m序列在脉冲压缩雷达中的研究

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摘 要：在脉冲压缩雷达中发射信号的选取至关重要，通常采用调频信号和相位编码信号。伪随机序列中的m序列是典型的二相编码信号，具有类似白噪声的性质，周期且有规律。文中对m序列的自相关和互相关特性进行仿真，并结合实际工程应用给出了具体的生成方式。通过具体参数的设定，达到工程应用目的。最后结合实际应用给出m序列在雷达中脉冲压缩处理流程，实践证明在工程中取得良好的应用效果。

关键词：m序列；自相关；互相关；脉冲压缩

中图分类号：TP311 文献标志码：A

Study of m Sequence in Pulse Compression Radar

GAO Rui ，LIANG Su-long

（Department of Electronic and Electrical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji，Shaanxi 721016，China）

Abstract：The selection of transmitting signal in pulse compression radar is very important， FM signal and phase coded signal are usually used.The m sequence in pseudo-random sequence is a typical binary coded signal.which has similar white noise properties， periodic and regular.In this paper， the self correlation and cross-correlation characteristics of m sequences are simulated， and give generation mode with engineering application.Through parameter setting， achieve the purpose of Engineering application.Finally， the application of m sequence in the radar pulse compression processing flow， practice has proved good application effect in engineering.

Key words：m-sequence；autocorrelation；auto-correlation；pulse compression；

0 引言

偽随机序列由于具有良好的自相关、互相关特性在扩频通信中有较广的应用，同样在雷达系统中也可以采用伪随机序列作为发射中频信号[1]。在二次雷达中由于其数量较多，可以通过不同的序列来区别多个应答机。确保在雷达跟踪过程中雷达与应答机准确的握手。从而完成对目标的跟踪获取方向、速度等信息[2]。需要说明的是，纯粹的13位巴克码尽管其性能良好但没有实用意义。除此之外，还有m序列、GOLD序列（是由构成优选对的两个m序列异或得到）以及各类混沌序列[3]。本文中主要对典型的二相编码信号m序列性能进行分析，并给出具体的工程实现方式。

1 相位编码信号

数字相位编码调制是利用载波相位的变化来表达数字信号信息的一种调制方法，在二项

码中，通常用相反的相位“0°”或“180°”，来表示数字信息“0”或“1”。当然也可以用“90°”或“270°”来表示。由于相位编码信号对多普勒频率比较敏感，只适用于多普勒频率较小的场合。在实际中可以通过预调多普勒的方式来对信号进行脉压运算。

2 m序列的生成

1）m序列是由线性移位寄存器网络产生的，由于n级移位寄存器共有2n个状态，除去全“0”状态外还剩下P=2n-1种状态。产生m序列的移位寄存器的网络结构不是随意的，m序列周期P也不是任意取值的，必须满足 P=2n-1。

2）根据m序列的本源多项式选取适当的反馈抽头，可以容易的得到相应的m序列。具体应用中采用Altera公司推出FPGA/CPLD开发环境Quartus II[4-5]。由于工程中需要长度为127bit的序列，实际应用中本系统所需的7级m序列可以在其原理图设计中使用移位寄存器方便的实现（见图1）[6]。

3 m序列的特性

m序列是一伪随机序列，具有与随机噪声类似的尖锐自相关特性，以及良好的互相关特性（没有明显的峰值），但它不是真正随机的，而是按一定的规律形式周期性地变化。由于m序列容易产生，规律性强，有许多优良的特性，在扩频通信和码分多址系统中最早获得应用。但是由于在通信中和雷达中发射信号的要求不同，（通信中常采用连续波信号，雷达中常采用的是脉冲信号）在具体做自相关运算时分别采用循环自相关和滑动自相关[6-7]。具体的区别如图2所示，图中采用的是127bit的m序列进行相关运算。在进行互相关运算时选取了一对性能较好的m序列进行仿真如图3所示，该序列已经应用于工程中。通过仿真发现有的m序列对之间的互相关特性不理想，因而不宜作为发射信号。

