伪码引信长短码复合测高相关接收方法

徐利平,王　震，王大鹏，魏　玮

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065)



伪码引信长短码复合测高相关接收方法

徐利平,王震，王大鹏，魏玮

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)

针对传统脉冲体制伪码引信单组码测高存在高处理增益与减小探测盲区之间的矛盾，提出长短码复合测高相关接收方法。该方法采用一个长码相关器和一个短码相关器进行相关接收，两个相关器间用射频开关切换，远距离探测时选用长码相关器进行相关接收，处理增益高，干扰容限大，抗干扰性强；近距离探测时，选用短码相关器进行相关接收，探测距离更低，拓展了引信的近距离探测范围。测试和试验结果证明该方法在保证远距离抗干扰能力的情况下，可有效提高引信的近距离探测能力。

伪码引信；相关接收；探测盲区

0　引言

脉冲体制测距具有测距精度高，抗干扰性能好等特点。伪随机码具有极强的自相关性，可有效地解决抗干扰问题，提高引信与战斗部的有效配合，增强引信的抗干扰能力[1-2]。伪码测高引信一般采用单天线收发一体、脉冲工作体制，即发射伪码信号时关闭接收通道，接收回波信号时关闭发射通道，来减小发射通道直通到接收通道的能量，减小对接收的干扰。传统的伪码引信一般采用单组码测高，即只用一组伪随机码对发射信号进行调制，然后对回波进行相关处理。伪码引信码长决定系统的处理增益和探测盲区，码字越长，系统的处理增益越高[3]，抗干扰能力越强，但是探测盲区也越大。现代高价值弹药对引信的探测能力要求比较高，一般从15 m到200 m都有探测需求,所以单组码伪码测高引信很难满足要求。

基于声表面波的伪码相关器具有高处理速度，大处理带宽，和极强的处理能力,特别是实时处理中具有绝对优势[4]。同时声表面波相关器体积小、功耗低，所以伪码引信相关处理多采用声表面波相关器。文献[5]中和文献[6]中阐述的相关接收方法为：系统发射13位巴克码调制的射频信号，然后将目标反射的回波信号下变频到中频，在中频经过声表相关器相关处理后提高了回波信号的信噪比，输出信号经过检测器和比较器后输出高度判决信号。由于系统采用单组码测距，所以存在固定近探测盲区的问题。文献[7]中对相关器的相关处理进行了改进，对相关器的输入输出端进行了匹配，减小了相关器的反射损耗，但是仍属于单组码测距，近距离探测仍存在固定探测盲区的问题。本文针对此问题，提出采用长短码复合测高的方法。

1　传统伪码引信相关接收方法

传统伪码引信相关接收方法如图1所示。

图1　传统伪码引信相关接收方法Fig.1　Traditional correlation reception method for PN Fuze

伪码引信采用脉冲测距原理，宽波束单天线收发分时复用，在中频进行0/π调制，然后上变频到射频，经功放由天线发射出去，然后转入接收状态，回波信号经天线、T/R开关，低噪放后下变频到中频，然后在中频进行相关处理，最后由信号处理器计算出回波的延时并得出高度信息。

将射频信号下变频到中频可以防止高频信号直接馈通，使相关处理在较低频率上实现。相关处理采用声表面波相关器实现，简化了结构，提高信号的处理速度，降低系统的功耗。噪声和干扰分量的功率谱在相关器相关解扩过程中被扩展，使进入到信号频带内的噪声和干扰功率大大降低，信噪比得以提高，系统性能得到改善。伪码相关器的输出信噪比与输入信噪比的比值为处理增益，处理增益是表征引信抗干扰能力的重要指标，它决定于信号的码长。

由于伪码引信是单天线收发分时工作的，发射时候不能接收，接收的时候不能发射，所以发射信号的时宽决定了引信的最近探测距离。在码元宽度一定的情况下，码长就决定了发射信号的时宽。

所以，为了提高引信的抗干扰性，就需要发射长码字信号来提高引信的处理增益，但是近距离探测难以保证；为了保证近距离的探测就需要发射短码字信号，但是引信的抗干扰性难以保证。

