎn)是擁有較多的外設(shè)功能， 高達(dá)150 MHz的處理能力， 32位浮點(diǎn)處理單元， 獨(dú)立的乘法器、 加法器和DMA等配置使其做大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的時(shí)間大大減少。 相比較TI公司的TMS320F2812芯片， 其整體性能提高近一倍， 能較好地完成本測(cè)距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與控制功能。 電源采用TPS767D318電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)DSP所需的1.8 V， 1.8 VA， 3.3 V， 3.3 VA電壓， 為了防止電磁干擾， 其中模擬地和數(shù)字地用小電阻或磁珠連接。

2.2人機(jī)對(duì)話模塊

人機(jī)對(duì)話部分包括按鍵（6個(gè)）、 3.3 V供電的液晶LCM128645ZK顯示器、 利用DSP的GPIOA、 B口、 連接按鍵和液晶， 如圖7所示。

2.3QPSK調(diào)制解調(diào)電路模塊

QPSK調(diào)制解調(diào)模塊的硬件電路采用ST公司的STV0299B芯片， 內(nèi)部集成了雙 6-Bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， I2C總線控制等電路。 擁有90 Mbps 的采樣速率以及可達(dá)±45 MHz載波回路跟蹤范圍， 還擁有串、 并行選擇輸出的功能以及對(duì)鄰頻道有很好的抑制特性， 完全滿足測(cè)距系統(tǒng)的要求。

2.4高速的數(shù)據(jù)采樣與處理電路模塊

對(duì)回波信號(hào)中的M序列進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化， 波形較為簡(jiǎn)單， 所以ADC芯片的位數(shù)可以選擇較低的版本， 同時(shí)M序列的碼元較窄， 所以必須采用高頻率的ADC芯片。 因此測(cè)距系統(tǒng)采用AD公司的AD9054芯片。 AD9054是一款8位單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）， 公司專門對(duì)其做了優(yōu)化。 該器件提供的編碼速率高達(dá)200 MSps， 同時(shí)其全功率模擬帶寬范圍在350 MHz左右， 完全滿足測(cè)距系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)性能的要求。 AD9054的硬件連接如圖8所示。

2.5信號(hào)的放大濾波電路

由于回波信號(hào)能量較為弱小， 同時(shí)信號(hào)中夾雜著干擾信號(hào)， 所以必須對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。 測(cè)距系統(tǒng)選用AD公司的AD620芯片作為信號(hào)放大芯片， 具有操作簡(jiǎn)單、 增益精度高的優(yōu)點(diǎn)， 只需外加一個(gè)電阻便可起到放大的作用， 系統(tǒng)采用二級(jí)放大電路， 增大放大倍數(shù)， 同時(shí)確保放大精度， 放大電路如圖9所示。 測(cè)距系統(tǒng)選用AD公司的OP27E作為濾波電路， 將二諧高通和二諧低通相串聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器， 有效地衰減帶通以外的信號(hào)， 濾波電路如圖10所示。

3測(cè)距系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用模塊化編程， 便于調(diào)用和調(diào)試。 包括： M序列的產(chǎn)生程序、 STV0299B芯片的初始化設(shè)定程序、 STV0299B芯片與控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸程序、 本地M序列和回波M序列的自相關(guān)運(yùn)算程序、 人機(jī)交互程序。

3.1M序列的產(chǎn)生程序

3.2M序列自相關(guān)運(yùn)算程序

MATLAB的一系列仿真證明了測(cè)距系統(tǒng)的可行性。 本次室外實(shí)驗(yàn)的測(cè)量距離為1～4.5 km， 測(cè)距絕對(duì)誤差在10 m內(nèi)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示， 可見系統(tǒng)具有較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離測(cè)距能力。

5結(jié)論

基于偽隨機(jī)序列的無線電測(cè)距系統(tǒng)相比較其他原理的測(cè)距方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度為電磁波的速度與碼元的乘積。 因此要提高系統(tǒng)的測(cè)距精度就必須減小碼元的寬度。 測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距范圍為電磁波的速度與M序列周期的乘積， 要提高系統(tǒng)的測(cè)距范圍精度必須增大M序列的周期， 隨著系統(tǒng)程序的不斷完善和硬件功能的不斷強(qiáng)大， 測(cè)距的性能也將不斷提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙小川， 羅慶生， 韓寶玲.基于偽隨機(jī)序列自相關(guān)性的新型超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J]. 壓電與聲光， 2009， 31（6）： 856-861.

[2] 韋偉， 周凌翱， 劉青.一種便攜式的紅外測(cè)距系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程， 2011， 19（21）： 40-42.

[3] 賈方秀， 丁振良， 袁鋒.相位法激光測(cè)距接收系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程， 2009， 17（10）： 2377-2384.

[4] 楊保平， 江修富， 卜格鴻， 等.基于擴(kuò)譜技術(shù)的高精度無線電測(cè)距[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2006， 17（5）： 78-81.

[5] 吳浩， 郝燕玲， 徐定杰.DSP在偽隨機(jī)序列發(fā)生器中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技， 2002， 29（8）： 43-44.

[6] 楊東紅， 張彥梅.基于DSP的偽隨機(jī)序列相關(guān)系統(tǒng)研究[J].制導(dǎo)與引信， 2004， 25（1）： 30-33.

[7] 李鵬.M序列碼的DSP產(chǎn)生及壓縮技術(shù)研究[J].電子元器件應(yīng)用， 2010， 12（5）： 36-38.

[8] 劉明亮， 朱江淼.數(shù)字信號(hào)處理對(duì)電子測(cè)量與儀器的影響研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， 2014， 28（10）： 1041-1046.

[9] 唐蘇明， 張旭， 屠大維. 偽隨機(jī)編碼結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的標(biāo)定[J].儀器儀表學(xué)報(bào)， 2014， 35（6）： 1354-1362.

[10] 王榮楊， 王洪濤， 殷勇輝.基于偽隨機(jī)序列自相關(guān)的多傳感器測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器， 2012（5）： 89-93.