4 雷达中的脉冲压缩

雷达是通过对回波信号作一些相应的处理来识别复杂回波信号中的有用信息。为了能达到要求的距离分辨率，必须提高发射信号的有效带宽，通常采用脉冲压缩的方式。所谓脉冲压缩，就是将发射时的宽脉冲，通过匹配滤波器进行脉冲压缩，输出窄带脉冲信号，使雷达提高检测能力的同时又不降低距离分辨率[8-9]。

通过反馈抽头的选取，假定由7级移位寄存器产生127位m序列，且码元宽度为0.2 us，即总时长为25.4 us。当频率为39.4 kHz时，不能通过自相关运算进行脉冲压缩（无法得到尖锐的峰值）。具体仿真如图4所示。通过时间轴解析峰值从而获取距离信息。通过频率轴解析多普勒信息从而达到测速的目的。

5 脉冲压缩的实现

数字脉冲压缩分为时域和频域两种，时域中的匹配滤波器相当于直接进行在时域内相关运算，而频域内FFT后的结果和脉压系数相乘再反变换，处理流程图如图5所示。由数字信号处理理论可知两种实现方法的本质算法是一致的。

本系统采用的处理器芯片为AD公司生产的ADSP-TS101通用处理器[10]。该处理器有3条128bit宽度的内部数据总线，为存储器块之间提供每周期48字节的高度宽连接。支持32和40bit的浮点及8、16、32和64bit的定点处理。拥有14个DMA通道，支持内部存储器、外设、外部存储器、链路口及链路口间的数据传输。

具体工作中我们通过dsp软件编程进行fft运算来实现脉冲压缩，因而采用频域脉冲压缩，实现流程如图5所示。由于ADI公司提供了ADSP-TS101软硬件开发工具，包括仿真器和支持C/C++语言编程的Visual DSP++4.5集成开发环境，因而可以通过软件语言方便的实现信号的脉冲压缩[11-12]。具体实现流程如图5所示。

6 结 论

通过硬件FPGA产生m序列并对其性能进行软件仿真，同时给出雷达中典型的脉冲压缩算法，且该序列及算法已在某脉冲压缩雷达中具体应用，并满足各项指标的测试。目前已经通过各项验收测试。

参考文献

[1] 向敬成，张明友.《雷达系统》[M].成都：电子科技大学出版社，1997.

[2] 丁鹭飞，耿富录 .《雷達原理》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[3] 周润景，图雅，张丽敏 .《基于QUARTUS II的FPGA/CPLD 数字系统设计实例》[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 刘书明，苏涛，罗军辉 .《Tiger SHARC DSP 应用系统设计》[M].北京：电子工业出版社，2004.

[5] 蒋权，姚振东，李建.基于FPGA的m序列信号发生器设计[J].电子设计工程.2014，22（13）：154-157.

[6] 张月，周建伟，史巧硕，等.基于FPGA的m序列扩频通信的设计与实现[J].河北工业大学学报，2014，43（4）：22-25.

[7] 徐立平.m序列及其采样序列互相关特性研究[D].郑州：解放军信息工程大学， 2015.

[8] 蒋易松.基于相位编码的正交波形研究[D].成都：电子科技大学， 2015.

[9] 马雯莹.相位编码脉冲压缩技术在雷达中的应用[D].南京：东南大学， 2015.

[10] 张恒达.二相编码信号性能分析[J].电子设计工程.2014，22 （12）：138-140.

[11] 王学伟，董晓璇 ，王琳，等.m 序列伪随机动态测试信号建模与压缩检测方法[J].电力自动化设备，2017，37 （2）：145-149.

[12] 耿亚南.基于 matlab 的 m 序列的产生和特性分析[J].互联网+应用，2017，12（2）：109-110.