基于LabVIEW的多級偽隨機碼調相信號仿真

謝 鑫，杜 松

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

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【光學工程與電子技術】

基于LabVIEW的多級偽隨機碼調相信號仿真

謝 鑫，杜 松

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

設計一種多級偽隨機碼調相信號仿真系統；在深入分析偽隨機碼產生原理和性能特點的基礎上，利用LabVIWE環境圖形化和模塊化的優勢，通過索引數組移位寄存和建立條件結構的方法實現多級偽隨機碼調相信號的仿真；結果表明：系統操作界面友好，具有較強的靈活性和可擴展性，可用于演示偽隨機碼調相信號的產生和驗證引信的抗干擾性能。

LabVIEW；多級數；偽隨機信號；移位寄存器

引信是各種彈藥終端毀傷效能的控制系統，在現代戰爭中有著不可或缺的地位。偽隨機碼調相無線電引信具有檢測靈敏度高、抗干擾能力強和無模糊距離測量等特點而得到廣泛的應用[1-2]。隨著電子技術和虛擬儀器技術的發展，引信信號的仿真更加靈活經濟，逐漸成為引信設計和分析的重要手段。

LabVIEW是美國NI公司推出的一款優秀的圖形化編程語言，它使用圖標代替文本創建應用程序，擁有大量與其他應用程序通信的VI庫。LabVIEW操作靈活，容易編制良好人機界面，廣泛應用到圖形仿真、數據采集、測量分析等領域[3]。

傳統的偽隨機碼發生器功能較為單一，只能產生特定的偽隨機碼，不利于演示觀測。利用LabVIEW設計實現的多級偽隨機碼調相信號，簡化了系統的復雜程度，縮短了開發周期，對偽隨機碼原理教學演示以及研究引信偽隨機碼探測體制抗干擾能力都有一定意義。

1 基本原理

1.1 偽隨機碼序列生成

偽隨機碼是由線性移位寄存器產生最長的周期性序列。圖1是一個n級線性移位寄存器，L是模2加法器，執行異或邏輯運算。在時鐘脈沖的作用下，暫存在移位寄存器H1、H2…Hn-1、Hn的0或1逐級向右移動而發生改變，通過Hm輸出變化了的是編碼序列；同時，輸出序列又和反饋抽頭的序列進行模2加運算，進行下一步移位輸出[4]。

圖1 n級線性移位寄存器原理圖

1.2 偽隨機碼信號調制

偽隨機碼調相無線電引信的調制信號是基于二相相移鍵控調制方式(BPSK)調制的，即發射載波被偽隨機碼進行調制，相應的發射信號相位在0和π變化。

偽隨機碼信號p(t)可以表示為

(1)

圖2是通過Matlab仿真產生的BPSK調制的7級偽隨機碼波形圖。從圖2可以看出，BPSK偽隨機信號與其采用的偽隨機碼信號變化一致。

圖2 7級BPSK偽隨機碼波形

偽隨機碼信號可以攜帶信息，但不能進行傳播，因此需要把偽隨機碼信號調制到載波信號上才能發射。偽隨機碼調相信號表示為

U(t)=A·p(t)·cos(2πf0+φ0)

(2)

式(2)中，A是發射信號的幅度，f0是載波頻率，φ0是初始相位。圖3是通過Matlab仿真產生的7級偽隨機碼調相信號。

圖3 7級偽隨機碼調相信號波形

1.3 參數的確定

偽隨機碼參數選擇要從引信的距離特性、抗干擾能力、靈敏度以及設備的復雜性和實現性等方面綜合考慮進行最優選擇。影響偽隨機碼參數選取的主要因素是碼元寬度和序列長度[5]。

1) 碼元寬度。根據偽隨機碼的自相關函數可知，碼元寬度越窄，引信的距離分辨力越強，精度越高。偽隨機碼的頻譜寬度理論上是無窮大的，但是實際其能量的90%集中在第一個零值點之內，可以把0～Δf之間的頻譜看為偽隨機碼的頻譜寬度，頻譜寬度Δf為

(3)

從式(3)中可以看出，偽隨機碼的頻譜寬度和碼元寬度成反比。碼元寬度越窄，頻譜寬度越寬，信號的抗干擾能力越強，信號被截獲的概率越低。但過窄的碼元寬度會使射頻信號失真，導致接收機靈敏度下降[6]。通常將碼元寬度選擇為10～100μs。

2) 序列長度。偽隨機碼的序列長度P為

P=2n-1

(4)

式(4)中n是偽隨機碼的級數。

由偽隨機碼的自相關函數可知，序列長度越長，函數副瓣越小，抗干擾能力越出色。但是，序列長度過長會增加多普勒頻率對相關函數的影響。另外，過長的序列會影響引信測速的計算時間。在實際工程中，偽隨機碼周期至少要達到多普勒信號周期的4倍[7]，即：

(5)

式(5)中fd是多普勒頻率。

因此文中的多級數符合工程需要，而不是任意可調。本文的級數采用5級、7級和9級3種級數。

2 模塊設計

LabVIEW的設計具有結構化的特點，即一個程序可以分成多個模塊，每個模塊實現一定的功能，模塊之間相對獨立。圖4是系統的主程序圖，主程序主要包含多級偽隨機碼生成模塊和波形產生顯示模塊。

