曾艦+洪升+唐榮欣+嚴(yán)茂松

摘 要： 數(shù)字電視廣播外輻射源雷達(dá)的信號(hào)帶寬大、基帶采樣率高，使得該體制雷達(dá)面臨數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和處理的困難。針對(duì)基于中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）信號(hào)的外輻射源雷達(dá)，利用CMMB信號(hào)的部分帶寬來(lái)降低基帶采樣率，提出一種子帶處理方法。其中，重點(diǎn)研究了重采樣率設(shè)置、參考信號(hào)子帶提純和子帶匹配問(wèn)題，并結(jié)合多徑雜波抑制和匹配濾波處理分析子帶寬度和純度對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能的影響。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性，為該體制雷達(dá)的實(shí)時(shí)化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字電視廣播外輻射源雷達(dá)； CMMB； 子帶處理； 多徑雜波抑制； 匹配濾波； 實(shí)時(shí)化

中圖分類號(hào)： TN958.97?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）03?0057?06

Abstract： The digital television broadcasting?based passive radar is faced with the difficulties of real?time data transmission and processing due to its wide signal bandwidth and high baseband sampling rate. Aiming at the passive radar based on China mobile multimedia broadcasting （CMMB） signal， the part bandwidth of CMMB signal is used to reduce the baseband sampling rate， and a sub?band processing method is proposed. The re?sampling rate setting， reference signal sub?band purification and sub?band matching are researched emphatically. The multi?path clutter suppression and matched filtering are combined to analyze the effect of sub?band width and purity on target detection performance. The results of simulation and real data processing verify that the proposed method is effective， and lays the foundation for the real?time radar system.

Keywords： digital television broadcasting?based passive radar； China mobile multimedia broadcasting； sub?band proces?sing； multi?path clutter suppression； matched filtering； real?time performance

0 引 言

外輻射源雷達(dá)是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)，具有無(wú)需頻率分配、無(wú)輻射、抗摧毀能力強(qiáng)、研制和維護(hù)成本低、設(shè)備體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)[1?3]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)外輻射源雷達(dá)優(yōu)越性認(rèn)識(shí)的加深，利用如電視廣播[4]、通信基站[5?6]、導(dǎo)航衛(wèi)星[7]等外輻射源的非合作式雙/多基地雷達(dá)系統(tǒng)逐漸受到人們的重視并成為新型探測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)。美國(guó)的Lockheed Martin公司研制出了多基地外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)“沉默哨兵”，該系統(tǒng)利用商業(yè)調(diào)頻電臺(tái)和電視臺(tái)的連續(xù)波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)、定位和跟蹤，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可在125～136英里的距離上觀測(cè)到散射面積為10 m2的目標(biāo)。

隨著數(shù)字廣播信號(hào)逐步取代模擬信號(hào)，基于數(shù)字廣播（數(shù)字調(diào)幅廣播DRM、數(shù)字音頻廣播DAB、數(shù)字電視廣播DVB?T）的外輻射源雷達(dá)已成為近年的研究熱點(diǎn)與前沿[8?9]。歐洲在數(shù)字廣播的推廣和應(yīng)用方面走在世界的前列，其利用數(shù)字廣播的外輻射源雷達(dá)研究為我國(guó)開展相關(guān)研究提供了有益的借鑒。我國(guó)數(shù)字廣播起步較晚，近年來(lái)也相繼研究出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，如CMMB和數(shù)字電視地面廣播（DTMB）等。其中CMMB已進(jìn)入商用階段，截止到2010年底，CMMB信號(hào)已實(shí)現(xiàn)全國(guó)320個(gè)主要城市地面覆蓋，這為利用CMMB信號(hào)探測(cè)目標(biāo)提供了信號(hào)基礎(chǔ)。

