脈沖壓縮技術(shù)在數(shù)字偵察接收機(jī)中的應(yīng)用仿真分析

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033)

1 引 言

在電子戰(zhàn)中信號的檢測速度與截獲概率占有非常重要的地位，快速檢測與截獲是進(jìn)行瞄準(zhǔn)式干擾的前提，尤其是對快速跳頻信號實(shí)施跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾，搜索截獲的速度決定了實(shí)施干擾速度和干擾功率進(jìn)入對方接收機(jī)的時間占對方每跳駐留時間的比例，直接影響了干擾的效能。

超外差體制的全景顯示搜索接收機(jī)接收靈敏度高,但是存在搜索速度、接收靈敏度和頻率分辨率之間的固有矛盾，傳統(tǒng)的基于色散延遲線等壓縮偵察接收機(jī)受環(huán)境等因素影響較大[1]；傳統(tǒng)體制的信道化接收機(jī)可以做到全概率接收，但是功率經(jīng)功率分配器，功率減小，并且體積龐大不便集成，成本高等缺點(diǎn)如文獻(xiàn)[2]的信道化IFM接收機(jī)中LFM信號的接收；基于多相抽取技術(shù)的信道化接收機(jī)產(chǎn)生旁瓣，虛警率高，如周欣、吳瑛在文獻(xiàn)[3]中對基于多相濾波的寬帶接收機(jī)信道化算法進(jìn)行的研究。唐濤、吳瑛的基于直線檢測的寬帶信源個數(shù)估計新方法[4]和馬岸英、楊軍超的寬帶高分辨率無線電信號偵察接收機(jī)[5]都無法兼顧搜索速度、頻率分辨率和信號接收靈敏度之間的關(guān)系。

基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)只作為全景搜索顯示使用，不作為解調(diào)通道使用，可以與監(jiān)測偵聽分析接收機(jī)配合使用，把搜索到的對方信號頻率提供給監(jiān)測偵聽分析接收機(jī)，完成對信號的搜索和分析?；谄ヅ錇V波線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)是通過信號壓縮的方式在高速搜索時提高頻率分辨率的。脈沖壓縮技術(shù)是指把掃頻搜索形成的線性調(diào)頻信號通過匹配濾波信號進(jìn)行信號處理，在保持了很高的分辨率同時也保持了在相同輸入信噪比的情況下得到信號具有最大信噪比，同時搜索速度、信號接收靈敏度和頻率分辨率之間的矛盾得到改善，性能穩(wěn)定。

2 壓縮接收機(jī)對跳頻信號的搜索檢測過程

跳頻信號可以表示為

s(t)=m(t)cos[2π(f0+hnΔf)t+θn],
n=0,1,2,…，N

(1)

式中，Δf為跳頻間隔，hn為跳頻碼，m(t)為信息碼，θn為初始相位。

輸入接收機(jī)的信號可以表示為

x(t)=s(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)為高斯白噪聲。

本地線性調(diào)頻信號在一個掃描周期內(nèi)可以表示為

(3)

(4)

式中，μ是掃描速度。

壓縮濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)當(dāng)T1

(5)

快速跳頻通信中τ是毫秒數(shù)量級，在計算中由此引起的相位變化可以忽略，則混頻和壓縮濾波器輸出可以表示為

(6)

式中，T1≤t≤T，t1=max(0,t-T1)，t2=min(t,T1)。當(dāng)考慮對某一跳進(jìn)行檢測時，設(shè)輸入信號的持續(xù)時間大于T，則可以將信號簡化為s(t)=Acos(ωit+θ)，于是相應(yīng)的輸出可以表示為

(7)

其中n′(t)為壓縮濾波器輸出噪聲：

(8)

(9)

(10)

其中nc(t)和ns(t)是相互獨(dú)立的零均值高斯過程。提取其包絡(luò)得包絡(luò)函數(shù)：

(11)

由包絡(luò)函數(shù)e(t)取得最大值的條件知，當(dāng)信號存在時得到包絡(luò)幅度最大值時刻對應(yīng)著信號的中心頻率，通過提取峰值即可獲得跳頻信號該跳的中心頻率。

在檢測過程中，對壓縮濾波器輸出信號進(jìn)行包絡(luò)幅度提取，采樣值與某個頻率相對應(yīng)，將采樣值與門限進(jìn)行比較，是否存在信號，如果存在信號記錄信號對應(yīng)的頻率、出現(xiàn)時間、駐留時間，連續(xù)掃描N個周期進(jìn)行綜合分析是否存在跳頻信號。