2　长短码复合相关接收方法

为了解决处理增益与固定探测盲区的矛盾，提出长短码复合相关接收的方法，原理图如图2所示。引信采用单天线收发共用，射频前端发射与接收分时工作来减小发射通道向接收通道的泄露，即发射时关闭接收通道；接收时关闭发射通道。

图2　长短码复合相关接收方法Fig.2　Long-short code Composite altimetry correlation reception method

与图1传统单码字伪码引信比较，编码/控制器在不同的高度会产生两种长度不同的伪随机码送入射频前端的调制器。中频相关处理链路中单相关器改进成双相关器，即一个长码字相关器，一个短码字相关器。两个相关器输入输出端由高速射频开关1、开关2控制，在两个相关器间选通切换。综合考虑引信探测距离范围，抗干扰性，体积、功耗及成本等因素，选择7位巴克码作为长码，3位巴克码作为短码，码率为50 MHz；选择HMC336MS8G作为相关器的选择开关。

距离的远近由发射信号的时宽和信号在探测距离上的延时相比较决定，当延时大于长码字的时宽时，为远距离探测，否则为近距离探测。远距离探测时，编码/控制器将长码字伪随机码送入射频前端的中频调制器，产生长码字中频伪码调相信号，上变频到射频，经功放由天线发射出去，然后转入接收状态等待接收。编码/控制器产生的控制信号将射频开关拨到长码字相关器端。回波信号经天线、T/R开关，下变频到中频，进入长码字相关器进行相关处理。远距离探测时使用长码字，提高了系统的处理增益，干扰容限大，增强了系统的抗干扰能力。

在探测距离接近长码近距探测能力时切换到短码探测模式，即选择25 m距离时为切换距离点。由于信号的发射周期为20 μs，而长短码切换可在20 ns内完成，所以不影响引信高度的实时探测。编码/控制器将短码字伪随机码送入射频前端的中频调制器，对载波进行调制。接收时射频开关拨到短码字相关器端进行接收，可以探测到更近的距离。

3　设计合理性及测试验证

3.1相关器和射频开关选择合理性分析

最常用的伪随机码序列包括巴克码、M序列等。由于M序列必须采用连续波且序列码很长才能消除大的旁瓣。如果M序列采用脉冲形式，自相关函数特性会遭到破坏，所以不适合应用于伪码脉冲体制引信。巴克码作为伪随机码序列之一，它有着良好的自相关特性和尖锐峰特性，并且在脉冲工作的情况下不影响自相关特性，所以巴克码序列适合于伪码脉冲体制引信。

微声电子与微机电产品在性能、体积和功耗方面的有独特的优势，特别适合于引信这种有小体积、低功耗、高可靠性要求的系统应用。国外新的引信开始大量采用微声电子与微机电技术。随着高速微声电子的发展，声表面波相关器的码元宽度可以做的很窄，以保证足够的信号带宽，从而得到良好的距离分辨率和测距精度。

声表面相关器主要是利用声表面波抽头延迟线的“自同步”特性，对扩频调制信号实现同步和解扩。利用声表面波抽头延迟线的“自同步”特性，有别于电路的实现方法，我们不必去建立复杂的同步电路，使相关接收模块电路结构大大简化，而且由于没有锁定时间等系统延时，提高了整个引信系统的实时性。所以我们采用7位和3位声表面波相关器处理伪码引信的回波信号。

射频开关是用于控制射频信号传输路径及信号大小的控制器件，在无线电探测器、电子对抗、雷达系统等许多领域有广泛的用途。射频开关主要有PIN管开关和FET管开关。由于PIN管开关依靠电流控制通断，需要设计高速电流驱动器，电路结构复杂，功耗比较大，而FET管开关依靠电压控制，功耗和体积小，电路结构简单，所以选择FET管开关。

射频开关的关键参数包括带宽、插入损耗、隔离度、开启关断时间、回波损耗和封装尺寸等。

HMC336MS8G的封装为MSOP8G小型封装，5 V供电，35 μA超低功耗，工作频率为直流6 GHz，插入损耗1.2 dB，两路之间的隔离度大于47 dB，输入输出端的回波损耗大于12 dB，开启和关断时间小于10 ns，理论计算在3位巴克码探测时最近距离可探测到10.5 m，满足伪码引信近距离15 m的探测要求。

