桂佑林，王本君

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

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·信號(hào)處理·

數(shù)字信道化及虛假信號(hào)問(wèn)題研究

桂佑林，王本君

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

介紹了基于多相濾波的數(shù)字信道化接收機(jī)及其實(shí)現(xiàn)方法，討論了跨信道信號(hào)、“兔耳效應(yīng)”和重復(fù)信號(hào)等虛假信號(hào)的場(chǎng)景。針對(duì)每一種虛假信號(hào)，都進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，給出了詳細(xì)的說(shuō)明。在介紹三種虛假信號(hào)特征的基礎(chǔ)上，提出了消除虛假信號(hào)的方法，并提供了完整的處理流程。最后，通過(guò)MATLAB仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

多相濾波；數(shù)字信道化；虛假信號(hào)

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，雷達(dá)偵查設(shè)備需要獲取敵方雷達(dá)信號(hào)的技術(shù)參數(shù)、位置、類(lèi)型等情報(bào)，為制定雷達(dá)對(duì)抗作戰(zhàn)計(jì)劃提供依據(jù)。由于敵方雷達(dá)信號(hào)是非合作設(shè)備，且有可能是多部輻射源同時(shí)存在，因此偵收設(shè)備的偵收帶寬必須盡可能大，以達(dá)到同時(shí)覆蓋多部輻射源、提高雷達(dá)截獲概率的目的。

由于無(wú)源偵收設(shè)備接收到的信號(hào)帶寬較大，如果直接對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)信號(hào)處理設(shè)備的要求比較高，現(xiàn)有的處理平臺(tái)可能無(wú)法完成，這種情況下就需要采用數(shù)字信道化處理[1-3]。

基于多相濾波的信道化接收機(jī)的主要原理是把頻帶均勻劃分成若干信道，將各個(gè)信道的頻譜搬移到零中頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器后再進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)、頻率等參數(shù)估計(jì)。通過(guò)信道化處理，原本的寬帶信號(hào)被劃分成多個(gè)信道，每個(gè)信道都是窄帶信號(hào)，可以對(duì)每個(gè)信道的信號(hào)并行進(jìn)行包絡(luò)檢波和參數(shù)測(cè)量，這樣大大減少了信號(hào)處理平臺(tái)的吞吐壓力，使得寬帶信號(hào)處理成為可能。

但是信道化也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，尤其是會(huì)在相鄰信道造成虛假信號(hào)[4-5]，本文首先討論了多相濾波信道化體制，以及該體制下造成的寬帶信號(hào)分裂和相鄰信道虛信號(hào)等問(wèn)題，然后研究了相鄰信道虛假信號(hào)消除技術(shù)，并通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了算法的有效性。

1 多相濾波信道化的實(shí)現(xiàn)

多相濾波信道化接收機(jī)是一種利用相互鄰接的窄帶濾波器組實(shí)現(xiàn)多頻道精確頻率測(cè)量的偵查接收設(shè)備。多相濾波信道化通過(guò)一組覆蓋整個(gè)頻段的濾波器將頻段劃分為若干個(gè)子頻段(信道)，每個(gè)濾波器的輸出就是一個(gè)信道輸出，示意圖如圖1所示。

圖1 頻率信道化的多相濾波實(shí)現(xiàn)

其中，hp(m)=hLP(mD+p)，是低通濾波器的多相實(shí)現(xiàn)的各分支濾波器的系數(shù)。

定義h(n)=hLP(n)，第k路的信道輸出如下

xp(m)=Sp(m)*hP(m), p=0,1,…,D-1

為消除信道間的偵收盲區(qū)，實(shí)際應(yīng)用信道化時(shí)，抽取倍數(shù)可設(shè)為2/D，這樣通過(guò)多相濾波信道化處理，一個(gè)寬帶接收信號(hào)轉(zhuǎn)化成D個(gè)窄帶信號(hào)，每個(gè)信道的采樣帶寬為偵收帶寬的2/D倍，這為后續(xù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理提供基礎(chǔ)。

2 信道化的優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)于非信道化體制接收機(jī)，信道化接收機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 可以降低信號(hào)處理平臺(tái)的處理壓力