3 基于線性調(diào)頻壓縮技術(shù)的偵察接收機(jī)模型

3.1 模擬線性調(diào)頻壓縮技術(shù)偵察接收機(jī)模型

如圖1所示，模擬壓縮技術(shù)接收機(jī)是通過色散延遲線把沖激信號在時域展寬為線性調(diào)頻信號，再與接收的信號進(jìn)行混頻，通過中頻濾波進(jìn)入壓縮濾波器。壓縮濾波器同樣是由色散延遲線或者叉指換能器來實(shí)現(xiàn)頻率延遲達(dá)到匹配濾波，這種器件形成的線性調(diào)頻信號會隨著環(huán)境、溫度的變化而變化，因而性能受到影響，并且這些器件通常體積較大，給系統(tǒng)的小型化、集成化帶來了挑戰(zhàn)。由延遲線或類似延遲線的器件設(shè)計的濾波器是基于不同頻率信號經(jīng)過延遲線時延遲時間不同，在輸出端壓縮成一個射頻窄脈沖，再檢波得到時域的脈沖包絡(luò)，根據(jù)此包絡(luò)在時間軸上的位置來計算載頻，精度無法保障。

圖1 模擬壓縮接收機(jī)框圖Fig.1 Block diagram of analog compression receiver

圖中fs(t)為t時刻進(jìn)入接收機(jī)信號的頻率，us(t)為進(jìn)入接收機(jī)時的感應(yīng)電動勢，LO為線性調(diào)頻信號，uI(t)為經(jīng)過中頻濾波器后的中頻信號電壓，uc(t)為壓縮以后輸出的信號電壓，u0(t)為輸出的包絡(luò)電壓。

3.2 基于匹配濾波器的線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)模型

基于時域相位匹配線性調(diào)頻壓縮技術(shù)偵察接收機(jī)簡稱數(shù)字壓縮接收機(jī)，該數(shù)字壓縮接收機(jī)的框圖模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字壓縮接收機(jī)框圖Fig.2 Block diagram of digital compression receiver

圖中fs(t)為t時刻進(jìn)入接收機(jī)信號的頻率，us(t)為進(jìn)入接收機(jī)時的感應(yīng)電動勢，us(nT)為對接收到的帶限信號進(jìn)行帶通采樣，u1(nT)為對混頻后的信號經(jīng)中頻濾波器后得到的離散電壓值，A(nT)為對壓縮濾波器輸出信號的幅度。

數(shù)字壓縮接收機(jī)的壓縮濾波器是對中頻輸出信號進(jìn)行壓縮，進(jìn)入中頻接收機(jī)的信號是線性調(diào)頻信號，匹配濾波器是使信噪比最大準(zhǔn)則設(shè)計的濾波器，表示為Kss(T-t)，則要求中頻濾波器為線性相位的濾波器，否則信號相位特性會發(fā)生畸變，按照線性調(diào)頻信號設(shè)計的濾波器則不是匹配濾波器。按照中頻濾波器的通帶頻段和本振信號的線性調(diào)頻頻率變化率來設(shè)計匹配濾波器即壓縮濾波器，通過此壓縮濾波器的信號輸出為時域窄脈沖，不需要再進(jìn)行檢波，直接用來解信號的載頻。設(shè)計的濾波器各抽頭系數(shù)可以存入FPGA存儲器，方便計算和校正，精度更高。

3.3 信號源的截取與匹配濾波檢測

基于壓縮技術(shù)的數(shù)字偵察接收機(jī)要在整個頻段上進(jìn)行搜索，本振信號是寬帶的線性調(diào)頻信號，混頻結(jié)果含有寬帶的線性調(diào)頻信號和一些諧波分量，寬帶線性調(diào)頻信號的一段信號作為信號壓縮的信源，截獲并區(qū)分不同載波頻率的信號。在對通信信號進(jìn)行偵測時，載波頻率在一個碼元或者脈沖內(nèi)是不變的。

輸入接收機(jī)截獲的原始信號經(jīng)過射頻選擇、混頻后的信號為x(n)=s(n)+ε(n)，其中s(n)為寬帶線性調(diào)頻序列，頻帶寬度與本振相同，ε(n)是均值為零的高斯白噪聲，經(jīng)過中頻濾波器后得到xI(n)=sI(n)+εI(n)，濾波器采用的是匹配濾波器，抽頭系數(shù)表示為Kss(N-n)。

設(shè)輸出信號為

sout(n)=[sin(2πflownT+πk(nT)2)+ε(t)]·

sin(2πfhighnT-πk(nT)2)

(12)

ε(t)與信號不相關(guān)卷積不會出現(xiàn)峰值，還是噪聲。截取與濾波器匹配的信號完全進(jìn)入濾波器前與匹配濾波器延時特性參數(shù)相關(guān)度較小，在截取的匹配信號完全進(jìn)入濾波器時會出現(xiàn)陡峭的峰值。

sin(2πflownT+πk(nT)2)}

(13)

4 基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮的數(shù)字偵察接收機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮的數(shù)字偵察接收機(jī)是特殊體制的超外差接收機(jī)，解決了搜索速度、分辨率和靈敏度之間的矛盾，彌補(bǔ)了模擬壓縮接收機(jī)受環(huán)境等因素影響大、體積大、精度不高等缺點(diǎn)。