3.2长短码复合相关接收模块测试验证

射频前端输出的伪码中频回波信号输入到长短码复合相关接收模块，首先经过射频开关选择相关器通道，相关处理完后相关峰输入到放大器进行增益补偿，然后输入到包络检波器进行包络检波，最后放大输出。

测试平台包括稳压电源、微波信号源和编码信号源、高频示波器、噪声源、伪码调制器、功率合成器、射频放大器和同轴电缆等。由于相关器的相关峰波形和处理增益是伪码相关接收模块的最重要指标，所以我们重点观测相关器输出波形和估测长短码复合相关接收模块的处理增益。

估测方法为：用微波信号源产生中频正弦波信号，用编码信号源分别产生7位巴克码或者3位巴克码信号，并与正弦波信号一起输入到伪码调制器产生伪码中频信号，通过调整微波信号源的功率来调整伪码中频信号的功率。用噪声源产生一定功率的带限白噪声，并与伪码中频信号一起送入功率合成器，将合成的信号输入到长短码复合相关接收模块，用高频示波器检测相关峰输出。

首先输入小信号，测出相关器输出的信噪比。然后逐渐增大输入功率，测出相关器在不同功率信号状态下的信噪比，可以评估出相关器在动态范围内处理增益的变化。图3为7位巴克码调制的中频信号波形图。将射频开关选通到7位巴克码相关器通道，将图3所示的中频信号输入到相关处理模块的7位相关器，经过相关处理和放大补偿后输出的相关峰如图4所示，说明模块7位相关器通道可以正常输出尖锐的相关峰。

将带限白噪声加入7位巴克码中频信号后如图5所示，将图5所示的信号送入相关处理模块测量输出相关峰的信噪比。通过改变微波信号源的输出功率，分别测量了不同输入功率下相关器的输出信噪比，计算出不同功率下相关处理模块的处理增益，如表1所示。

图3　7位巴克码中频信号Fig.3　7 bit barker code IF signal

图4　7位巴克码相关接收测试图Fig.4　The test pattern of 7 bit barker code correlation reception

图5　加入噪声的7位巴克码中频信号Fig.5　7 bit barker code IF signal which was added with noise

输入信号Ai/mV输入噪声Ni/mV输出信号A0/mV输出噪声N0/mV处理增益Gp/dB80015016513.47.27900150190147.09100015020513.86.96110015022013.47.001200150235.413.17.031300150256.513.27.01140015029113.87.08150015029813.56.88

由表1可知，7位巴克码作为调制信号时，当信号由800 mV动态变化到1 500 mV时，相关处理模块的处理增益大概为7 dB左右，与单组码(7位巴克码)测距时相比，相关器处理增益基本相同，说明相关处理模块7位巴克码相关处理通道工作正常。

处理增益与理论计算8.45 dB存在1.45 dB合理差距，这是由测量误差、信号通道的放大器内部噪声及现阶段相关器的制作工艺水平等因素共同造成的。

用编码信号源产生3位巴克码编码信号与微波信号源产生的正弦波信号一起送入调制器，产生3位伪码中频信号，如图6所示。

将射频开关选通道3位巴克码相关器通道，将图6所示的中频信号输入到相关处理模块，相关处理后输出的相关峰如图7所示，说明模块3位相关器通道可以正常输出尖锐的相关峰。

将带限白噪声加入3位巴克码中频信号后如图8所示，将图8所示的信号送入相关处理模块测量输出相关峰的信噪比。通过改变微波信号源的输出功率，分别测量了不同输入功率下相关器的输出信噪比，计算出不同功率下相关处理模块的处理增益，如表2所示。

图6　3位巴克码中频信号Fig.6　3 bit barker code IF signal

图7　3位巴克码相关接收测试图Fig.7　The test pattern of 3 bit barker code correlation reception

图8　加入噪声的3位巴克码中频信号Fig.8　3 bit barker code IF signal which was added with noise

输入信号Ai/mV输入噪声Ni/mV输出信号A0/mV输出噪声N0/mV处理增益Gp/dB800150153.619.63.40900150170.119.23.391000150183.918.83.331100150203.4193.291200150215.518.23.411300150235.718.43.391400150262.519.13.361500150282.319.33.30