對(duì)于一部偵收帶寬較大的偵收設(shè)備，例如頻率覆蓋2 GHz范圍，如果不通過(guò)信道化降低信號(hào)采樣率，信號(hào)處理平臺(tái)的處理通過(guò)率必須達(dá)到2 GHz，這對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)處理平臺(tái)是難以實(shí)現(xiàn)的。但通過(guò)信道化處理后，2 GHz的帶寬被分到D個(gè)信道，每個(gè)信道的帶寬可以降到原來(lái)的2/D，則單個(gè)信號(hào)處理平臺(tái)的處理能力只需要達(dá)到2/D×2 GHz就可以滿(mǎn)足要求了。實(shí)際系統(tǒng)中可以根據(jù)信號(hào)處理平臺(tái)的能力和偵收帶寬靈活設(shè)計(jì)子信道的帶寬。

2) 可以處理同時(shí)到達(dá)的不同頻率的信號(hào)

在偵收設(shè)備的偵收帶寬內(nèi)，有時(shí)存在不止一部雷達(dá)輻射源，且這些輻射源會(huì)同時(shí)進(jìn)入偵收設(shè)備。此時(shí)雖然各輻射源信號(hào)的頻率不同，但在時(shí)域進(jìn)行包絡(luò)檢波時(shí)無(wú)法將多個(gè)信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。而通過(guò)信道化處理后，由于子信道帶寬較窄，不同頻率的輻射源信號(hào)出現(xiàn)在不同的子信道中，可以有效地將信號(hào)區(qū)分開(kāi)。

但由于信道化本身的特點(diǎn)，信道化也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題：

1) 跨信道信號(hào)分裂

對(duì)于寬帶信號(hào)如線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)(LFM)等，當(dāng)信號(hào)橫跨兩個(gè)甚至更多子信道時(shí)，同一個(gè)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)或更多個(gè)信道中，最終通過(guò)包絡(luò)檢波會(huì)檢出多個(gè)脈沖信號(hào)[6]。

2) 兔耳效應(yīng)

對(duì)于矩形脈沖信號(hào)，在其上升沿和下降沿處，由于存在信號(hào)幅度、相位突變，信道化會(huì)將信號(hào)的能量擴(kuò)散到與信號(hào)真實(shí)頻率所在信道相鄰的多個(gè)信道中，在多個(gè)信道產(chǎn)生暫態(tài)輸出，這種現(xiàn)象叫做“兔耳效應(yīng)”[7-8]。

3) 過(guò)渡帶重復(fù)信號(hào)

當(dāng)信號(hào)頻率位于相鄰兩個(gè)信道交疊處或交疊處附近時(shí)，由于過(guò)渡帶的存在，該信號(hào)可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)信道中，造成重復(fù)信號(hào)。

3 信道化后造成的虛假信號(hào)特征分析

本節(jié)主要分析信道化造成虛假信號(hào)的各種場(chǎng)景，為之后研究如何消除虛假信號(hào)提供依據(jù)。

1) 跨信道信號(hào)分裂

如圖2所示為一個(gè)寬帶LFM信號(hào)分裂到4個(gè)信道的情況。

圖2 場(chǎng)景1：跨信道信號(hào)的分裂

真實(shí)的信號(hào)只有1個(gè)，但從圖中可以看出，在4個(gè)信道中都有信號(hào)，且任意兩個(gè)相鄰信道中的信號(hào)在時(shí)域上和頻域上都存在交疊。

在實(shí)際工作中，有時(shí)會(huì)遇到大帶寬的合成孔徑雷達(dá)(SAR)信號(hào)，其帶寬可達(dá)1 GHz，可能跨多個(gè)信道，如不加以處理，在后續(xù)的分選處理中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)虛假信號(hào)，造成增批。

2) 兔耳效應(yīng)

兔耳效應(yīng)是一種相鄰信道的暫態(tài)輸出現(xiàn)象，如下圖所示為通過(guò)信道化接收機(jī)輸出信號(hào)的包絡(luò)，信道1為信號(hào)所在的主信道，信道 0、2 和信道 1相鄰。如圖3所示，可以看到信道1是主信道輸出，信號(hào)幅度最大，包絡(luò)為梯形；信道 0、2 本來(lái)無(wú)信號(hào)輸出，但實(shí)際會(huì)在脈沖起止附近出現(xiàn)兩個(gè)虛假窄脈沖，形狀像兔子的兩只耳朵，這就是“兔耳效應(yīng)”。在距離主信道稍遠(yuǎn)的信道3中，仍然有兔耳脈沖的存在。

