尤 淳

(中國電子科技集團公司 第十四研究所，南京 210013)

0 引言

雷達通信信號技術(shù)根據(jù)通信信號發(fā)送、接收的快慢程度可分為模擬信號、中頻信號、載波信號等[1-2]。目前網(wǎng)絡(luò)信息快速發(fā)展，對雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的要求越來越高。當(dāng)雷達通信信號發(fā)送速度越快時，信號注入點的位置越靠近終端位置的前端；當(dāng)雷達通信信號發(fā)送速度越慢，信號注入點的位置越靠近終端位置的中心[3]。因為利用大數(shù)據(jù)分析雷達通信信號的通信數(shù)據(jù)流精度和信號逼真程度高，所以需要根據(jù)實際情況設(shè)計相應(yīng)的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對相關(guān)領(lǐng)域進行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻[4]提出基于網(wǎng)格密度峰值的雷達分選系統(tǒng)，利用雙重網(wǎng)格劃分方式，避免邊界丟失問題，運用改進密度峰值的網(wǎng)格合并方式，實現(xiàn)雷達信號脈沖描述的實時聚類，由此完成雷達分選，該方法具有較高的準確度和抗干擾能力，但分選時間較長。文獻[5]提出基于頻分陣列多輸入多輸出設(shè)計的雷達聯(lián)合通信自適應(yīng)閉環(huán)距離角相關(guān)旁瓣控制方法。利用重疊頻分陣列生成的非耦合波束圖和基于Blackman窗的非均勻頻偏，實現(xiàn)距離角相關(guān)旁瓣控制，設(shè)計發(fā)射權(quán)重向量，計算波束空間矩陣，區(qū)分目標和通信接收器位置。該方法具有較高的安全性，但存在接入信號容量較低的問題。

為了滿足大數(shù)據(jù)分析雷達通信信號數(shù)據(jù)采集、處理的需求，本文設(shè)計了一個可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸、接收速率快的收發(fā)控制系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)采集分析是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的核心組成部分，搭建了雷達通信與外界通信信號傳輸?shù)钠脚_，完成了對雷達通信數(shù)據(jù)的快速發(fā)送和接收。雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，硬件和軟件相互配合工作使通信數(shù)據(jù)傳輸速度快、系統(tǒng)可靠性高、成本低，解決了傳統(tǒng)雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)信號發(fā)送緩慢、數(shù)據(jù)接收不及時的難題。

1 基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)硬件由發(fā)送器、接收器、控制器3部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 雷達通信信號發(fā)送器

雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)需要產(chǎn)生四路差分通道Y、I雷達回波信號，每個雷達回波信號都需要將對應(yīng)的載波信號、抑制噪聲以及通信信號參數(shù)存儲到存儲器中。雷達通信信號發(fā)送器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雷達通信信號發(fā)送器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2可知，雷達通信信號發(fā)送器包括鍵盤、CPU以及數(shù)據(jù)傳輸器。通過鍵盤輸入電路將雷達通信信號送入單片機MSO746F167的I/O口，經(jīng)過單片機處理之后，對頻率芯片進行低功率設(shè)置，以確定發(fā)送器發(fā)送雷達通信信號的方式。發(fā)送器輸出雷達通信信號經(jīng)過無線芯片NTF608的處理，送至無線發(fā)射器的接收方，MSO746F167單片機可以長時間持續(xù)運轉(zhuǎn)，在少于6 μs的時間進行低功耗模式喚醒，集成了A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、定時器、時鐘等。雷達通信信號發(fā)送器內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雷達通信信號發(fā)送器內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)

雷達通信信號發(fā)送器的工作電壓為2～5.6 V，22引腳FIJ封裝，工作于344/864/931 MHz頻道。NTF608由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器以及調(diào)制器構(gòu)成。在運行時不需要添加時鐘濾波器，需要開啟Shockburst TM發(fā)送模式，自動處理循環(huán)冗余校驗碼，使用STI接口與接收器互相通信，配置方便，適配性高[6-7]。除此之外，雷達通信信號發(fā)送器功耗低，以15 dBm的輸出功率發(fā)送通信信號電流為15 mA，工作接收器的電流為12.5 mA，發(fā)送器內(nèi)部構(gòu)建空間模式與關(guān)機模式，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達通信信號的大功率傳送[8-10]。調(diào)頻機制強大，單片容量能達到4 GB，能夠存儲大量的雷達通信數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葘⒔?0M字節(jié)，雷達通信信號的傳輸速率達到2.5 Gb/s。

1.2 雷達通信信號接收器

雷達通信信號接收器是整個雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的核心。因為雷達通信信號在發(fā)送過程中的傳輸速率不穩(wěn)定，所以需要生成多個多路通信信號源。雷達通信信號接收器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雷達通信信號接收器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4可知，雷達通信信號接收器由帶通、低噪聲放大器以及解調(diào)器組成。接收器的芯片選用AD2764，發(fā)送器發(fā)送的雷達通信信號經(jīng)過帶通進行選頻，選頻結(jié)束后進行濾除干擾，將通信信號濾除的有用信號通過解調(diào)器的要求形成電平值，運用超長的指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含6個獨立的信號開關(guān)、3個定點接收邏輯上行頻帶、傳輸?shù)臄?shù)值在800～900 MHz、4個調(diào)制乘法器、28個30位通用本振信號[11-13]。通帶信號在對信號載波的調(diào)制過程中進行調(diào)波，將通帶信號搬移到所需的頻段變成上變頻信號，放大到足夠的標準信號值時進行抗干擾，在不干擾的相鄰信道傳送并最終形成限制頻帶。

