M序列偽隨機(jī)碼在測(cè)距回答概率控制中的應(yīng)用

測(cè)距器（Distance Measuring Equipment）系統(tǒng)分為機(jī)載詢(xún)問(wèn)器和地面應(yīng)答器兩部分。其測(cè)距原理為二次雷達(dá)測(cè)距原理。系統(tǒng)工作時(shí)，由機(jī)載詢(xún)問(wèn)器發(fā)射測(cè)距詢(xún)問(wèn)脈沖，經(jīng)距離d到達(dá)地面應(yīng)答器接收機(jī)，經(jīng)信號(hào)處理，并延遲一個(gè)系統(tǒng)固定時(shí)間后，測(cè)距回答脈沖被回發(fā)。機(jī)載詢(xún)問(wèn)器計(jì)算出詢(xún)問(wèn)與回答脈沖之間的時(shí)間間隔t，即可計(jì)算出飛機(jī)與地面應(yīng)答器的斜距d，公式如下：

d=c(t-Δt)/2

其中，Δt為系統(tǒng)延時(shí)，c為無(wú)線(xiàn)電波的傳播速度。

??? 由測(cè)距原理可以知道，要對(duì)機(jī)載詢(xún)問(wèn)器的測(cè)距性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，就必須模擬地面應(yīng)答器產(chǎn)生的回答脈沖。而在實(shí)際測(cè)距系統(tǒng)工作中，由于各種干擾存在，使測(cè)距回答率不可能達(dá)到100%。所以，為在不同回答數(shù)目情況下對(duì)機(jī)載訪問(wèn)器進(jìn)行綜合性能測(cè)試，需要對(duì)測(cè)距回答概率進(jìn)行控制，以達(dá)到檢測(cè)目的。??? 在測(cè)距回答概率控制工作過(guò)程中有幾個(gè)特性需要特別注意。首先，測(cè)距回答概率控制電路由詢(xún)問(wèn)脈沖間接觸發(fā)，即視頻詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)為測(cè)距回答概率控制過(guò)程同步觸發(fā)信號(hào)；其次，根據(jù)檢測(cè)要求，測(cè)距回答概率范圍在0%～100%之間（一般達(dá)不到100%），并且以一定步進(jìn)可調(diào)，如10%或20％等；第三,兩個(gè)測(cè)距回答概率控制電路輸出的回答脈沖觸發(fā)信號(hào)的時(shí)隔是隨機(jī)變化的，而不是按相等時(shí)間間隔平衡分配的；同時(shí)，測(cè)距回答概率控制電路的工作速率要快，以增強(qiáng)系統(tǒng)檢測(cè)性能。??? 由于回答脈沖在固定概率控制下是隨機(jī)產(chǎn)生的，其產(chǎn)生過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程，所以可以通過(guò)模擬具有隨機(jī)特性的隨機(jī)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)固定概率下回答脈沖隨機(jī)的產(chǎn)生。??? 在這里，利用N位m序列產(chǎn)生周期n=2N-1的偽隨要序列，其自相關(guān)函數(shù)與平穩(wěn)高斯隨機(jī)分布的自相關(guān)函數(shù)之間的比較如圖2所示。可見(jiàn)，m偽隨機(jī)序列的隨機(jī)性是具有周期性的，其周期為n，n即周期內(nèi)隨機(jī)變量的個(gè)數(shù)。實(shí)際上，偽隨機(jī)序列就是隨機(jī)序列的周期沿拓。圖2中，τ為離散值。??? 根據(jù)用于檢測(cè)機(jī)載詢(xún)問(wèn)器性能的模擬回答信號(hào)的測(cè)距回答概率控制特性可知，該方案達(dá)到了要求，滿(mǎn)足了測(cè)距回答概率配置要求。以一定步進(jìn)可調(diào)，且測(cè)距回答概率步進(jìn)精度可以通過(guò)改進(jìn)電路來(lái)提高；同時(shí)，m序列偽隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)產(chǎn)生性符合測(cè)距回答信號(hào)隨機(jī)產(chǎn)生特點(diǎn)，偽隨機(jī)碼的周期隨機(jī)性，也符合詢(xún)問(wèn)檢測(cè)次數(shù)有限的特性。利用PLD可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不但有利于在線(xiàn)調(diào)試電路，而且可以靈活地改進(jìn)電路，利于開(kāi)發(fā)。

