多遙測天線集中校準源的設計與應用

摘要：遙測天線校準通常采用誤碼儀產(chǎn)生的信號經(jīng)調(diào)制后送入校準天線發(fā)射，接收機收到信號解調(diào)后，再送入誤碼儀測量鏈路誤碼率完成單天線校準。該校準方式無法進行多天線集中校準，針對該校準方式的弊端提出了一種多天線集中校準的方法，利用反饋式移位寄存器理論在FPGA中產(chǎn)生偽隨機序列，給出了偽隨機序列的仿真波形，并利用IN-SNEC公司接收機測試軟件完成多天線集中校準源的測試。
關鍵詞：m序列；移位寄存器理論；FPGA；集中校準

0 引言
為保證多試驗對象的遙測數(shù)據(jù)同時接收，試驗場所需配備數(shù)量較多的遙測天線，通常這些天線位置較為分散，給天線的集中校準帶來了很大困難。現(xiàn)行的方案是利用誤碼儀產(chǎn)生信號通過信號發(fā)生器調(diào)制后經(jīng)遙測天線發(fā)射出去，接收機收到信號解調(diào)后將信號送回誤碼儀進行誤碼率測試完成單天線校準。這種方案的弊端在于使用誤碼儀必須形成閉合的環(huán)路才能進行誤碼率測試，這樣多套天線都配置誤碼儀、信號發(fā)生器、發(fā)送天線等設備將耗費大量的人力物力。本文中提到的校準方案是利用各個遙測站已經(jīng)配置的遙測接收機自帶的誤碼率測試程序，使用FPGA產(chǎn)生連續(xù)偽隨機碼，對整個遙測鏈路進行多次單向測試，這樣使用某一遙測站點集中發(fā)送校準信號，各個站點即可進行定量的誤碼率測試完成多天線集中校準，大大節(jié)約了人力物力成本，低成本的FPGA完全可以取代成本昂貴的誤碼儀對遙測天線進行集中校準。
偽隨機序列的偽隨機性表現(xiàn)在預先的可確定性、可重復產(chǎn)生與處理。偽隨機序列雖然不是真正的隨機序列，但是當序列周期足夠長時，偽隨機序列具有隨機序列的良好統(tǒng)計特性。因此偽隨機序列被廣泛應用于誤碼率測試、時延測量、通信加密、數(shù)據(jù)的擾亂和解擾、擴展頻譜通信、電子對抗、數(shù)字網(wǎng)絡系統(tǒng)的故障診斷及性能自測等多個領域。
由于FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編輯門陣列)在電子系統(tǒng)設計中的廣泛使用，且便于實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)，在很多高速設計和高速測試的場合下，希望能夠在FPGA中實現(xiàn)偽隨機序列發(fā)生器。
產(chǎn)生偽隨機序列的電路通常為一反饋移位寄存器，它又可分為線性反饋移位寄存器和非線性反饋移位寄存器兩類，由線性反饋寄存器產(chǎn)生出的周期最長的二進制數(shù)字序列通常稱為m序列。本文介紹的是在FPGA內(nèi)利用線性反饋移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Register s)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)m序列發(fā)生器的方法。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，生成的偽隨機序列隨機性好，占用FPGA內(nèi)部資源少等特點。

1 m序列產(chǎn)生原理
偽隨機序列具有類似于隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，同時又便于重復產(chǎn)生和處理。由于它具有隨機噪聲的優(yōu)點，又避免了隨機噪聲的缺點，人們對偽隨機序列已經(jīng)有了比較深入的研究。m序列的理論比較成熟，實現(xiàn)比較簡單，因此獲得了日益廣泛的應用。
m序列是最長線性反饋式移位寄存器的簡稱，它是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列。m序列信號發(fā)生器是在n級線性移位寄存器的基礎上，加上反饋邏輯電路構(gòu)成的。n級線性反饋移位寄存器的邏輯功能可以用圖1來表示。圖中n個小方框表示n個D寄存器，用ai表示寄存器的狀態(tài)。反饋線的連接狀態(tài)用ci表示，當ci=1時，表示第i級寄存器輸出參與反饋；當ci=0時，表示第i級寄存器輸出不參與反饋。

設n級移位寄存器的初始狀態(tài)為：a-1a-2…a-n，經(jīng)過一次移位后，狀態(tài)變?yōu)閍0a-1…a-n+1，經(jīng)過n次移位后，狀態(tài)為an-1an-2…a1a0，再次移位后，寄存器左端得到的輸入an按照圖中的線路連接關系，可寫為：

式中求和按模2運算。
若初始狀態(tài)為全“0”，則移位得到的狀態(tài)仍然是全“0”，因此n級線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的序列最長周期為2n-1，此時線性反饋移位寄存器所產(chǎn)生的偽隨機序列即為m序列。
反饋線的連接狀態(tài)ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接和序列的結(jié)構(gòu)，圖中的n級移位寄存器的連接多項式為(c0=1，cn=1)：

這一方程稱為特征多項式。特征多項式刻畫了從某一時刻的狀態(tài)到下一時刻狀態(tài)的轉(zhuǎn)移規(guī)律。
可以證明，特征多項式f(x)對應的n級線性反饋移位寄存器輸出最長序列的條件為：
(1)f(x)是既約的；
(2)f(x)可整除xm+1，m=2n-1；
(3)f(x)除不盡xm+1，qm。
將這樣的特征多項式稱為本原多項式。在制作m序列發(fā)生器時，移位寄存器的反饋線(及模2加法電路)的數(shù)目直接決定于本原多項式。由于本原多項式的逆多項式也是本原多項式，因此一個本原多項式可以生成兩種互為逆碼的m序列。以9級m序列為例，9級m序列的本原多項式為x9+x4+1，其逆多項式為x9+x5+1同樣可以產(chǎn)生m序列，逆多項式產(chǎn)生的m序列與本原多項式x9+x4+1產(chǎn)生的m序列互為逆碼。