250 MHz雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)在2 500 MI/s和650 MFLO時鐘工作下性能發(fā)揮到最大，雷達通信信號源變成正弦波，濾除過程中產(chǎn)生增益，射頻增益、混頻增益、中頻增益共同組成了總增益，信號增益分散在各個頻段，較為穩(wěn)定[14-15]。通信信號中頻頻率低并且較為固定，增益容易增大但很穩(wěn)定，在較低的固定中頻上解調(diào)或A/D變換也相對來說較為容易，只需通信信號在中頻傳輸信道形成正弦載波即可[16-17]。完成雷達通信信號地址的讀取，輸出上行信道傳送過來的通信信道數(shù)據(jù)，接收來自發(fā)送器發(fā)送的雷達通信基帶信號，延遲下行信道到達的時間，讀取數(shù)據(jù)中心的存儲數(shù)據(jù)并啟動A/D轉(zhuǎn)換器，輸入的通信數(shù)據(jù)嵌入到接收器的芯片內(nèi)部，根據(jù)對應(yīng)的傳輸數(shù)據(jù)以及目標參數(shù)選擇合適的調(diào)制和解調(diào)方式，其讀寫速度能達到200 MHz，設(shè)計的雷達通信信號接收器抗干擾性能好、頻帶利用率高、無線收發(fā)轉(zhuǎn)換的損耗小。

1.3 雷達通信信號控制器

雷達通信信號控制器是基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的終端器件，控制器的芯片為NTUET34876R，核心器件是SIMENS公司推出的，具有超強信號抗干擾能力?？刂破鞯男酒窍冗M的I/O處理器，采用了先進的數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)，是28位、30 MHz的總線注I/O控制器，符合雷達通信信號總線規(guī)范的3.2版本，具有3種不同的控制模式，針對不同種類的處理器結(jié)構(gòu)以及總線屬性，需要減少信號發(fā)送以及接收過程中的中間邏輯，同時它具有多項選擇的并行電平接口，本地時鐘與線上通信信號時鐘同步。

雷達通信信號控制器內(nèi)部有4種可編程的嵌入系統(tǒng)，可以實現(xiàn)雷達通信信號的零等待傳輸。在適配性高的嵌入式系統(tǒng)中嵌入雷達通信信號，整機采用5 V電路，對電源噪聲要求較低，通過中心電流不超過2 A，使雷達通信信號滿負載波紋滿足收發(fā)控制系統(tǒng)的要求。芯片外接15 bit數(shù)據(jù)流，6個引腳。當(dāng)采用4 bit模塊時，6個引腳需要下拉，這時采用10 bit的數(shù)據(jù)形式，控制器通信信號插槽接口處連接每個信號區(qū)域，對通信信號的長度、大小，數(shù)據(jù)流的連接都有特定點的要求，通信信號下拉引腳需要設(shè)置1個下拉或者2個下行信道，以供雷達通信信號的有效傳送。雷達通信信號控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雷達通信信號控制器結(jié)構(gòu)

在控制器的數(shù)據(jù)線、地址線以及某些重要控制信號區(qū)域需要采用單向緩存動作，以便對雷達通信信號進行緩沖，使控制器對雷達通信信號有較強的驅(qū)動以及抗干擾能力[18]。由于讀取通信地址只能是單向的，因此，發(fā)送以及接收雷達通信信號必須固定方向，使通信數(shù)據(jù)能夠上傳到云端處理器中進行存儲，通信方向由信號增益控制，以便達到雷達通信信號雙向傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

大數(shù)據(jù)的形成通常需要大量文本數(shù)據(jù)的長期累積，往往依靠傳統(tǒng)的方式獲取原始數(shù)據(jù)，在應(yīng)用到雷達通信信號中，根據(jù)雷達采集、雷達通信信號接收器接收到的通信數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，得到更多的有關(guān)雷達通信的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)指的是在海量未知的實際數(shù)據(jù)中提取相關(guān)信息的過程。通過輸入雷達通信信號數(shù)據(jù)，預(yù)處理數(shù)據(jù)信息，對輸入雷達通信信號數(shù)據(jù)進行加工，處理雷達通信信號噪聲數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將雷達通信信號數(shù)據(jù)進行分類，得到相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再通過訓(xùn)練獲取分類規(guī)則，構(gòu)建模型進行參數(shù)調(diào)優(yōu)，輸出雷達通信數(shù)據(jù)參數(shù)。由于雷達通信數(shù)據(jù)的參數(shù)調(diào)整較為復(fù)雜，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，應(yīng)用到雷達通信信號的發(fā)送以及傳輸、接收，根據(jù)已存在的雷達通信數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雷達通信信號的優(yōu)化，提升通信設(shè)備的響應(yīng)靈敏度，提高雷達通信信號的抗干擾能力。并且采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠挖掘雷達與雷達信號之間的連接關(guān)系，通過原始數(shù)據(jù)實時獲取通信信號的目標參數(shù)，跟蹤并且識別雜波信號的差異性，提取不同雷達通信信號的屬性特征，更好地跟蹤雷達通信信號抗干擾數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)軟件工作流程如圖6所示。