本文通過(guò)對(duì)測(cè)距回答概率控制過(guò)程的特性分析，提出一種基于m序列偽隨機(jī)碼的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了具體PLD實(shí)現(xiàn)電路。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 特性分析

模擬應(yīng)答器由機(jī)載詢(xún)問(wèn)脈沖觸產(chǎn)生回答脈沖，原理框圖如圖1所示。經(jīng)模擬應(yīng)答器接收機(jī)解調(diào)后的視頻詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)過(guò)詢(xún)問(wèn)脈沖處理電路處理后，輸出回答脈沖觸發(fā)信號(hào)；經(jīng)測(cè)距回答概率控制電路進(jìn)行回答概率判決，得到回答觸發(fā)信號(hào)；觸發(fā)回答脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生視頻回答脈沖，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射，供機(jī)載詢(xún)問(wèn)器接收處理。本文所研究的重點(diǎn)即測(cè)距回答概率控制電路。

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1.2 理論方案

根據(jù)回答概率控制的特性知道，應(yīng)把詢(xún)問(wèn)脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)作為測(cè)距回答概率控制電路的同步信號(hào)（或者說(shuō)時(shí)鐘）。測(cè)距回答概率P回∈[0%,100%]，以10％或20%步進(jìn)可調(diào)。現(xiàn)以20%步進(jìn)為例，其可調(diào)值為0%、20%、40%、60%、80%、100%，即P回為整個(gè)概率空間上的幾個(gè)離散點(diǎn)。

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但是，一方面模擬產(chǎn)生完全符合隨機(jī)分布的隨機(jī)過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)；另一方面，在實(shí)際機(jī)載詢(xún)問(wèn)器檢測(cè)中，測(cè)距回答總數(shù)有限，利用完全符合正態(tài)分布的隨機(jī)過(guò)程隨機(jī)產(chǎn)生回答信號(hào)，很難達(dá)到所規(guī)定的測(cè)距回答概率控制要求。從這兩個(gè)方面出發(fā)，采用偽隨機(jī)過(guò)程，即具有周期性的隨機(jī)過(guò)程，而每個(gè)周期內(nèi)的隨機(jī)變量近似服從隨機(jī)分布。

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由于m偽隨機(jī)序列在每個(gè)周期內(nèi)有n(n≤2 N-1)個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，具有近似離散隨機(jī)分布特性，這里把這個(gè)離散隨機(jī)分布特性與固定概率控制下的回答脈沖隨機(jī)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)。而測(cè)距回答概率的控制則根據(jù)n個(gè)偽隨機(jī)數(shù)的數(shù)值大小作為門(mén)限來(lái)判定，即把偽隨機(jī)數(shù)的值作為測(cè)距回答概率判決條件。具體判決過(guò)程如下：

n個(gè)偽隨機(jī)數(shù)為x1，x2，…，xi,…,xn,xi∈(x1…xn)；測(cè)距回答概率P回符合離散隨機(jī)分布特性，設(shè)x為由詢(xún)問(wèn)信號(hào)觸的m序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)，其值包含在n個(gè)偽隨機(jī)數(shù)的取值范圍內(nèi)，則測(cè)距回答概率取值規(guī)則如下：

P回（x≥x1）=n/n×100%=100%；

P回（x≥x2）=(n-1/n)×100%；

P回（x≥x3）=（n-2/n）×100%；

……

P回（x≥xn）=1/n×100％；

P回（設(shè)定為不回答狀態(tài)）=0%。

由以上各式，可以通過(guò)設(shè)定不同的偽隨機(jī)數(shù)值作為測(cè)距回答概率判決門(mén)限的方式，來(lái)設(shè)定不同的測(cè)距回答概率值。實(shí)際中，首先確定測(cè)距回答概率配置，然后通過(guò)不同的偽隨機(jī)數(shù)數(shù)值門(mén)限加以實(shí)現(xiàn)。其原理框圖如圖3所示。N位m序列產(chǎn)生電路在詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)下產(chǎn)生n個(gè)N位二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)，經(jīng)譯碼電路進(jìn)行二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，形成各種數(shù)值電平，由概率判決電路進(jìn)行判決。若為設(shè)定測(cè)距回答概率判決門(mén)限之上的偽隨機(jī)數(shù)值，則輸出回答觸信號(hào)，否則沒(méi)有回答觸發(fā)信號(hào)輸出。其中，判決門(mén)限由測(cè)距回答概率設(shè)置輸入配置。

2 具體實(shí)現(xiàn)

