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生的信號經調制后送入校準天線發(fā)射，接收機收到信號解調后，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據同時接收，試驗場所需配備數量較多的遙測天線，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?，F(xiàn)行的方案是利用誤碼儀產生信號通過信號發(fā)生器調制后經遙測天線發(fā)射出去，接收機收到信號解調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配置的遙測接收機自帶的誤碼率測試程序，使用FPGA產生連續(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、數據的擾亂和解擾、擴展頻譜通信、電子對抗、數字網絡系統(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生出的周期最長的二進制數字序列通常稱為m序列。本文介紹的是在FPGA內利用線性反饋移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Register s)結構實現(xiàn)m序列發(fā)生器的方法。這種方法具有結構簡單易于實現(xiàn)，生成的偽隨機序列隨機性好，占用FPGA內部資源少等特點。

1 m序列產生原理
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，經過一次移位后，狀態(tài)變?yōu)閍0a-1…a-n+1，經過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生的序列最長周期為2n-1，此時線性反饋移位寄存器所產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構，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同樣可以產生m序列，逆多項式產生的m序列與本原多項式x9+x4+1產生的m序列互為逆碼。