圖3 場(chǎng)景2：普通的兔耳效應(yīng)

從圖中可以看出，兔耳脈沖出現(xiàn)在和主信道相鄰的多個(gè)信道中，從時(shí)域上看分別出現(xiàn)在信號(hào)起始位置和結(jié)束位置附件，且脈寬遠(yuǎn)小于主信號(hào)；從幅度上看，兔耳脈沖的幅度小于主信號(hào)幅度，且有離主信道越遠(yuǎn)兔耳幅度越小的規(guī)律。

在實(shí)際電子戰(zhàn)中，復(fù)雜信號(hào)如二相編碼信號(hào)(BPSK)、頻移鍵控信號(hào)(FSK)、四相編碼信號(hào)(QPSK)等大量存在，這會(huì)令虛假信號(hào)更加復(fù)雜。例如在偵收相位編碼信號(hào)時(shí)，由于在信號(hào)碼片結(jié)合處存在著頻率跳變，這同樣會(huì)造成一種暫態(tài)沖擊，從而在相鄰信道形成兔耳，圖4所示就是BPSK信號(hào)的信道化輸出包絡(luò)。

圖4 場(chǎng)景3：出現(xiàn)在信號(hào)包絡(luò)中間的兔耳效應(yīng)

從圖中可以看出，在主信號(hào)起始和結(jié)束位置的兔耳脈沖，其特征和場(chǎng)景2中的兔耳脈沖相同；不同的是，在真實(shí)信號(hào)包絡(luò)內(nèi)部，也出現(xiàn)了一些“兔耳”，這些兔耳脈沖除了出現(xiàn)位置在真實(shí)信號(hào)包絡(luò)內(nèi)部之外，其幅度和脈寬特征與一般兔耳脈沖特征相同。

3) 過(guò)渡帶重復(fù)信號(hào)

當(dāng)真實(shí)信號(hào)的頻率剛好處于信道過(guò)渡帶中時(shí)，會(huì)在這兩個(gè)相鄰信道中形成重復(fù)信號(hào)。從理論上來(lái)講，兩個(gè)信號(hào)都是真實(shí)信號(hào)在兩個(gè)信道中的響應(yīng)，但真實(shí)的信號(hào)只有一個(gè)，重復(fù)信號(hào)對(duì)后續(xù)的分選是不利的。圖5所示為一個(gè)過(guò)渡帶信號(hào)形成的重復(fù)信號(hào)。

圖5 場(chǎng)景4：過(guò)渡帶重復(fù)信號(hào)

從圖中可以看出，在信道1和信道2中，都形成了有效的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的頻率、脈寬、起始和結(jié)束時(shí)間等參數(shù)都非常接近，本質(zhì)上是同一個(gè)信號(hào)。在0、3信道中，還有幅度較小的兔耳脈沖。

如果不處理虛假信號(hào)，對(duì)上述4種場(chǎng)景的包絡(luò)檢測(cè)結(jié)果直接進(jìn)行分選處理，則得到如表1所示的結(jié)果。其中RF為信號(hào)起始頻率，BW為信號(hào)帶寬，PW為信號(hào)脈寬，PRT為信號(hào)重復(fù)周期。

表1 不處理虛假信號(hào)的分選結(jié)果

從上表可以看出，對(duì)上述4種場(chǎng)景的直接分選結(jié)果，都出現(xiàn)了增批，這會(huì)對(duì)我方電子戰(zhàn)的決策造成困擾。

4 虛假信號(hào)消除方法

根據(jù)上一節(jié)分析的3種虛假信號(hào)的特點(diǎn)，分別考慮消除虛假信號(hào)的方法如下：

1) 場(chǎng)景1

依次對(duì)相鄰信道的包絡(luò)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，尋找是否存在時(shí)域和頻域都有交疊的包絡(luò)，如果存在，則將這兩個(gè)包絡(luò)進(jìn)行拼接、合并[9-10]，新包絡(luò)的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和起始頻率、結(jié)束頻率這4個(gè)參數(shù)，都取兩個(gè)舊包絡(luò)響應(yīng)參數(shù)的極值，脈寬、帶寬則根據(jù)4個(gè)新參數(shù)重新計(jì)算。場(chǎng)景1如圖6所示。

