張生鳳，鐘 文，李宏圓

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)是一種頻率隨時(shí)間做線性變化的非平穩(wěn)信號(hào)，具有顯著的寬帶特性。作為使用最早也最常見的脈壓信號(hào)，LFM信號(hào)能夠使雷達(dá)系統(tǒng)取得寬的時(shí)寬和帶寬，解決作用距離和距離分辨率之間的矛盾，并且能夠?qū)鹘y(tǒng)的接收機(jī)檢測帶來困難，目前被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域[1-2]。因此，現(xiàn)代數(shù)字接收機(jī)對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)的研究非常有意義。

考慮到LFM信號(hào)的寬帶特性，寬帶接收機(jī)在其研究方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。電子戰(zhàn)專家Tusi J曾將常用的寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)分為2種：采用多模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)并行采集結(jié)構(gòu)和信道化結(jié)構(gòu)[3-4]。其中，信道化接收機(jī)具有寬輸入帶寬、高頻率分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍和多信號(hào)并行處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)偵察頻帶內(nèi)信號(hào)的全概率截獲，常應(yīng)用于寬帶偵察和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中[5]。然而，由于偵察接收機(jī)通常接收到的都是非合作信號(hào)，信號(hào)頻率、帶寬等參數(shù)，無法預(yù)先獲知；因此，檢測信號(hào)的帶寬很可能大于預(yù)先劃分的單個(gè)信道帶寬，檢測方法不當(dāng)可能造成寬帶信號(hào)的檢測分裂，形成跨信道問題，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)對(duì)檢測的信號(hào)數(shù)量和相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生誤判，影響到后續(xù)信號(hào)處理的準(zhǔn)確程度[6]。

如何在信號(hào)檢測時(shí)有效處理可能出現(xiàn)的跨信道問題，是研究信道化接收機(jī)的一個(gè)難點(diǎn)。目前較為常見的有兩大類方法：第1類是進(jìn)行多次信道劃分[7-8]，通過多級(jí)處理，使相應(yīng)帶寬的LFM信號(hào)最終在一個(gè)信道內(nèi)輸出，如重濾波法、兩級(jí)信道化法。這類方法旨在實(shí)現(xiàn)濾波器或信道化結(jié)構(gòu)的復(fù)用，能夠在一定程度上減少硬件所需的開銷，但該類方法并不能真正解決跨信道問題，而是減小了LFM在檢測時(shí)出現(xiàn)跨信道的概率；第2類是從信號(hào)重構(gòu)的角度出發(fā)[9]，在多信道輸出的基礎(chǔ)上通過特定方法恢復(fù)出原始信號(hào)，如頻域拼接法、綜合濾波器法。該類方法能夠較好地解決跨信道問題，但是增加了計(jì)算量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，在應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。

為解決上述問題，本文提出了一種基于信道跟蹤的LFM信號(hào)檢測方法。該方法通過對(duì)比相鄰信道輸出信號(hào)的幅度和頻率，設(shè)定合理的信道跟蹤判據(jù)，能夠較好地解決跨信道信號(hào)的檢測問題，避免LFM信號(hào)相關(guān)參數(shù)的誤測。

1 相關(guān)模型及問題描述

1.1 數(shù)字信道化模型

信道化接收機(jī)將接收頻段劃分為若干個(gè)相鄰信道，不同頻率的信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)處理后會(huì)在頻域上分開，根據(jù)各自頻率在不同的信道輸出。實(shí)現(xiàn)信道化接收機(jī)的方法有很多，基于多相濾波器的數(shù)字信道化接收機(jī)是目前普遍采用的方案。下面，首先結(jié)合圖例對(duì)信道化的一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要說明。

數(shù)字信道化可看作對(duì)采樣后的信號(hào)首先進(jìn)行下變頻處理，再分別進(jìn)行抽取和濾波，最后輸出若干路低速率子信號(hào)的過程，如圖1所示。

圖1 數(shù)字信道化接收機(jī)的一般結(jié)構(gòu)

圖1所示信道化的結(jié)構(gòu)把接收頻帶均勻劃分為D個(gè)子頻帶，信號(hào)檢測需要避免造成信號(hào)頻譜的混疊，則需要對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行D倍抽取。為了簡化實(shí)現(xiàn)過程，將圖1中每路處理用多相濾波結(jié)構(gòu)表示并進(jìn)行綜合，從而可得到如圖2所示的更為高效的結(jié)構(gòu)。

圖2 基于多相濾波器組的數(shù)字信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2中，hp(m)表示原型濾波器的多相分量，p=0,1,…,D-1。

1.2 信道化接收機(jī)跨信道問題

信道化接收機(jī)在檢測某個(gè)LFM信號(hào)時(shí)，可能會(huì)在相鄰幾個(gè)信道中同時(shí)輸出該信號(hào)的不同頻率分量。如圖3所示，虛線表示虛擬信道，實(shí)線表示實(shí)際檢測到的大帶寬信號(hào)。信號(hào)A在信道1和信道2內(nèi)出現(xiàn)，跨度為2個(gè)信道；信號(hào)B在信道5～8內(nèi)出現(xiàn)，跨度為4個(gè)信道。若信號(hào)檢測方法處理不當(dāng)，則以上2個(gè)寬帶信號(hào)可能會(huì)被檢測為多個(gè)窄信號(hào)。