數(shù)字電視廣播外輻射源雷達(dá)信號(hào)帶寬大、基帶采樣率高，使得該體制雷達(dá)面臨數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和處理的困難。本文針對(duì)CMMB外輻射源雷達(dá)，提出一種子帶處理方法，所提方法以犧牲一定的探測(cè)性能為代價(jià)，利用CMMB信號(hào)的部分帶寬來(lái)降低基帶采樣率，但同時(shí)給信號(hào)處理帶來(lái)一些新的問(wèn)題，如重采樣率設(shè)置、參考信號(hào)子帶提純和子帶匹配。本文首先介紹了CMMB信號(hào)的結(jié)構(gòu)，然后給出整帶處理方法，接著闡述了本文所提的子帶處理方法，其中重點(diǎn)討論了重采樣率設(shè)置、參考信號(hào)子帶提純和子帶匹配問(wèn)題，并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)從多徑雜波抑制和匹配濾波處理方面分析了子帶寬度和子帶純度對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能的影響，最后通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提算法的有效性。

1 CMMB信號(hào)結(jié)構(gòu)

CMMB信號(hào)物理層將來(lái)自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼、交織和星座映射后，與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻復(fù)接在一起進(jìn)行OFDM調(diào)制。調(diào)制后的信號(hào)插入幀頭后形成物理層信號(hào)幀，再經(jīng)過(guò)基帶至射頻變換后發(fā)射[10]。CMMB物理層功能框圖如圖1所示，其中里德?所羅門（RS）編碼、字節(jié)交織、低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）編碼和比特交織共同構(gòu)成CMMB物理層信道編碼，該信道編碼是無(wú)源探測(cè)參考信號(hào)在低信噪比下提純的基礎(chǔ)，但要求信號(hào)具有完整性。endprint

圖2為CMMB信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)，其物理層信號(hào)每1幀為1 s，劃分為40個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為25 ms，包括1個(gè)信標(biāo)和53個(gè)OFDM符號(hào)，信標(biāo)由發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)（TxID）和兩個(gè)同步信號(hào)組成。TxID、同步信號(hào)和OFDM符號(hào)均可表示為：

式中：為子載波序號(hào)；為符號(hào)子載波數(shù)；為符號(hào)子載波間隔；為復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)；為符號(hào)有效部分持續(xù)時(shí)間；為符號(hào)循環(huán)前綴持續(xù)時(shí)間；μs為保護(hù)間隔長(zhǎng)度。CMMB包括8 MHz和2 MHz兩種帶寬模式，本文研究8 MHz帶寬模式，表1給出了其參數(shù)。

2 整帶處理方法

CMMB外輻射源雷達(dá)的整帶處理方法如圖3所示，雷達(dá)系統(tǒng)將參考天線波束指向發(fā)射基站以得到參考信號(hào)，將監(jiān)測(cè)陣列天線波束指向監(jiān)測(cè)區(qū)域以接收目標(biāo)回波信號(hào)；接收信號(hào)經(jīng)模擬混頻、放大濾波輸出60 MHz的固定中頻信號(hào)；采用80 MHz的采樣率進(jìn)行帶通采樣；對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻（DDC）處理以獲得10 MHz采樣率的信號(hào)。為節(jié)約硬件資源采用兩級(jí)FIR抽取濾波，第一級(jí)FIR通帶截止頻率設(shè)置為4 MHz，阻帶截止頻率設(shè)置為10 MHz，抽取4倍；第二級(jí)FIR通帶截止頻率設(shè)置為4 MHz，阻帶截止頻率設(shè)置為5 MHz，抽取2倍。10 MHz采樣率的多通道數(shù)據(jù)要求系統(tǒng)具有MB/s的傳輸和處理能力，其中為通道數(shù)，為每個(gè)采樣點(diǎn)量化的字節(jié)數(shù)。當(dāng)時(shí)，該體制雷達(dá)系統(tǒng)需要320 MB/s的傳輸和處理能力，這給雷達(dá)軟硬件提出了很高的要求。由于不便于實(shí)時(shí)處理，只能將數(shù)據(jù)直接寫入高速磁盤陣列，然后離線處理。

