程路堯

(解放軍31001部隊(duì),北京 100094)

0 引 言

信號(hào)分選識(shí)別在雷達(dá)對(duì)抗偵察中是必不可少的環(huán)節(jié)之一[1],也是雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著雷達(dá)反對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的信號(hào)分選識(shí)別技術(shù)很難適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗的要求[2-3]?，F(xiàn)代雷達(dá)對(duì)抗中高集成小型化的趨勢(shì)越發(fā)明顯,基于高集成小型化的測(cè)量分選信號(hào)設(shè)計(jì),可以廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)對(duì)抗或雷達(dá)仿真模擬等領(lǐng)域[4]。

1 數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量設(shè)計(jì)與原理

雷達(dá)信號(hào)分選識(shí)別之前首先要進(jìn)行數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量,本文設(shè)計(jì)中的數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量模塊主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字信道化模塊、求模檢測(cè)模塊、測(cè)頻模塊、脈沖描述字(PDW)形成模塊等組成,其組成原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量模塊組成原理框圖

數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量模塊通過(guò)寬帶ADC對(duì)所檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行高速采樣,通過(guò)一組連續(xù)的線性相位數(shù)字帶通濾波器覆蓋中頻帶寬。數(shù)字濾波器組對(duì)輸入的離散時(shí)間序列有重疊的塊進(jìn)行劃分、加權(quán),做短時(shí)傅里葉變換(STFT)來(lái)完成。這種實(shí)現(xiàn)由一個(gè)原形低通濾波器h(n)和STFT調(diào)制算法兩部分構(gòu)成。STFT將原形濾波器復(fù)調(diào)制到離散傅里葉變換(DFT)的各個(gè)頻率間隔的中心,構(gòu)成均勻的濾波器組。原形濾波器用來(lái)加窗數(shù)據(jù),窗口沿著數(shù)據(jù)滑動(dòng),然后進(jìn)行DFT運(yùn)算,給出頻率相對(duì)時(shí)間的輸出。STFT原理框圖如圖2所示。

圖2 STFT原理框圖

(1) 對(duì)128信道的信道化

為了滿足原型濾波器響應(yīng),濾波器系數(shù)有512階,這樣濾波器的長(zhǎng)度和DFT的長(zhǎng)度不一致。把輸入數(shù)據(jù)分成8段進(jìn)行折疊相加,然后做128點(diǎn)DFT。DFT濾波器組的快速實(shí)現(xiàn),大多采用折疊的辦法。信道化原理框圖如圖3所示。

圖3 信道化處理原理

(2) 對(duì)于每個(gè)子信道的輸出

帶寬是輸入帶寬的1/128,可以進(jìn)行128倍的抽取,減少數(shù)據(jù)率。這等效于前后2個(gè)DFT運(yùn)算跳過(guò)M個(gè)采樣點(diǎn)。實(shí)信號(hào)的DFT信道化模型如圖4所示。

圖4 實(shí)信號(hào)的DFT信道化模型

(3) 對(duì)于求模檢測(cè)

對(duì)DFT濾波器組輸出的128個(gè)信道復(fù)信號(hào)進(jìn)行求模,并做過(guò)門(mén)限檢測(cè),同時(shí)給出信號(hào)的相位信息為:

X(k,m)=R(k,m)+j·I(k,m)

(1)

(2)

(3)

求模模塊的實(shí)現(xiàn)有2種選擇:一是直接用實(shí)部的平方加虛部的平方,這種算法使用專門(mén)的乘法,但處理延時(shí)小,可以讓檢測(cè)時(shí)間縮小;一種是使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字運(yùn)算(CORDIC)算法。

由于求模的算法中包含開(kāi)方運(yùn)算,求相位的算法中包含除法運(yùn)算以及反正切函數(shù)運(yùn)算,不便于直接實(shí)現(xiàn),而采用CORDIC算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。CORDIC算法將輸入的復(fù)數(shù)據(jù)看成矢量,通過(guò)旋轉(zhuǎn)逼近的方法,計(jì)算三角函數(shù)。CORIDC算法不需要任何乘除法運(yùn)算,而且可以同時(shí)獲得幅度和相角,其缺點(diǎn)是需要迭代運(yùn)算,運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。

(4) 測(cè)頻

通過(guò)CORDIC算法獲得信號(hào)的相位信息后,信號(hào)的瞬時(shí)頻率可以通過(guò)相位差求得:

(4)

式中:τ為輸出采樣間隔。

對(duì)于每個(gè)子信道的輸出,獲得輸出數(shù)據(jù)的瞬時(shí)頻率,加上子信道本身的信道號(hào),就可以獲得輸入信號(hào)的頻率。

這種測(cè)頻方法需要較高的信噪比,如果需要提高測(cè)量精度,那么可以多點(diǎn)測(cè)量。但是多點(diǎn)測(cè)量會(huì)模糊掉頻率不平穩(wěn)的信號(hào)的頻率變化,比如chirp信號(hào)。

