CN108680914A - 基于fpga的伪码调相线性调频复合系统测速方法 - Google Patents

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范聿杰
范利光
王振
刘倩云
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    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，包括：回波信号和本地耦合调频信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒、差频、伪随机码频率的中频信号，去除高频本振频率；根据伪随机码的双极性，将中频信号和本地伪码延迟码混频，去除伪码双极性；由调制信号发生器中产生n倍频的调制频率，对第二次混频后的信号进行采样，从差频中提取出多普勒频率，由多普勒频率和速度的公式，得到速度信息。本发明运用码元消除法，再经过相关信号处理方法，最终提取多普勒频率进行测速，该方法在提取速度信息的同时，还能够提高数据精度。

Description

基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法
技术领域
本发明涉及信号系统探测技术，具体涉及一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法。
背景技术
伪码调相线性调频复合系统作为一种常见的复合系统，在低空性能、功能实现等方面更加完善。主要过程是发射由伪随机码调相后的线性调频复合信号，利用回波信号中的延时码和本地伪码相关实现测距，并提取回波信号中的多普勒信息实现测速。但是由于中频信号中包含高频伪码，不能直接滤波提取多普勒频率和差频。目前针对复合系统测速的研究并不多。
应涛在《伪码调相锯齿波线性调频复合引信信号处理技术研究》中提到在硬件实现时，使用检波器将中频信号提取包络后，提取多普勒频率实现测速。但是该方法在硬件实施时，实现条件苛刻，而且效果不理想，信号失真度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，包括以下步骤：
数据预处理：回波信号和本地耦合调频信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒、差频、伪随机码频率的中频信号，去除高频本振频率；
伪码极性转换：根据伪随机码的双极性，将中频信号和本地伪码延迟码混频，去除伪码双极性；
欠采样：由调制信号发生器中产生n倍频的调制频率，对第二次混频后的信号进行采样，从差频信号中提取出多普勒频率，由多普勒频率和速度的公式，得到速度信息。
进一步的，数据预处理后的中频信号U'm(t)和本地延迟信号Um(t)混频：
UR(t)＝U'm(t)×Um(t)＝m(t-τ)m(t-τ0)cos(2π(fd-kτ)t)
其中，m(t)为伪随机码信号，τ为回波延时时间，τ0为本地延时时间，fd为多普勒频率，kτ为差频频率；
根据伪码的双极性特点，即伪随机码呈现出具有周期性的(1,-1)变换，当回波信号和本地延迟码混频时，不会改变差频频率，而伪随机码同步部分会由同极为正的方式消除伪随机码的干扰，不同步部分则会产生更加高频的杂波信号。
进一步的，采用欠采样方法从差频信号中提取多普勒频率，具体为：
忽略不规则区的理想差频信号为：
cos(Δφ)＝cos(2πf0τ)cos(2πΔFfmτt)-sin(2πf0τ)sin(2πΔFfmτt)
为当前时刻的相位，f0为载波频率，ΔF为调制频偏，fm为调制频率；
根据傅里叶级数分解可以得到：
当n＝0时，an＝0＝a0；因此得到傅里叶级数展开式：
根据调制信号发生器的调制频率n倍频作为采样频率，即fs＝fm/p，p∈N*；对e(t)进行采样:
由于中函数变量为n，远小于cos(2πf0τ)多普勒信号的频率，因此e(p)信号看作被信号调制的cos(2πf0τ)多普勒信号，在欠采样后，直接测得其频率为多普勒频率。
根据测速公式计算速度ν的值；其中c为光速，f0为本振载波频率。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明从建立复合系统回波信号模型出发，运用码元消除法，再经过相关信号处理方法，最终提取多普勒频率进行测速。该方法在提取速度信息的同时，还能在提高数据精度上起到一定的作用。并在FPGA上进行该方法的信号处理，能成功确定提取出理想物体的速度。
附图说明
图1为本发明的数据处理流程图。
图2为回波信号数据预处理后的中频信号图。
图3为经过伪码极性转换后，去除伪码的差频信号波形和频谱图。
图4为差频信号经过欠采样后的多普勒波形和频谱图。
图5为FPGA硬件描述语言下的测速仿真结果图。
具体实施方式
现代战争中对信号的复杂性和抗干扰性要求越来越高，使用复合系统代替简单系统成为了必然选择。使用该复合系统时，回波信号中不仅包含多普勒频率和差频频率，而且含有高频率的伪随机码。这种情况下直接提取数据是无法实现的，因此需要一种比较理想的方法去除伪随机码，再进行数据提取分析。
本发明提供一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，包括以下步骤：
(1)数据预处理：回波信号和本地耦合调频信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒、差频、伪随机码频率的中频信号，去除高频本振频率。
(2)伪码极性转换：根据伪随机码的双极性，将中频信号和本地伪码延迟码混频，去除伪码双极性，从而降低伪码对中频信号测速的干扰。
(3)欠采样：由调制信号发生器中产生n倍频的调制频率，对第二次混频后的信号进行采样，直接从差频信号中提取出多普勒频率。
对于伪码调相线性调频复合系统，首先发射理想信号：
Ut(t)＝m(t)cos(2πf0t+πkt2)
其中m(t)为伪随机码信号，f0为载波频率，k为调制频偏，接收到的回波信号为：
Ur(t)＝m(t-τ)cos(2πf0(t-τ)+πk(t-τ)2)