圖6 基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)軟件工作流程

根據(jù)圖6可知，雷達通信信號收發(fā)控制采用一定的順序，首先雷達通信原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘后，上傳到解調(diào)器中產(chǎn)生正弦波紋、噪聲數(shù)據(jù)以及標準通信數(shù)據(jù)參數(shù)，通過單信道傳輸?shù)脚c其對應(yīng)的存儲器中進行存儲，整個發(fā)送雷達通信信號的過程由通信信號控制器控制。按照發(fā)送程序發(fā)送的格式命令、地址，將通信信號發(fā)送至主控程序上，然后由主控程序控制接收器接收命令，將接收的指令以及通信數(shù)據(jù)傳送至接收器的總線上，數(shù)據(jù)自動保存并下載。接著通過總線接收的命令，雷達通信信號接收器接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并定位發(fā)送節(jié)點地址，將雷達通信數(shù)據(jù)讀寫到接收器中，接收到的通信數(shù)據(jù)屬于雷達通信的標準，需要關(guān)閉信道傳輸通道，等待接收新的傳輸雷達通信數(shù)據(jù)的指令，并判斷新的指令地址。最后，在雷達通信信號控制器中寫入4 k字節(jié)數(shù)據(jù)，通過編程記錄通信信號地址，將通信數(shù)據(jù)搬移到程序的CPU中，采用數(shù)據(jù)緩沖將數(shù)據(jù)進行交換、運算，當(dāng)通信信道的正弦波、抑制噪聲以及通信數(shù)據(jù)下載完成后，啟動信道通道將雷達通信數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，完成雷達通信信號的發(fā)送、接收以及處理、控制，由此實現(xiàn)雷達通信信號收發(fā)控制。

3 實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的有效性，在設(shè)計過程中需要選用SIMENS公司生產(chǎn)的國內(nèi)先進的雷達芯片，能夠提前演示雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)。分別采用基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)與基于樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)、基于網(wǎng)格密度峰值聚類的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)進行實驗對比，分析系統(tǒng)接入信號容量和系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間。得到不同方法的系統(tǒng)接入信號容量對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法的系統(tǒng)接入信號容量對比結(jié)果

根據(jù)圖7可知，基于樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)和基于網(wǎng)格密度峰值聚類的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的接入信號容量分別為63%和52.2%，對雷達通信信號進行控制時，系統(tǒng)接入信號仍然有許多空余容量，系統(tǒng)的空間無法得到有效利用，而基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的接入信號容量為85.9%。由此可知，基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的接入信號容量較大，因為在設(shè)計基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)中，通信過程中產(chǎn)生的雷達通信數(shù)據(jù)、目標增益、噪聲數(shù)據(jù)通過接收器的總線得到了實時的記錄、保存，使系統(tǒng)的頻帶利用率高，具有很好的抗干擾性、隔離性、以及功效性，能夠充分利用系統(tǒng)容量，從而增強系統(tǒng)的運行效果，達到更好的存儲效果。

在此基礎(chǔ)上，為了進一步分析系統(tǒng)的有效性，得到不同方法的系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間如圖8所示。

圖8 不同方法的系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間對比結(jié)果

根據(jù)圖8可知，隨著通信信號數(shù)量的增加，不同方法的系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間隨之增大。當(dāng)通信信號數(shù)量達到160 dBm時，基于樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)和基于網(wǎng)格密度峰值聚類的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的信號收發(fā)控制時間分別為62 s和110 s，而基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的信號收發(fā)控制時間僅為43 s。由此可知，基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的信號收發(fā)控制時間較短，因為在建立大量雷達通信數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系時，應(yīng)用數(shù)據(jù)表征邏輯關(guān)系確定通信數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，這樣對雷達通信的具體信息能夠掌握得更充分，利用更徹底，使基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，隨著大量先進的雷達投入使用，雷達之間的通信效率也會越來越高。

4 結(jié)束語

為了增大雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)接入信號容量，縮短系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)完成雷達通信信號的收發(fā)控制。經(jīng)實驗驗證基于大數(shù)據(jù)分析的雷達通信信號收發(fā)控制系統(tǒng)的接入信號容量較大，能夠有效縮短系統(tǒng)信號收發(fā)控制時間。雷達通信數(shù)據(jù)存儲以及處理能力在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)中得到了明顯的優(yōu)化，包括其中的數(shù)據(jù)參數(shù)配置、通信信號發(fā)送速度的快慢、雷達通信數(shù)據(jù)接收的實時性以及收發(fā)控制性能的優(yōu)化調(diào)整以及信號的反饋、評估。