為提高電路的工作效率并使其具有靈活的可編程性能，采用PLD可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)以N=4位m序列偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器為例詳細(xì)介紹一下（測(cè)距回答概率步進(jìn)為20%）。

2.1 m序列產(chǎn)生電路

以四級(jí)（N=4）移位寄存器構(gòu)成周期為n=2n-1=15的m序列偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，本原多項(xiàng)式為f（x）=1+x+x4，原理圖如圖4所示。利用詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號(hào)作為m序列產(chǎn)生器同步時(shí)鐘，4位并行輸出二進(jìn)制數(shù)產(chǎn)生周期為15的偽隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)如表1所示。

表1 偽隨機(jī)數(shù)列表

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2.2 二-十進(jìn)制譯碼電路

譯碼電路原理圖如圖5所示。四位二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)碼經(jīng)4-15譯碼器譯為d1～d15輸出，高電平有效，d1～d15與偽隨機(jī)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)每一個(gè)詢(xún)問(wèn)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，m序列產(chǎn)生1個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，對(duì)應(yīng)d1～d15中有一個(gè)為高電平。

2.3 測(cè)距回答概率判決電路

各個(gè)偽隨機(jī)數(shù)值作為門(mén)限時(shí)的測(cè)距回答概率如下：

P回（x≥1）=15/15×100%=100%；

P回(x≥2)=(14/15)×100%；

……

P回（x≥15）=1/15×100%；

P回（設(shè)定為不回答狀態(tài)）=0%。

門(mén)限為1，P回(x≥1)=15/15×100％=100%,d1～d15任意有效均有輸出；

門(mén)限為4，P回（x≥4）=12/15×100%=80%，d4～d15任意有效均有輸出；

門(mén)限為7，P回（x≥7）=9/15×100%=60%，d7～d15任意有效均有輸出；

門(mén)限為10，P回(x≥10)=6/15×100%=40％，d10～d15任意有效均有輸出；

門(mén)限為13，P回(x≥13)=3/15×100%=20%,d13～d15任意有效均有輸出；

不回答狀態(tài)，P回（不回答）=0%，d1～d15任意有效均無(wú)輸出。

無(wú)回答狀態(tài)就是封閉概率控制電路的觸發(fā)輸出信號(hào)，無(wú)論產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)值為多少，人為造成詢(xún)問(wèn)不回答狀態(tài)。判決電路如圖6所示。譯碼門(mén)輸出的d1～d15電平信號(hào)，分別與外部測(cè)距回答概率設(shè)定電平P0～P4相與后，經(jīng)同一個(gè)或門(mén)輸出。d1～d15每三個(gè)一組，分別與P0～P4相與，即d1～d3分別與P4，……，d13～d15分別與P0相與。顯然，只有當(dāng)d1～d15任何一個(gè)電平與相對(duì)應(yīng)的P0～P4中的一個(gè)電平同時(shí)為高電平時(shí)，或門(mén)輸出回答觸發(fā)信號(hào)，高電平有效，此時(shí)啟動(dòng)回答。其中測(cè)距回答概率設(shè)定電平P0～P4由外部配置，其電平配置與測(cè)距回答概率設(shè)定數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 電平配置與測(cè)距回答概率設(shè)定數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

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2.4 提高步進(jìn)精度的改進(jìn)電路

要使測(cè)距回答概率控制步進(jìn)精度進(jìn)一步提高，如達(dá)到10%,若用以上方法，取步進(jìn)門(mén)限1時(shí)，P回（步進(jìn)）=1/15×100%=6.7％,取步進(jìn)門(mén)限2時(shí)，P回（步進(jìn)）=2/15×100％=13.3%，因而只有取步進(jìn)門(mén)限1.5時(shí)才可達(dá)到P回（步進(jìn)）=1.5/15×100%=10%的步進(jìn)要求。但按前面的方案，門(mén)限不可以取分?jǐn)?shù)，所以用以上電路提高步進(jìn)精度誤差太大。因此，必須重新選取產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)個(gè)數(shù)，以適應(yīng)步進(jìn)精度提高的要求。為兼顧測(cè)距回答隨機(jī)性與提高步進(jìn)精度兩個(gè)方面的要求，對(duì)于10%步進(jìn)，選用5位m序列產(chǎn)生器，利用反饋方式把其隨要內(nèi)戰(zhàn)數(shù)減少為20個(gè)。其它步進(jìn)精度要求的可由此方法實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)通用的原理框圖如圖7所示。