由表2可知，3位巴克码作为调制信号时，当信号由800 mV动态变化到1 500 mV时，相关处理模块的处理增益大概为3.36 dB左右，与单组码(3位巴克码)测距时相比，相关器处理增益基本相同，说明相关处理模块3位巴克码相关处理通道工作正常。

处理增益与理论计算4.77 dB存在1.41 dB合理差距，这是由测量误差、信号通道的放大器内部噪声及现阶段相关器的制作工艺水平等因素共同造成的。

由实验室测试结果表明长短码复合相关处理模块儿的7位巴克码相关通路和3位巴克码相关通路都能输出尖锐的相关峰，处理增益接近理论计算值。与单组码字测距比较，处理增益基本一样，但复合后相关处理模块不影响远距离探测的条件下可以探测到更近的距离。

3.3半实物仿真试验验证

长短码相关处理模块与射频前端模块及编码/控制模块、信号处理模块组装成整机后，在引信动态国家重点实验室的目标回波模拟系统实验室进行了半实物仿真实验并与传统的单组码(7位巴克码)测高引信进行了比较。目标回波模拟系统可以根据不同目标RCS特性产生不同距离上的相应功率的模拟目标回波信号。实验方法为关闭射频前端的发射通道，打开接收通道使伪码引信处于接收状态。伪码引信产生时钟同步信号控制目标回波模拟系统产生由远及近的回波信号，模拟产生引信接近目标时候从目标反射回来的信号。模拟回波信号从射频前端的射频端口输入到接收通道，最后由信号处理模块输出高度信号。

传统的7位伪码引信的半实物仿真结果如图9所示。半实物仿真结果表明，传统的单组码测距伪码引信最近距离大概在45 m左右。

图9　7位伪码引信半实物仿真结果Fig.9　The result of 7 bit PN fuze hybrid simulation

长短码复合伪码引信的半实物仿真结果如图10所示。由图10可知，引信可以从15～200 m连续测距，最近距离可以探测到15 m左右，比单组码测距伪码引信最近距离减小了30 m左右。证明长短码复合测高相关接收方法在不影响远距离探测的情况下可有效得拓展近距离探测范围，该方法可以应用于各种伪码引信。

4　结论

本文提出了伪码引信长短码复合相关接收方法。该方法采用一个长码相关器和一个短码相关器进行相关接收，两个相关器间用射频开关切换，远距离探测时选用长码相关器进行相关接收，处理增益高，干扰容限大，抗干扰性强；近距离探测时，选用短码相关器进行相关接收，探测距离更低，拓展了引信的近距离探测范围。长短码复合相关接收模块制板、组装后在实验室进行了测试验证，并进行了半实物仿真实验。测试和试验结果表明该方法在保证远距离抗干扰能力的情况下，可有效提高引信的近距离探测能力，引信最近距离可以由原来的45m减小到15m。研究成果可用于各种伪码引信中。

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Long-short Code Composite Altimetry Correlation Reception Method for PN Fuze

XU Liping,WANG Zhen,WANG Dapeng,WEI Wei

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

According to increase processing gain and reduce coverage gaps of traditional pulse system PN fuze with single group code altimeter method, this paper proposed a long-short code composite altimetry correlation reception method. The method used a long code SAW correlator and a short SAW correlators, and choose RF switch between the two channels. When PN fuze could launch long code signal to improve processing gain remote detection, in order to achieve enhanced anti-jamming capability. PN fuze could launch short code signal to reduce blind spot detection when proximity detection. Experimental results showed that the method could effectively improve the ability of proximity detection, when ensure anti-interference ability of remote detection, also with good performance. The closest distance of fuze detection range could be reduced from 45 m to 15 m.

pseudo-random coded fuze; correlation reception; blind area of detection

2016-01-18

徐利平(1982—)，男，内蒙古巴彦淖尔市人，硕士，工程师，研究方向：无线电引信。E-mail:hcgk1117@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0033-05