圖6 場(chǎng)景1 跨信道示意圖

2) 場(chǎng)景2

依次對(duì)相鄰信道的包絡(luò)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，尋找滿(mǎn)足如下條件的包絡(luò)：

(1) 脈寬非常小(小于相鄰信道信號(hào)脈寬，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相鄰信道信號(hào)；

(3) 起始、結(jié)束時(shí)間都在相鄰信道信號(hào)的上升沿或下降沿附近。

如果找到這種信號(hào)，則將該信號(hào)剔除。場(chǎng)景2如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景2兔耳脈沖示意圖

3) 場(chǎng)景3

依次對(duì)相鄰信道的包絡(luò)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，尋找滿(mǎn)足如下條件的包絡(luò)：

(1) 脈寬非常小(小于相鄰信道信號(hào)脈寬，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相鄰信道信號(hào)；

(3) 信號(hào)包絡(luò)可被相鄰信道信號(hào)的包絡(luò)完全包含。

如果找到這種信號(hào)，則將該信號(hào)剔除。場(chǎng)景3如圖8所示。

圖8 場(chǎng)景3兔耳脈沖示意圖

4) 場(chǎng)景4

依次對(duì)相鄰信道的包絡(luò)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，尋找滿(mǎn)足如下條件的包絡(luò)：

(1) 幅度小于相鄰信道信號(hào)；

(2) 信號(hào)包絡(luò)與相鄰信道信號(hào)的包絡(luò)在時(shí)域上幾乎相同；

(3) 頻率處于過(guò)渡帶內(nèi)且與相鄰信道信號(hào)的頻率非常接近。

如果找到這種信號(hào)，則將該信號(hào)剔除。場(chǎng)景4如圖9所示。

圖9 場(chǎng)景4重復(fù)信號(hào)示意圖

在綜合考慮上述清除幾種虛假信號(hào)的方法的基礎(chǔ)上，得到如圖10的處理流程。

圖10 信道化及消除虛假信號(hào)流程圖

對(duì)上述幾種場(chǎng)景，經(jīng)過(guò)消除虛假信號(hào)處理后再進(jìn)行分選，得到如表2所示的結(jié)果。

表2 消除虛假信號(hào)后的分選結(jié)果

可見(jiàn)，對(duì)4種場(chǎng)景，在消除虛假信號(hào)后再進(jìn)行分選，得到的結(jié)果與真實(shí)信號(hào)基本吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了數(shù)字信道化后形成虛假信號(hào)的幾種場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)每種場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，得出虛假信號(hào)時(shí)域、頻域的參數(shù)特征，根據(jù)這些特征提出了相應(yīng)的消除虛假信號(hào)的方法和處理流程。按照本文提出的方法分別處理4種場(chǎng)景的虛假信號(hào)，都取得了理想的分選結(jié)果，與真實(shí)信號(hào)基本一致，這證明了方法的有效性。由于多相濾波信道化存在虛假信號(hào)的問(wèn)題，對(duì)偵收信號(hào)分段作快速傅里葉變換然后進(jìn)行檢波和參數(shù)測(cè)量是另一種可行方法。

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桂佑林 男，1977年生，碩士研究生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

王本君 男，1987年生，碩士研究生，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

A Study on Digital Channelization and False Signals

GUI Youlin，WANG Benjun

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At first，the digital channelization receiver based on the polyphase filter and its realization are introduced briefly.Then the scenes of false signals such as cross channel、“rabbit ear effect”and duplicate signals are discussed.For every false signal，the detailed explanation is provided after simulation. Based on the features of the three false signals,the methods of false signals elimination are proposed.The integrated process flow is also offered.At last，the availability of the methods is proved through the result of MATLAB simulations.

polyphase filter；digital channelization；false signals

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.005

桂佑林 Email：guiyl@163.com

2015-10-22

2015-12-23

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0023-05