摘要:頻率編碼序列" title="離散頻率編碼序列">離散頻率編碼序列集合是一種具有良好自相關(guān)和互相關(guān)性的正交編碼波形序列集合,其信號可以提升網(wǎng)狀多雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)搜索能力、追蹤與識別能力,。為了設(shè)計(jì)這種信號,,需要求解NP-難的組合優(yōu)化問題,且考慮到DSP的速度限制和信號產(chǎn)生的實(shí)時性要求,,采取簡單有效的局部搜索算法,,并利用TI公司的TMS320F28335和BB公司的DAC7724完成目標(biāo)算法和波形輸出,得到了符合要求的波形,。
關(guān)鍵詞:離散頻率編碼序列,;局部搜索算法;數(shù)字信號處理器,;數(shù)/模轉(zhuǎn)換
0 引言
隨著信息融合技術(shù)的快速發(fā)展,,網(wǎng)狀多雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)搜索能力、追蹤與識別能力都得到了極大的提升,,進(jìn)而憑借其高性能得到更加廣泛的應(yīng)用,。然而,為了避免自干擾和檢測混亂,,網(wǎng)狀雷達(dá)系統(tǒng)的信號需要特殊設(shè)計(jì),。如果系統(tǒng)傳送的波形屬于一個正交編碼波形集合,而這個波形集合中的任一波形都具有近似沖擊函數(shù)的自相關(guān)性,,且任兩波形間無互相關(guān)性,,系統(tǒng)就可以根據(jù)實(shí)時需求來在單基、雙基,、多基之間轉(zhuǎn)換,,從而達(dá)到比傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)更強(qiáng)的目標(biāo)探測、追蹤,、識別能力,。
正交頻率編碼也屬于一種跳頻技術(shù),可以抑制信號傳輸過程中的多徑干擾,,提高信噪比,,更可以避免雷達(dá)信號被截獲,提高雷達(dá)站的安全性,。同時,,信號的分集傳送,也保證了信號的可恢復(fù)性,,解決了衰減問題,。
數(shù)字信號處理器(DSP)具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力,并且具有數(shù)據(jù)傳輸速度快,,可并行處理多條指令等優(yōu)點(diǎn),。使用TI公司的DSP芯片TMS3-20F28335作為控制核心,,BB公司的12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC7724作為執(zhí)行部件,能夠根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)描述輸出任意波形,。
1 離散頻率編碼的雷達(dá)信號的設(shè)計(jì)
假設(shè)一多雷達(dá)系統(tǒng)中有L個雷達(dá)站點(diǎn),,即有L個跳頻序列,每個跳頻序列包含N個時長為tb的連續(xù)子脈沖,。編碼信號可表示為:
式中:是子脈沖的編碼頻率,;tb是子脈沖持續(xù)的時間。對于跳頻序列l(wèi),,其頻率編碼序列取為{n1△f,,n2△f,…,,nN△f),,其中:0≤ni≤N-1,一般取△f=1/tb,。頻率編碼序列還可以進(jìn)一步地用系數(shù)序列表示,,即{n1,n2,,…,,nN}。
理想情況下,,信號的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)應(yīng)該滿足如下條件:
sl的自相關(guān)函數(shù):
信號設(shè)計(jì)的目標(biāo)是達(dá)到式(3),,式(4)所述的自相關(guān)和互相關(guān)特性。用能量函數(shù)E表示各跳頻序列自相關(guān)函數(shù)旁瓣能量及所有不同的跳頻序列間互相關(guān)函數(shù)能量之和,,即:
使得E最小,。這是一個NP-難問題,類似于TSP問題(旅行售貨商問題),,目前還未找到多項(xiàng)式時間算法,,因此需要使用一些不一定能達(dá)到最優(yōu)解的啟發(fā)式算法來求近似最優(yōu)解。
2 局部搜索算法
2.1 算法思想
在解的鄰域中搜索新解,,如果新解的能量值下降,,則接受新解,再在新解的鄰域中繼續(xù)搜索,;否則舍棄新解,,重新搜索。這樣就會沿著能量下降的方向搜索到能量極小值點(diǎn),。
2.2 算法流程
局部搜索算法流程圖如圖1所示,。
2.3 實(shí)現(xiàn)技術(shù)問題
(1)鄰域的構(gòu)造