圖3 大帶寬信號(hào)跨信道問題圖例

2 LFM信號(hào)的跨信道處理方法

由于LFM信號(hào)的寬帶特性，LFM信號(hào)的能量可能會(huì)隨著時(shí)間的變化分裂在幾個(gè)連續(xù)的信道內(nèi)。此外，若采用非臨界信道化設(shè)計(jì)，接收機(jī)的信道之間會(huì)有部分重疊的區(qū)域，這種情況可能導(dǎo)致某一信號(hào)在相鄰的2個(gè)信道內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，這無疑增加了信號(hào)檢測的難度。若不針對(duì)大帶寬、跨信道信號(hào)的處理，對(duì)于子帶寬大于信道帶寬的LFM信號(hào)則可能獲得它的多個(gè)分裂的片段。綜合目前相關(guān)研究，以下針對(duì)跨信道問題列舉現(xiàn)有幾類典型的處理方法[10]，并結(jié)合信道跟蹤的判據(jù)，提出信道跟蹤的檢測方法。

2.1 幾類典型的處理方法

(1) 兩級(jí)信道化法

該方法是先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行信道較寬的分析濾波，在確定待檢測信號(hào)所處的大概信道位置后，再對(duì)有信號(hào)的信道進(jìn)一步進(jìn)行多相濾波和信道化處理。由于第1級(jí)濾波器的信道較寬，因而會(huì)大大減小信號(hào)跨信道的概率。故2級(jí)信道化實(shí)際并沒有解決信號(hào)跨信道的問題，只是從某種程度上減小了信號(hào)跨信道的概率。

(2) 重濾波法

重濾波法是指當(dāng)相鄰信道檢測到有跨信道寬帶信號(hào)存在時(shí)，減小信號(hào)的抽取數(shù)和信道數(shù)，增加原型濾波器的通帶和截止頻率，然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再次濾波檢測。該方法本質(zhì)上是對(duì)初始信道化的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，通過增加信道帶寬將跨信道信號(hào)合并至一個(gè)信道內(nèi)。雖然通過重構(gòu)能夠在一定程度上減小跨信道信號(hào)的概率，但是改變抽取率和濾波器的參數(shù)較為困難，而且該算法需要重新設(shè)計(jì)多相濾波器結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中很難通過硬件實(shí)現(xiàn)。

(3) 頻域拼接法

頻域拼接主要針對(duì)各濾波器通帶重疊的情況，通過拼接各信道一定帶寬內(nèi)的信號(hào)頻譜得到原信號(hào)。然而，各個(gè)信道內(nèi)頻譜在信道化后會(huì)發(fā)生一定程度的變化，且信號(hào)帶寬邊緣對(duì)相位信息破壞很大，尤其是對(duì)相位編碼信號(hào)，極有可能無法通過拼接恢復(fù)出原接收信號(hào)。

(4) 綜合濾波器法

綜合濾波器法把多相濾波器組視為分析濾波器組，再通過設(shè)計(jì)適合的綜合濾波器組，把原信號(hào)恢復(fù)出來。如圖4所示，圖中M為信號(hào)抽取的倍數(shù)，L為寬帶信號(hào)跨越的信道數(shù)，hk(n)為分析濾波器組，gk(n)為綜合濾波器組。完全重構(gòu)x(n)信號(hào)則需要系統(tǒng)滿足x′(n)=x(n),0≤ω≤π/M。

圖4 綜合濾波器法基本結(jié)構(gòu)

理想狀態(tài)下，如果輸入信號(hào)帶寬發(fā)生變化，僅需要改變M和L的數(shù)值，更新gk(n)就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波。

上述4類方法都需要對(duì)既定的信道化結(jié)構(gòu)做出不同程度上的改變，主要執(zhí)行策略還是集中于信道的多次劃分、合并，將跨信道的大帶寬信號(hào)通過適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ê喜⒌酵恍诺纼?nèi)完成檢測。雖然有些算法在應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)，但是還需要增加巨大的硬件開銷，這些硬件開銷在復(fù)雜的寬帶接收系統(tǒng)中往往是不可接受的。

2.2 信道跟蹤的檢測方法

信道跟蹤的主要思想是對(duì)檢測到可能存在信號(hào)的信道進(jìn)行參數(shù)檢測，再比較相鄰信道的對(duì)應(yīng)參數(shù)，判定信號(hào)是否處于信道切換的邊界。若主要參數(shù)滿足切換條件，則需要將相鄰信道內(nèi)的信號(hào)合并在同一個(gè)脈沖包絡(luò)下，保證該信號(hào)不會(huì)被檢測為多個(gè)斷裂信號(hào)。

(1)

(2)

(3)

式(1)、式(2)分別保證了信號(hào)的頻率在信道邊界，α為信道邊沿頻率檢測容差，F(xiàn)p和Fp+1分別表示p和p+1信道的邊界頻率(上界或下界)。式(3)則保證了相鄰信道內(nèi)檢測頻率的連續(xù)性，F(xiàn)th為相應(yīng)的頻率容差。

