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摘要：通過對機(jī)載測距詢問器檢測中測距回答概率控制的工作特性的分析，提出一種基于m序列偽隨機(jī)碼的具有可設(shè)定測距回答概率功能及隨機(jī)回答特性的測距回答概率控制設(shè)計方案，并給出其具體的PLD實現(xiàn)電路。
關(guān)鍵詞：m序列 偽隨機(jī)碼 可編程邏輯電路（PLD）
測距器（Distance Measuring Equipment）系統(tǒng)分為機(jī)載詢問器和地面應(yīng)答器兩部分。其測距原理為二次雷達(dá)測距原理。系統(tǒng)工作時，由機(jī)載詢問器發(fā)射測距詢問脈沖，經(jīng)距離d到達(dá)地面應(yīng)答器接收機(jī)，經(jīng)信號處理，并延遲一個系統(tǒng)固定時間后，測距回答脈沖被回發(fā)。機(jī)載詢問器計算出詢問與回答脈沖之間的時間間隔t，即可計算出飛機(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，c為無線電波的傳播速度。
由測距原理可以知道，要對機(jī)載詢問器的測距性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，就必須模擬地面應(yīng)答器產(chǎn)生的回答脈沖。而在實際測距系統(tǒng)工作中，由于各種干擾存在，使測距回答率不可能達(dá)到100%。所以，為在不同回答數(shù)目情況下對機(jī)載訪問器進(jìn)行綜合性能測試，需要對測距回答概率進(jìn)行控制，以達(dá)到檢測目的。
本文通過對測距回答概率控制過程的特性分析，提出一種基于m序列偽隨機(jī)碼的實現(xiàn)方法，并給出了具體PLD實現(xiàn)電路。
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1 設(shè)計方案
1.1 特性分析
模擬應(yīng)答器由機(jī)載詢問脈沖觸產(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)后的視頻詢問脈沖經(jīng)過詢問脈沖處理電路處理后，輸出回答脈沖觸發(fā)信號；經(jīng)測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；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)載詢問器接收處理。本文所研究的重點即測距回答概率控制電路。
在測距回答概率控制工作過程中有幾個特性需要特別注意。首先，測距回答概率控制電路由詢問脈沖間接觸發(fā)，即視頻詢問脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號為測距回答概率控制過程同步觸發(fā)信號；其次，根據(jù)檢測要求，測距回答概率范圍在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；第三,兩個測距回答概率控制電路輸出的回答脈沖觸發(fā)信號的時隔是隨機(jī)變化的，而不是按相等時間間隔平衡分配的；同時，測距回答概率控制電路的工作速率要快，以增強(qiáng)系統(tǒng)檢測性能。
1.2 理論方案
根據(jù)回答概率控制的特性知道，應(yīng)把詢問脈沖經(jīng)處理后產(chǎn)生的觸發(fā)信號作為測距回答概率控制電路的同步信號（或者說時鐘）。測距回答概率P回∈[0%,100%]，以10％或20%步進(jìn)可調(diào)?，F(xiàn)以20%步進(jìn)為例，其可調(diào)值為0%、20%、40%、60%、80%、100%，即P回為整個概率空間上的幾個離散點。
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)生過程是隨機(jī)過程，所以可以通過模擬具有隨機(jī)特性的隨機(jī)過程來實現(xiàn)固定概率下回答脈沖隨機(jī)的產(chǎn)生。
但是，一方面模擬產(chǎn)生完全符合隨機(jī)分布的隨機(jī)過程很難實現(xiàn)；另一方面，在實際機(jī)載詢問器檢測中，測距回答總數(shù)有限，利用完全符合正態(tài)分布的隨機(jī)過程隨機(jī)產(chǎn)生回答信號，很難達(dá)到所規(guī)定的測距回答概率控制要求。從這兩個方面出發(fā)，采用偽隨機(jī)過程，即具有周期性的隨機(jī)過程，而每個周期內(nèi)的隨機(jī)變量近似服從隨機(jī)分布。
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?？梢?，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)變量的個數(shù)。實際上，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。
由于m偽隨機(jī)序列在每個周期內(nèi)有n(n≤2 N-1)個偽隨機(jī)數(shù)，具有近似離散隨機(jī)分布特性，這里把這個離散隨機(jī)分布特性與固定概率控制下的回答脈沖隨機(jī)產(chǎn)生相對應(yīng)。而測距回答概率的控制則根據(jù)n個偽隨機(jī)數(shù)的數(shù)值大小作為門限來判定，即把偽隨機(jī)數(shù)的值作為測距回答概率判決條件。具體判決過程如下：
n個偽隨機(jī)數(shù)為x1，x2，…，xi,…,xn,xi∈(x1…xn)；測距回答概率P回符合離散隨機(jī)分布特性，設(shè)x為由詢問信號觸的m序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)，其值包含在n個偽隨機(jī)數(shù)的取值范圍內(nèi)，則測距回答概率取值規(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，可以通過設(shè)定不同的偽隨機(jī)數(shù)值作為測距回答概率判決門限的方式，來設(shè)定不同的測距回答概率值。實際中，首先確定測距回答概率配置，然后通過不同的偽隨機(jī)數(shù)數(shù)值門限加以實現(xiàn)。其原理框圖如圖3所示。N位m序列產(chǎn)生電路在詢問觸發(fā)信號觸發(fā)下產(chǎn)生n個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)定測距回答概率判決門限之上的偽隨機(jī)數(shù)值，則輸出回答觸信號，否則沒有回答觸發(fā)信號輸出。其中，判決門限由測距回答概率設(shè)置輸入配置。
2 具體實現(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可編程邏輯器件實現(xiàn)?，F(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（測距回答概率步進(jìn)為20%）。