圖4 系統主程序

2.1 多級偽隨機碼生成模塊

該模塊是整個系統的主要模塊，它的功能是實現不同級數偽隨機碼數組的生成。在偽隨機序列中，移位寄存器的反饋線的數目決定了本原多項式的項數，為了使m序列產生更加簡單有效，簡化程序結構，使用項數最少的本原多項式[8]。圖5是一個7級移位寄存器序列產生結構圖，它的本原多項式是：x7+x3+1，即1010101，式(6)是它的反饋邏輯：

Hn=Hn-3⊕Hn-6

(6)

圖5 7級移位寄存器序列產生結構

移位寄存器中的模2加法器由異或函數實現。圖6是異或函數控件，當兩端輸入都為TRUE或都為FALSE，函數返回FALSE。否則，返回TRUE[9]。

圖6 異或函數控件

圖7偽隨機碼序列產生流程圖，索引數組對初始的一維偽隨機碼數組進行索引時，輸入端元素的個數由移位寄存器的級數決定，其輸出為與輸入數組數據類型相同的數值元素。輸出的元素創建新的數組，寄存器移位寄存后進行下一次的輸出。因為產生的偽隨機碼是0-1序列，為了達到調相的效果，需要通過乘法器和加法器將移位寄存器輸出的0-1序列轉化成1-1序列。

為了實現各級數的選擇，需創建條件結構。當條件結構執行時，僅有一個級數偽隨機碼生成子程序框圖執行。控制輸入數據類型為枚舉類型，枚舉控件和下拉列表控件十分相似，它是有序的、自動分配的。建立枚舉控件，在“編輯項”屬性頁面中設置添加“5級”、“7級”、“9級”。圖8、圖9和圖10分別是5級、7級和9級移位寄存器的程序圖。

圖7 偽隨機碼產生流程

圖8 5級移位寄存器程序

圖9 7級移位寄存器程序

圖10 9級移位寄存器程序

2.2 波形產生顯示模塊

該模塊的功能是將偽隨機碼信號對載波信號進行調相處理。產生的1-1偽隨機碼序列經過數組初始化，通過For循環和“替換數組子集”控件索引指定位置元素開始替換數組，得到的一維數組數據輸入到“創建波形”的Y輸入端，然后將輸出接入波形圖即可顯示偽隨機信號。

偽隨機碼信號和載波信號作卷積運算得到偽隨機碼調相信號，信號卷積運算的表達式為

(7)

圖11是卷積控件，X是第1個輸入序列，Y是第2個輸入序列，算法指定使用的卷積方法，調用卷積控件。算法的值為direct時，VI使用線性卷積的direct方法計算卷積[10-11]。由于信號分析要求循環進行，而整個過程都希望是人機交互的。因此，在后面板的程序設計中采用While循環結構。

圖11 卷積控件

3 仿真結果

圖12是系統的操作界面。用戶通過前面板很方便設置碼元寬度、移位寄存器級數和初始化輸入等相關參數。以7級偽隨機碼調相信號位列，系統相關參數設置如下：級數7級，初始輸入0101010，碼元寬度50 μs，載波頻率10 MHz，載波幅度1 V，采樣數5 000。圖13是仿真產生7級偽隨機碼調相信號，從圖13可以看出偽隨機碼調相信號是雙極性視頻脈沖，偽隨機碼調相信號和偽隨機碼的變化是一致的。偽隨機碼信號自身固有的抗干擾能力很強，將其應用到偽隨機碼調相信號中，使得引信的抗干擾能力獲得極大提高。

圖12 系統操作界面

圖13 7級偽隨機碼調相信號

4 結論

本文設計的基于LabVIEW的多級偽隨機碼調相信號仿真系統具有操作靈活、穩定性好、精度高等特點，降低了系統的開發、維護以及后期的升級成本,縮短了系統的開發周期。根據教學需要，設置偽隨機碼調相信號的相關參數，實時顯示不同級數下的偽隨機碼波形，具有很好的演示效果。此外，不同參數的偽隨機碼可以配合驗證偽隨機碼調相無線電引信的測速測距性能和抗噪聲干擾能力。

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(責任編輯 唐定國)

The Design of Multi-Level PN Code Phase Modulation Signal Simulation System Based on LabVIEW

XIE Xin， DU Song

(Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China)

This paper intended to design a multi-series PN code phase modulation signal simulation system. Based on in-depth analysis of generation principle and performance features, taking advantages of LabVIEW environment graphical and modularization, the simulation of multi-level PN code phase modulation signal is realized by indexing array shift register and establishing conditional structure.The results show that the system has friendly interface, strong flexibility and expansibility, and can be used to demonstrate the generation of PN code phase modulation signal and to verify the anti-jamming performance of the fuze.

LabVIEW; multi-level; PN code; shift register

10.11809/scbgxb2017.07.033

2017-03-22；

2017-04-20

謝鑫(1980—)，男，副教授，主要從事特種裝備運用研究。

format:XIE Xin，DU Song.The Design of Multi-Level PN Code Phase Modulation Signal Simulation System Based on LabVIEW[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):156-159.

TJ55;TN 919

A

2096-2304(2017)07-0156-04

本文引用格式：謝鑫，杜松.基于LabVIEW的多級偽隨機碼調相信號仿真[J].兵器裝備工程學報，2017(7):156-159.