(5) 對(duì)于時(shí)域參數(shù)測(cè)量

通過(guò)前面的幾個(gè)模塊,信號(hào)的幅度和頻率信息已經(jīng)獲得。PDW模塊主要獲得信號(hào)的時(shí)間信息,包括到達(dá)時(shí)間、脈沖寬度。系統(tǒng)采用絕對(duì)時(shí)間標(biāo)的方法標(biāo)注到達(dá)時(shí)間,即系統(tǒng)將脈沖前沿的到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間作為到達(dá)時(shí)間。另外,通過(guò)觀察脈內(nèi)的瞬時(shí)頻率是否是常數(shù),還將給出脈沖有無(wú)調(diào)制,作為脈沖描述字的一部分。最終形成PDW。

2 信號(hào)分選識(shí)別設(shè)計(jì)與原理

信號(hào)分選識(shí)別模塊接收來(lái)自數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量模塊的PDW數(shù)據(jù)流,PDW數(shù)據(jù)流首先進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)濾波器,濾波器可完成多參數(shù)如射頻(RF)、脈寬(PW)、脈沖重復(fù)頻率(PRI)濾波。經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)入先進(jìn)先出(FIFO)緩存,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖聚類,建立輻射源脈沖相關(guān)通道,并將PDW數(shù)據(jù)存入雙端口隨機(jī)存儲(chǔ)器(DPRAM)。DSP實(shí)時(shí)讀取DPRAM中各通道的PDW數(shù)據(jù),滿足相關(guān)條件后進(jìn)行時(shí)序分析、參數(shù)平滑等處理,最終提取被干擾對(duì)象信號(hào)判斷、判斷結(jié)構(gòu)信息送控制單元。信號(hào)分選識(shí)別模塊的工作原理如圖5所示。

圖5 信號(hào)分選識(shí)別模塊原理框圖

FIFO、分選器和跟蹤器部分稱為預(yù)處理。預(yù)處理完成信號(hào)的第1步去交錯(cuò)分選,主處理完成信號(hào)的進(jìn)一步分選與參數(shù)計(jì)算。用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。

信號(hào)處理的預(yù)處理對(duì)來(lái)自數(shù)字測(cè)頻及脈沖測(cè)量模塊的PDW數(shù)據(jù)經(jīng)濾波器進(jìn)行濾波,將有效數(shù)據(jù)送到FIFO進(jìn)行緩沖。濾波器中可加載RF、PW、PRI相關(guān)參數(shù)進(jìn)行濾波,其參數(shù)由主處理器加載,也可由主控單元加載。分選器對(duì)來(lái)自FIFO的數(shù)據(jù)進(jìn)行分流處理,完成對(duì)信號(hào)的稀釋。分選器按RF、PW相關(guān),對(duì)各PDW進(jìn)行粗分選,建立分選通道,并將PDW及通道號(hào)送跟蹤器。跟蹤器將PDW存入DPRAM中,建立初始跟蹤表,以滿足2種切換方式將DPRAM切換給主處理器,分選處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送控制單元,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收控制單元送來(lái)的工作命令、自檢命令、濾波命令、頻率掃描和靈敏度控制等命令。

3 實(shí)現(xiàn)方案

分選識(shí)別單元主要由技術(shù)產(chǎn)生器組成。為了滿足小型化的需求,分選識(shí)別單元與目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生單元的多個(gè)模塊集成在一塊高密度多層印制板上。分選識(shí)別單元主要由DSP、大規(guī)模高性能FPGA、高速ADC、存儲(chǔ)模塊等組成,分選識(shí)別單元電路原理框圖如圖6所示。

圖6 分選識(shí)別及目標(biāo)干擾信號(hào)產(chǎn)生單元電路原理框圖

信號(hào)分選識(shí)別模塊采用以高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)處理板。DSP的主頻為1 GHz,板上有DSP和大容量的FPGA以及DPRAM和輸入/輸出接口(2個(gè)網(wǎng)口和2個(gè)串口)。信號(hào)處理板完成預(yù)處理和主處理的功能,其中FPGA和DSP共同完成由FIFO、分選器、跟蹤器和RAM組成的預(yù)處理功能,主要包括信號(hào)的粗分選、快速告警、濾波等功能,DSP獨(dú)立完成主處理的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用的高集成小型化測(cè)量分選識(shí)別信號(hào)的方法已應(yīng)用于某機(jī)載平臺(tái),為了保證功能、性能,以及尺寸、重量的限制,將電子載荷的脈沖測(cè)量、分選識(shí)別、回波及干擾產(chǎn)生3個(gè)功能高度集成,實(shí)現(xiàn)了高集成小型化測(cè)量分選識(shí)別及回波干擾產(chǎn)生技術(shù),對(duì)高集成小型化進(jìn)一步在雷達(dá)對(duì)抗或雷達(dá)仿真模擬的應(yīng)用具有一定的參考意義。