對于頻率編碼序列集合F的每一行,隨機(jī)選擇兩個元素進(jìn)行位置調(diào)換得到新的序列,,所有這樣的序列構(gòu)成原序列的2-opt鄰域,。這里的鄰域不是歐氏距離意義上的鄰域,,而是漢明距離意義上的鄰域。
(2)程序終止條件
考慮到整體的運(yùn)行時間,,可以設(shè)一個最大運(yùn)行次數(shù),,讓循環(huán)執(zhí)行到一定程度后就終止。
2.4 優(yōu)缺點(diǎn)分析
局部搜索算法只體現(xiàn)了集中的原則,,而沒有擴(kuò)散的策略,屬于貪心算法,,有陷入局部最優(yōu)解的危險,;但收斂速度很快,效率很高,,可大大降低對DSP速度的要求,,有很高的實(shí)用價值。
2.5 Matlab算法仿真結(jié)果
仿真結(jié)果如表1所示,。
2.6 結(jié)果分析
圖2表明,,在運(yùn)行局部搜索算法的過程中,目標(biāo)函數(shù)E的值呈現(xiàn)明顯的減小趨勢,,故算法成功收斂,。
圖3表明,對于求得的每個頻率序列,,其對應(yīng)波形的自相關(guān)性函數(shù)均近似于沖擊函數(shù),,可使雷達(dá)具有較高的距離分辨力。
圖4表明,,對于求得的每兩個頻率序列,,其對應(yīng)波形的互相關(guān)函數(shù)均近似于零,可減少雷達(dá)間的干擾,。
3 波形發(fā)生
3.1 芯片簡介
TMS320F28335(TI)32位浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器(DSP)芯片,,擁有工作頻率達(dá)150 MHz的32位DSP內(nèi)核處理器,采用哈佛總線結(jié)構(gòu),。程序讀總線有22根地址線和32根數(shù)據(jù)線,,數(shù)據(jù)讀寫總線都是32位。
DAC7724為4通道,、12位分辨率,、±10 V信號量程,建立時間10μs,,±15 V供電的D/A轉(zhuǎn)換器,。理想的輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關(guān)系如下:
式中:N為數(shù)字量輸入;VOUT為模擬輸出,;VREFL為低參考電壓,;VREFH為高參考電壓,。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
3.2.1 設(shè)計(jì)思路
首先執(zhí)行局部搜索算法,得到頻率編碼序列數(shù)組n[L,,N],;然后啟動定時器0,設(shè)置死循環(huán)等待中斷,;在中斷服務(wù)子程序中將各時刻信號s的幅值送至DAC輸出,。
3.2.2 設(shè)計(jì)流程
中斷服務(wù)子程序中可通過撥碼開關(guān)控制波形頻率個數(shù),即從頻率編碼數(shù)組的N個頻率中選取1個,,2個或全部頻率,,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的單基、雙基,、多基間轉(zhuǎn)換,。其設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
3.2.3 波形輸出具體實(shí)現(xiàn)說明
中斷服務(wù)子程序中的波形輸出比較復(fù)雜,,有必要作詳細(xì)說明,。
(1)確定TIMER0的中斷周期prd_isr;
(2)確定在一個脈寬tb內(nèi)輸出的點(diǎn)數(shù)num=tb/prd_isr,;
(3)當(dāng)中斷次數(shù)count
將其值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,,從第i個通道輸出,,每轉(zhuǎn)換一次count加1;當(dāng)中斷次數(shù)count>num時,,count置零,,同時j加1,轉(zhuǎn)到下一個頻率,。
3.3 結(jié)果波形
N=7時的多基,、雙基、單基結(jié)果波形如圖6~圖8所示,。
3.4 結(jié)果分析
圖6~圖8中波形的頻率按照求得的頻率編碼n[i][j](0≤i
4 結(jié)論
利用Matlab進(jìn)行了局部搜索算法的驗(yàn)證,,并給出了仿真結(jié)果,結(jié)果表明解得的離散頻率編碼序列集合具有良好自相關(guān)和互相關(guān)性,;然后用DSP實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生系統(tǒng),,得到的結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求,。
本文給出了離散頻率編碼雷達(dá)信號的實(shí)際產(chǎn)生方法,對實(shí)際應(yīng)用有較高的借鑒價值,。