基于FPGA的扩频测距快速捕获仿真研究

距离测量是测试技术中的一项基本测试技术，其几乎贯穿于工程实践的每个领域。在军事航天领域，由于其特殊的需求，对测距系统的量程、实时性和精度要求越来越高，而扩频测距由于其抗干扰能力强、精度高、作用范围广、隐蔽性好、适应性强、全天候等优势，在测距系统中得到了重视。
    扩频测距也称伪码测距，它是采用一个较长周期的PN码序列作为发射信号，将它与目标反射或转发回来的PN码序列的相位进行比较，即比较两个码序列相差的码片数，从而看出其时间差，换算出发射机与目的地之间的距离。如果码片选得很窄，即码速率做得很高，那么就可以完成高精度的测距。但随着码速率的提高和码周期的加长，传统的捕获时间将达到不可容忍的地步，所以需要考虑快速捕获算法。
   由扩频码的自相关函数可知，只有在t’=(t-τ)时，扩频解调输出V(t)的信号最大。根据τ就能算出两地的距离，c为电磁波传播速度。
    由于计算两序列的自相关函数需要用循环卷积代替自相关函数来计算扩频测距系统中的码片偏移，可以节省运算时间(大约为1／114)，加快捕获过程。设x(n)，y(n)分别为现有发射PN码与反射回来的PN码，序列长度为N，对它们分别做N点FFT，记

    可知R(m)为现有发射PN码与反射回来的PN码之间的相关值序列，长度为N，可知当R(m)中最大值的序列号减1即为码片差。

1 仿真方案设计
    首先由m序列发生器产生出两路序列长度为N的PN码，其中一路经过延时模块以后与另一路分别进入FFT模块进行FFT运算，将进行FFT后的两组数据运算后进入IFFT模块得出序列组，由序列组得出两路序列之间的码片偏移数，从而算出其时延。系统总体框图如图1所示。

2 主要模块仿真结果
2．1 PH码产生模块
    本设计选取的PN码为63位，本征多项式为x6+x+1。该PN码产生器由VHDL语言编写，其仿真结果如图2所示。

2．2 FFT转换模块
    该模块是本设计的核心模块，由输入缓冲器、FFT运算器、控制器构成，完成对数据的FFT变换。将PN码发生器产生的数据存入输入缓冲器中，在控制器的控制下，FFT运算模块从输入缓冲器中读取出数据值进行FFT变换，然后得出输出数据。图3所示为FFT模块的输入输出关系。fft_imag_out，fft_real_out分别为输出数据的实部、虚部和修正因子，m_soutoe_sop为输出数据的起始位。

2．3 计算模块
    设两路信号进行FFT后的数据为
   
    可见对进行FFT变换后需要进行的运算处理其实质是一个乘加，一个乘减和一个加法运算，其中乘加运算仿真结果如图4、图5所示。

2．4 判断模块
    判断模块的主要功能是对IFFT后的序列的最大值进行判断，得出其最大值所在的序列号减1就为其码片差τ。clk为时钟信号，rest为开始信号，data_in为输入数据，data_out为输入数据data_in中最大值所在的序列号减1。图6为判断模块仿真结果。

2．5 系统总设计图及仿真结果
    本设计采用自顶向下的设计方法，利用VHDL语言描述出扩频测距快速捕获的各个功能模块。图7所示为总体仿真结果，图中fft_imag_ outf，fft_real_outf为ifft后的数据，data_out为输出数据，由此可见，仿真结果与设定的τ=3一样，验证了本设计的可行性。

3 结束语
    采用FFT代替自相关函数计算扩频系统中的码片偏移可节省硬件计算时间。经过硬件的优化设计与仿真，在Altera Straix II系列FPGA上，时钟频率达到109．1 MHz，捕获时间和计算时间大约在2μs，捕获时间提高。此外，由于扩频技术可以极大地抑制突发干扰和脉冲干扰，所以扩频测距比起传统的测距方法，如激光测距，超声测距等方法能适用于更恶劣的环境，如卫星测控，而由于使用快速捕获技术，可进一步提高实时性，在对测距实时性要求更高的引信技术中也可以采用。