4.1 中頻濾波器和壓縮濾波器的設(shè)計

在中頻濾波器的設(shè)計中，為了保證通過濾波器的信號頻率不發(fā)生相位上的畸變，要求中頻濾波器具有線性相位，用窗函數(shù)法設(shè)計的有限沖激響應(yīng)濾波器能滿足要求。設(shè)計的中頻濾波器特性如圖3所示。

(a)中頻濾波器的幅度頻率特性

(b)中頻濾波器的相位頻率特性圖3 中頻濾波器的幅度頻率相位頻率特性圖Fig.3 Amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic of IF filter

匹配壓縮濾波器的設(shè)計滿足以下條件：

(1)與線性調(diào)頻本振信號具有相反斜率特性的線性調(diào)頻濾波器；

(2)與中頻濾波器輸出信號帶寬對應(yīng)，與中頻濾波器輸出信號匹配。設(shè)計此濾波器具有線性調(diào)頻正弦特性，如圖4所示。

圖4 壓縮濾波器時域延時特性圖Fig.4 Latency characteristic of compression filter

4.2 基于匹配濾波器的線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)的仿真

假定數(shù)字壓縮接收機(jī)在4～6 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，有兩個跳頻電臺在頻點(diǎn)分別為4.13 MHz和4.2 MHz上工作同時進(jìn)入接收機(jī)，在4～6 MHz頻率范圍內(nèi)搜索所用的時間為0.25×10-3s，信號的幅度為1，采用點(diǎn)數(shù)為1 000，采樣頻率為4 MHz，兩個正弦波信號經(jīng)過射頻選頻后進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過混頻濾波以后的信號其信號特性如圖5所示。

(a)信噪比為20 dB時時域信號

(b)信噪比為0 dB時時域信號

(c)信噪比為0 dB時頻譜圖5 進(jìn)入壓縮濾波器前的信號Fig.5 Signal before compression

壓縮接收機(jī)以8 GHz/s的速度進(jìn)行對相隔70 kHz的信號搜索，在輸入信號信噪比分別為20 dB和0 dB時，接收機(jī)末端輸出信號的波形分別如圖6(a)、(b)所示。

(a)輸入信噪比為20 dB時壓縮接收機(jī)輸出時域脈沖

(b)輸入信噪比為0 dB時壓縮接收機(jī)輸出時域脈沖圖6 輸入信噪比為20 dB和0 dB信號時接收機(jī)時域信號輸出Fig.6 Output signal against input for SNR=0 and SNR=20 dB

4.3 搜索速度、頻率分辨率矛盾得到解決

常規(guī)外差接收機(jī)在高速搜索的時候中頻濾波器的性能會迅速下降主要表現(xiàn)在頻率分辨率下降，接收機(jī)采用了壓縮技術(shù)，壓縮濾波器特性與信號在混頻和中頻濾波后形成的線性調(diào)頻信號匹配，壓縮得到窄脈沖，由圖6可知接收機(jī)在輸入信號信噪比為0 dB時以8 GHz/s的速度在頻段上搜索時，仍然能夠很好地將相隔70 kHz的信號區(qū)分開來。

4.4 壓縮接收機(jī)靈敏度高

通過對數(shù)字壓縮接收機(jī)搜索信號的過程進(jìn)行仿真可知接收機(jī)的靈敏度沒有下降，數(shù)字壓縮接收機(jī)輸入接收機(jī)信噪比與輸出信號的信噪比的統(tǒng)計關(guān)系如圖7所示。

圖7 輸入信噪比與輸出的信噪比關(guān)系Fig.7 SNR relation between input and output

搜索速度以8 GHz/s和9.6 GHz/s進(jìn)行搜索，在延時時間一定時，以9.6 GHz/s進(jìn)行搜索的頻率范圍大，壓縮增益高一些，壓縮接收機(jī)對中頻濾波頻帶要求較寬，通過壓縮給輸出信號增加了壓縮增益，所以數(shù)字壓縮接收機(jī)靈敏度高。

5 結(jié)束語

本文對壓縮技術(shù)在數(shù)字偵察接收機(jī)中的應(yīng)用原理和模擬壓縮接收機(jī)進(jìn)行了分析，提出了基于匹配濾波器線性調(diào)頻壓縮技術(shù)的數(shù)字全景接收機(jī)，并設(shè)計了具體的器件對基于壓縮接收技術(shù)的接收機(jī)同時接收跳頻網(wǎng)臺的兩個信號進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該接收機(jī)模型性能穩(wěn)定可靠，能根據(jù)搜索的順序及時間確定跳頻信號截獲的跳頻周期等參數(shù)，具有很好的應(yīng)用前景。下一步可以根據(jù)所提出的模型，結(jié)合可編程器件FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行試制模型機(jī)進(jìn)一步的試驗(yàn)。

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