為提取純凈的參考信號(hào)，采用文獻(xiàn)[11]所提方法進(jìn)行參考信號(hào)重構(gòu)，該流程主要包括同步、信道估計(jì)、信道解碼和物理層調(diào)制。由于監(jiān)測(cè)通道不可避免地存在多徑雜波，雜波旁瓣會(huì)使回波譜基底抬高而淹沒目標(biāo)，為抑制多徑雜波，可利用多徑雜波在相應(yīng)子載波和累積時(shí)間內(nèi)相干的原理[12]，通過(guò)空域子空間投影相消多徑雜波，以解決抑制多徑雜波自由度不夠的問(wèn)題。互模糊函數(shù)運(yùn)算基于OFDM符號(hào)分段相關(guān)，由同一距離元作FFT完成，避免了CMMB信號(hào)結(jié)構(gòu)中的信標(biāo)、循環(huán)前綴和保護(hù)間隔產(chǎn)生的副峰。

3 子帶處理方法

為實(shí)現(xiàn)該雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸和處理，本文提出一種子帶處理方法，其處理流程如圖4所示。較于整帶處理方法，不同的是DDC、參考信號(hào)提純和匹配處理。

3.1 重采樣率設(shè)置

為節(jié)約硬件資源，DDC采用積分級(jí)聯(lián)梳狀濾波器（CIC）和FIR級(jí)聯(lián)的方式，其中CIC抽取用來(lái)降低采樣速率，F(xiàn)IR整形濾波用來(lái)防止混疊。為保證CMMB信號(hào)的OFDM符號(hào)有效部分和保護(hù)間隔部分包含整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn)，最小重采樣率設(shè)置為1.25 MHz（OFDM符號(hào)有效部分512個(gè)采樣點(diǎn)，保護(hù)間隔3個(gè)采樣點(diǎn)），此時(shí)CIC抽取倍數(shù)設(shè)置為64，F(xiàn)IR阻帶截止頻率設(shè)置為625 kHz，通帶截止頻率的設(shè)置需要綜合考慮過(guò)渡帶寬度、子帶提純和匹配性能損失等。

若進(jìn)一步降低采樣速率，重采樣率設(shè)置為625 kHz（OFDM符號(hào)有效部分256個(gè)采樣點(diǎn)，保護(hù)間隔1.5個(gè)采樣點(diǎn)），此時(shí)CIC抽取倍數(shù)設(shè)置為128，F(xiàn)IR阻帶截止頻率設(shè)置為312.5 kHz。由于保護(hù)間隔有非整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致相鄰OFDM符號(hào)存在一個(gè)固定的采樣偏移，如圖5所示，該采樣偏移會(huì)在頻域引入相位旋轉(zhuǎn)其中。此時(shí)，在進(jìn)行處理前需要在相應(yīng)OFDM符號(hào)的頻域補(bǔ)償該采樣偏移的影響。

3.2 子帶提純

子帶提純不同于寬帶提純，由于子帶處理破壞了信號(hào)的完整性，使得信道解碼和編碼不可實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致不能重構(gòu)出參考信號(hào)。為此，本文采用同步、解擾、信道估計(jì)、加擾的流程進(jìn)行子帶參考信號(hào)提純。

CMMB信號(hào)每個(gè)時(shí)隙包括兩個(gè)完全相同的同步信號(hào)，兩個(gè)同步信號(hào)經(jīng)過(guò)抽取濾波處理仍具有一致性，可用加窗檢測(cè)峰值的方法捕獲同步信號(hào)的粗位置，如下：

式中：為采樣點(diǎn)序號(hào)；為同步信號(hào)的長(zhǎng)度；為經(jīng)抽取濾波的接收信號(hào)；為一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，為保證能取得兩個(gè)完整的同步信號(hào)，滑動(dòng)窗長(zhǎng)度設(shè)置為。求得同步信號(hào)粗起始位置后，采用文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行頻偏估計(jì)并補(bǔ)償。

精同步仍利用本地同步信號(hào)訓(xùn)練序列與接收同步信號(hào)的相關(guān)性，不同的是本地同步信號(hào)序列需進(jìn)行相應(yīng)抽取濾波預(yù)處理，處理方式如下：