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2.1 m序列產(chǎn)生電路
以四級（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，本原多項式為f（x）=1+x+x4，原理圖如圖4所示。利用詢問觸發(fā)信號作為m序列產(chǎn)生器同步時鐘，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
| 觸發(fā)序號 | D3? D2? D1? D0 | 偽隨機(jī)數(shù) | 譯碼輸出 |
| 1 | 1?? 0?? 0?? 0 | 8 | d8 |
| 2 | 1?? 1?? 0?? 0 | 12 | d12 |
| 3 | 1?? 1?? 1?? 0 | 14 | d14 |
| 4 | 1?? 1?? 1?? 1 | 15 | d15 |
| 5 | 0?? 1?? 1?? 1 | 7 | d7 |
| 6 | 1?? 0?? 1?? 1 | 11 | d11 |
| 7 | 0?? 1?? 0?? 1 | 5 | d5 |
| 8 | 1?? 0?? 1?? 0 | 10 | d10 |
| 9 | 1?? 1?? 0?? 1 | 13 | d13 |
| 10 | 0?? 1?? 1?? 0 | 6 | d6 |
| 11 | 0?? 0?? 1?? 1 | 3 | d3 |
| 12 | 1?? 0?? 0?? 1 | 9 | d9 |
| 13 | 0?? 1?? 0?? 0 | 4 | d4 |
| 14 | 0?? 0?? 1?? 0 | 2 | d2 |
| 15 | 0?? 0?? 0?? 1 | 1 | d1 |
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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)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)每一個詢問觸發(fā)信號到來時，m序列產(chǎn)生1個偽隨機(jī)數(shù)，對應(yīng)d1～d15中有一個為高電平。
2.3 測距回答概率判決電路
各個偽隨機(jī)數(shù)值作為門限時的測距回答概率如下：
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%。
門限為1，P回(x≥1)=15/15×100％=100%,d1～d15任意有效均有輸出；
門限為4，P回（x≥4）=12/15×100%=80%，d4～d15任意有效均有輸出；
門限為7，P回（x≥7）=9/15×100%=60%，d7～d15任意有效均有輸出；
門限為10，P回(x≥10)=6/15×100%=40％，d10～d15任意有效均有輸出；
門限為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任意有效均無輸出。
無回答狀態(tài)就是封閉概率控制電路的觸發(fā)輸出信號，無論產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)值為多少，人為造成詢問不回答狀態(tài)。判決電路如圖6所示。譯碼門輸出的d1～d15電平信號，分別與外部測距回答概率設(shè)定電平P0～P4相與后，經(jīng)同一個或門輸出。d1～d15每三個一組，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任何一個電平與相對應(yīng)的P0～P4中的一個電平同時為高電平時，或門輸出回答觸發(fā)信號，高電平有效，此時啟動回答。其中測距回答概率設(shè)定電平P0～P4由外部配置，其電平配置與測距回答概率設(shè)定數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。
表2 電平配置與測距回答概率設(shè)定數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系
| P4 | P3 | P2 | P1 | P0 | 測距回答概率 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 100% |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 80% |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 60% |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 40% |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 20% |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0% |
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2.4 提高步進(jìn)精度的改進(jìn)電路
要使測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)門限1時，P回（步進(jìn)）=1/15×100%=6.7％,取步進(jìn)門限2時，P回（步進(jìn)）=2/15×100％=13.3%，因而只有取步進(jìn)門限1.5時才可達(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)個數(shù)，以適應(yīng)步進(jìn)精度提高的要求。為兼顧測距回答隨機(jī)性與提高步進(jìn)精度兩個方面的要求，對于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。其它步進(jìn)精度要求的可由此方法實現(xiàn)。其實現(xiàn)通用的原理框圖如圖7所示。
根據(jù)用于檢測機(jī)載詢問器性能的模擬回答信號的測距回答概率控制特性可知，該方案達(dá)到了要求，滿足了測距回答概率配置要求。以一定步進(jìn)可調(diào)，且測距回答概率步進(jìn)精度可以通過改進(jìn)電路來提高；同時，m序列偽隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)產(chǎn)生性符合測距回答信號隨機(jī)產(chǎn)生特點，偽隨機(jī)碼的周期隨機(jī)性，也符合詢問檢測次數(shù)有限的特性。利用PLD可編程邏輯器件來實現(xiàn)，不但有利于在線調(diào)試電路，而且可以靈活地改進(jìn)電路，利于開發(fā)。
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