其中τ为设置的延迟时间，回波信号和本振耦合信号Ui'(t)混频后：
其中，由于复合系统为近程低速探测系统，回波延迟τ相比仿真时间小的多，因此二次项对于信号频率的干扰性可以忽略，再将混频后的信号通过滤波器，去除高频载波，然后归一化后得到初步处理的中频信号：
U'm(t)＝m(t-τ)cos(2πf0τ+2πkτt)
根据伪码的双极性特点，当回波信号和本地延迟码混频时，不会改变差频部分的数据，而伪随机码同步的部分会由(1×1＝1,(-1)×(-1)＝1)消除伪随机码的干扰，不同步部分则会产生更加高频的杂波信号。由于复合系统一般针对近距离低速目标，本地延迟和回波延迟之间虽然存在一定的不同步误差，但是该误差值产生的杂波信号能量相比差频信号的能量小很多。
将差频信号以傅里叶级数展开后，以一倍频的调制信号频率对差频频率进行采样可以得到：
根据数学计算可以得出：cos(2πn)＝1,sin(2πn)＝0，公式中第一部分保持不变，第二部分变为第三部分为0，公式转换为：
由于频率远小于cos(2πf0τ)多普勒信号的频率，因此e信号可以看做被信号调制的cos(2πf0τ)多普勒信号，能直接通过数据频谱测得其频率为多普勒频率fd。
再根据测速公式计算出速度ν的值，其中c为光速，f0为载波频率。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例
本实施例采用以下系统参数：锯齿波调频部分，本振频率f0＝10GHz，频偏ΔF＝20MHz，扫频周期Tm＝20us；伪码调相体制部分，码元宽度Tc＝50ns，码元长度N＝15。假定起始距离R0＝15m，运动速度v＝300m/s，光速为c＝3×108m/s，理论多普勒频率15m处的差频频率为差频信号频率为fi-fd＝80kHz。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
(1)数据预处理：回波信号和本地耦合调频信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒、差频、伪随机码频率的中频信号，去除高频本振频率。
(2)伪码极性转换：根据伪随机码的双极性，将中频信号和本地伪码延迟码混频，去除伪码双极性，从而降低伪码对中频信号测速的干扰。
(3)欠采样：由调制信号发生器中产生n倍频的调制频率，对二次混频后的信号进行采样，直接从差频信号中提取出多普勒信号。
图2为预处理后的中频信号。图中可以看出在类似正弦波的包络内夹杂着很多的伪随机码。其中根据横坐标时间可以得到，正弦波包络频率大约为80kHz，和理论fi-fd＝80kHz相同。
图3为消去伪码后的差频信号的波形和频谱。中频信号经过消去伪码后，幅度几乎没有发生变化，从频谱可以看出主频率还是在80kHz。由图可得该过程中，成功去除伪码，还成功保留了差频信号。
图4为欠采样后的多普勒信号和频谱。根据理论多普勒频率和单倍频调制频率的数值关系，符合奈奎斯特采样率，但由于每周期采样点数过低，数据无法形成规则正弦波，从图像上看出部分失真，但是对于提取频率没有影响。根据频谱可得多普勒频率为fd＝20kHz，和理论值相同，表明该方法可以实现测速功能。
图5为FPGA硬件描述语言仿真下产生的测速结果。该组数据为时钟50kHz状态下的波形组，pseudo、echo分别为romIP核导入的MATLAB模拟的本地伪随机码延迟码和中频信号。由于两个信号频率过高，都包含高频伪码，在低频率下采样会出现严重失真。relazition为欠采样后的多普勒频率，FPGA中使用的firIP核内部会产生自动截位，使得信号的幅度产生一定的偏差，却不会影响信号的频率。sq为多普勒频率的频谱，能得到最大谱峰。cnt_max为对频谱谱峰的最大值对应位置，由于fftIP核运算深度为1024，最大值为410，实际和理论值相差20Hz，速度误差值为0.3m/s，因此能实现比较精确的测速效果。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据预处理：回波信号和本地耦合调频信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒、差频、伪随机码频率的中频信号，去除高频本振频率；
伪码极性转换：根据伪随机码的双极性，将中频信号和本地伪码延迟码混频，去除伪码双极性；
欠采样：由调制信号发生器中产生n倍频的调制频率，对第二次混频后的信号进行采样，从差频信号中提取出多普勒频率，由多普勒频率和速度的公式，得到速度信息。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，其特征在于，数据预处理后的中频信号U'm(t)和本地延迟信号Um(t)混频：
UR(t)＝U'm(t)×Um(t)＝m(t-τ)m(t-τ0)cos(2π(fd-kτ)t)
其中，m(t)为伪随机码信号，τ为回波延时时间，τ0为本地延时时间，fd为多普勒频率，kτ为差频频率。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，其特征在于，采用欠采样方法从差频信号中提取多普勒频率，具体为：
忽略不规则区的理想差频信号为：
cos(Δφ)＝cos(2πf0τ)cos(2πΔFfmτt)-sin(2πf0τ)sin(2πΔFfmτt)
为当前时刻的相位，f0为载波频率，ΔF为调制频偏，fm为调制频率；
根据傅里叶级数分解可以得到：
当n＝0时，an＝0＝a0，因此得到傅里叶级数展开式：
根据调制信号发生器的调制频率n倍频作为采样频率，即fs＝fm/p，p∈N*；
对e(t)进行采样：
由于中函数变量为n，远小于cos(2πf0τ)多普勒信号的频率，因此e(p)信号看作被信号调制的cos(2πf0τ)多普勒信号，在欠采样后，直接测得其频率为多普勒频率。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的伪码调相线性调频复合系统测速方法，其特征在于，根据测速公式计算速度ν的值；其中c为光速，f0为本振载波频率。
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