式中：為接收同步信號(hào)；為原始同步信號(hào)訓(xùn)練序列經(jīng)相應(yīng)抽取濾波預(yù)處理的序列。

經(jīng)精同步后，取出OFDM符號(hào)有效部分并進(jìn)行FFT獲得子載波頻域信息。由于CMMB信號(hào)在進(jìn)行OFDM調(diào)制之前對(duì)OFDM頻域信號(hào)進(jìn)行了加擾處理，為獲得OFDM子載波頻域信號(hào)需要分析擾碼模式并解擾。本文利用不同OFDM符號(hào)連續(xù)導(dǎo)頻傳輸數(shù)據(jù)的一致性，通過(guò)子帶內(nèi)的連續(xù)導(dǎo)頻來(lái)窮舉擾碼模式。

抽取濾波破壞了原信號(hào)的子載波結(jié)構(gòu)，不僅濾除了帶外子載波，而且對(duì)過(guò)渡帶的子載波存在調(diào)制，但子帶通帶內(nèi)的子載波結(jié)構(gòu)不變。信道估計(jì)利用子帶通帶內(nèi)的離散導(dǎo)頻在時(shí)域和頻域兩個(gè)方向的排列規(guī)律，通過(guò)時(shí)頻二維插值算法估計(jì)出通帶內(nèi)數(shù)據(jù)子載波處的響應(yīng)，其中正負(fù)頻域分開插值。為了消除邊緣效應(yīng)，子帶通帶截止頻率的選取以離散導(dǎo)頻的位置為基準(zhǔn)。再利用式（4）進(jìn)行均衡處理：

式中：為OFDM符號(hào)序號(hào)；為子載波序號(hào)；為均衡后的數(shù)據(jù)子載波；為均衡前的數(shù)據(jù)子載波；為估計(jì)的信道頻域響應(yīng)。

3.3 子帶匹配

子帶匹配仍采用OFDM符號(hào)分段相關(guān)，同一距離元作FFT完成：

式中：為自模糊函數(shù)；為距離元；為多普勒元；為符號(hào)序號(hào)；為符號(hào)數(shù)；為符號(hào)時(shí)域采樣序號(hào)；為符號(hào)時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)，也即符號(hào)子載波數(shù)；為第個(gè)符號(hào)，其具體表達(dá)式如下：

式中：為子載波序號(hào)；為第個(gè)符號(hào)中第個(gè)子載波的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)。將式（6）代入式（5），則有：

式中利用了OFDM符號(hào)頻域正交性，即。當(dāng)時(shí)，零多普勒截線為：

由于抽取濾波器的非理想性，即存在通帶波紋和過(guò)渡帶，會(huì)導(dǎo)致子帶內(nèi)的子載波復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)存在調(diào)制。由于過(guò)渡帶很窄，通過(guò)對(duì)過(guò)渡帶頻域置零可忽略其影響，主要分析通帶波紋對(duì)匹配性能的影響，假設(shè)通帶為等波紋，則：endprint

式中：為原復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)；為通帶波紋幅度；為通帶波紋頻率；為抽取濾波器數(shù)字角頻率。則：

其中，假設(shè)子載波復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)為恒模，即?？梢姡捎谕◣Рy導(dǎo)致匹配零多普勒輸出在處產(chǎn)生其他的模糊副峰。圖6展示了子帶匹配的性能，其中圖6a）子帶抽取濾波存在1 dB的通帶波紋，且存在過(guò)渡帶，可見除了主峰之外，還會(huì)產(chǎn)生其他的模糊副峰，影響雷達(dá)的探測(cè)性能。為消除通帶波紋和過(guò)渡帶對(duì)子帶匹配性能的影響，一方面設(shè)置通帶波紋盡量小，另一方面將過(guò)渡帶頻域置零。處理結(jié)果如圖6b）所示，其中子帶抽取濾波設(shè)置通帶波紋為0.01 dB，在匹配之前將過(guò)渡帶頻域置零，通帶波紋和過(guò)渡帶產(chǎn)生的模糊副峰被有效避免。