如果n時(shí)刻和n+1時(shí)刻2個(gè)相鄰子信道內(nèi)信號(hào)的幅度滿足以下條件，則說明相鄰信道內(nèi)信號(hào)滿足幅度的穩(wěn)定性條件：

(4)

當(dāng)相鄰信道內(nèi)所檢測的信號(hào)同時(shí)滿足頻率的連續(xù)性和幅度的穩(wěn)定性條件時(shí)，則認(rèn)為它們是同一個(gè)脈沖的分裂輸出，這時(shí)把它們合并在同一個(gè)脈沖包絡(luò)下，形成同一個(gè)脈沖描述字送往后端分析。需要注意的是，這里Fth和Ath均是容差參數(shù)，其中Fth與SNR和調(diào)頻斜率都有關(guān)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，設(shè)定2個(gè)容差參數(shù)相應(yīng)的數(shù)值。信道跟蹤的具體執(zhí)行流程圖5所示。

圖5 信道跟蹤執(zhí)行流程

3 仿真分析

通過仿真分析，對(duì)本文提出的信道跟蹤方法進(jìn)行驗(yàn)證。仿真由兩部分組成，首先固定相關(guān)參數(shù)設(shè)置，通過對(duì)比相鄰信道的頻域結(jié)果驗(yàn)證算法的有效性；其次通過改變信噪比，驗(yàn)證了不同的信噪比條件對(duì)信道跟蹤結(jié)果的影響。仿真基于Matlab2014a平臺(tái)。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 有效性驗(yàn)證

設(shè)置信號(hào)信噪比為6 dB，調(diào)頻起始頻率為1.78 GHz，帶寬為50 MHz，采樣頻率為1 GHz，頻域劃分為32個(gè)信道。由上述參數(shù)可以獲得信號(hào)時(shí)域、頻域以及信道化后各信道的輸出圖形(篇幅問題，信道化結(jié)果只展示1～8信道)，頻域圖形僅截取了對(duì)稱的，如圖6所示。

圖6 信號(hào)經(jīng)過采樣后時(shí)域和頻域圖形

由圖7可以看出，調(diào)頻信號(hào)在7信道和8信道內(nèi)均有輸出，且在信道之間存在交疊。

圖7 信道化處理后信道1～8輸出

圖8顯示了信道7和信道8的交疊輸出，仿真數(shù)據(jù)顯示2個(gè)信道交疊區(qū)域信號(hào)幅度相差不大。依據(jù)圖例可以看出，若在信號(hào)檢測過程中采用相鄰信道信號(hào)幅度跟蹤來進(jìn)行信道切換的跟蹤是切實(shí)可行的。

圖8 信道化處理后信道7、8交疊輸出

3.2 信噪比對(duì)于信道跟蹤的影響

實(shí)際信號(hào)檢測過程中，SNR對(duì)于信號(hào)的檢測有著重要影響。設(shè)定信號(hào)的相關(guān)參數(shù)與上述保持一致，但SNR分別取-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB。通過仿真，對(duì)信道化處理后的交疊信道進(jìn)行參數(shù)對(duì)比。

如圖9所示，其中的(a)～(d)分別對(duì)應(yīng)了SNR為-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB的情況。從圖中可以明顯看出，隨著SNR的增大，信道交疊處的信號(hào)檢測可以獲得更為精確的數(shù)據(jù)。由此可以得出，隨著SNR的變化，對(duì)Fth和Ath這2個(gè)容差參數(shù)的設(shè)定將會(huì)影響信道跟蹤的結(jié)果。若SNR較大，此時(shí)信號(hào)檢測相對(duì)準(zhǔn)確，F(xiàn)th和Ath的取值不宜過大。而SNR較小時(shí)，為保證跨信道LFM信號(hào)檢測的準(zhǔn)確性，F(xiàn)th和Ath的取值可以適當(dāng)放寬。當(dāng)然，在SNR很小的時(shí)候，放寬Fth和Ath的取值已經(jīng)沒有實(shí)際意義，因?yàn)樾盘?hào)檢測本身對(duì)于頻率和幅度的判定就已經(jīng)不準(zhǔn)確。結(jié)合仿真結(jié)果可以得出，在檢測跨信道LFM信號(hào)時(shí)，頻率和幅度的容差參數(shù)可根據(jù)實(shí)際使用情況適當(dāng)調(diào)節(jié)，以取得最佳的接收效果。

圖9 不同信噪比條件下信道7、8交疊輸出

4 結(jié)束語

本文以LFM信號(hào)的檢測為例，基于多相濾波的信道化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種信道跟蹤的跨信道檢測方法。該方法以相鄰信道內(nèi)信號(hào)頻率的連續(xù)性和幅度的穩(wěn)定性為判據(jù)，通過其交叉對(duì)比完成信道間信號(hào)包絡(luò)的拼接，算法復(fù)雜度和資源需求均優(yōu)于已有的信道重構(gòu)等方法，在應(yīng)用中更易于實(shí)現(xiàn)。