3.4 子帶處理對(duì)探測(cè)性能影響的分析

針對(duì)前文的子帶處理方法，結(jié)合多徑雜波抑制和匹配濾波處理，分析子帶寬度和純度對(duì)探測(cè)性能的影響，圖7給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。其中圖7a）給出了子帶寬度對(duì)匹配濾波的影響，可見帶寬損失一半，相關(guān)峰值信噪比約損失3 dB。圖7b）展示了子帶寬度對(duì)多徑雜波抑制的影響，其多徑雜波抑制采用基于OFDM信號(hào)的空頻域多徑雜波抑制方法，可見子帶的子載波數(shù)對(duì)雜波抑制性能有一定影響，帶寬損失小于0.7時(shí)，雜波相消比基本不變，帶寬損失大于0.7時(shí)，雜波相消比開始下降，但只有幾個(gè)dB的下降。圖7c）分析了參考信號(hào)純度對(duì)匹配濾波的影響，其中重采樣率設(shè)置為1.25 MHz，F(xiàn)IR通帶截止頻率設(shè)置為512.7 kHz。接收參考信號(hào)信噪比越大，利用本文子帶提純方法提純的參考信號(hào)純度越高，所以本文用接收參考信號(hào)的信噪比表示參考信號(hào)的純度，由圖7c）可見接收參考信號(hào)信噪比小于5 dB，子帶提純純度不高，嚴(yán)重影響匹配性能。由此可知，在以上子帶帶寬設(shè)置的基礎(chǔ)上，利用本文所提子帶提純方法要求接收參考信號(hào)信噪比至少為5 dB。

4 子帶處理實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文所提子帶處理方法的有效性，利用某單位研制的基于CMMB的外輻射源雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，于機(jī)場(chǎng)采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)采用離線整帶處理。由于記錄數(shù)據(jù)的采樣率為10 MHz，本文利用FIR抽取濾波器處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得經(jīng)子帶處理的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中抽取倍數(shù)設(shè)置為8（重采樣率設(shè)置為1.25 MHz），阻帶截止頻率設(shè)置為625 kHz，以防止抽取造成的頻譜混疊，通帶截止頻率設(shè)置為512.7 kHz（對(duì)應(yīng)載波序號(hào)為210的離散導(dǎo)頻），以消除信道估計(jì)插值邊緣效應(yīng)，通帶波紋設(shè)置為0.01 dB，以避免通帶波紋引起的匹配模糊副峰。圖8給出利用本文子帶處理方法的實(shí)測(cè)處理結(jié)果，其中圖8a）為子帶提純中信道均衡后的星座映射圖，可見接收信號(hào)為QPSK星座映射，該星座映射點(diǎn)比較聚集，表明其提純純度較高。圖8b）為多徑雜波抑制前的距離多普勒譜，其匹配前將監(jiān)測(cè)信號(hào)過(guò)渡帶子載波頻域置零，可見在零多普勒存在較強(qiáng)的多徑雜波，由于CMMB系統(tǒng)采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其多徑雜波尤為嚴(yán)重。從圖8c）可以看出經(jīng)本文方法抑制多徑雜波后，基底降低，目標(biāo)凸顯出來(lái)，驗(yàn)證了本文子帶處理方法的有效性。

5 結(jié) 論

針對(duì)數(shù)字電視廣播外輻射源雷達(dá)信號(hào)帶寬大、基帶采樣率高，不便于實(shí)時(shí)化的問(wèn)題，本文重點(diǎn)研究了CMMB外輻射源雷達(dá)的一種子帶處理方法。該方法利用部分帶寬以降低基帶采樣速率，同時(shí)給信號(hào)處理帶來(lái)一些新的問(wèn)題。本文重點(diǎn)研究了重采樣率設(shè)置、參考信號(hào)子帶提純和子帶匹配問(wèn)題，同時(shí)分析了子帶寬度和純度對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能的影響。所提方法雖然犧牲了一定的匹配性能和距離分辨率，但在接收參考信號(hào)信噪比較高時(shí)不影響子帶提純性能，同時(shí)子帶寬度對(duì)多徑雜波抑制影響不大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提子帶處理方法的有效性，為該體制雷達(dá)實(shí)時(shí)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

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