中國移動多媒體廣播外輻射源雷達參考信號獲取方法研究

萬顯榮 岑 博 易建新 方 亮 柯亨玉

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430079)

1 引言

外輻射源探測是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號來實現(xiàn)目標探測和跟蹤的雷達新體制，因其具有良好的“四抗”性能近年來受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1-5]。隨著數(shù)字廣播電視在全球日益普及并逐步取代模擬信號，利用數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting, DAB)、數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting, DVB-T)等信號的無源探測已成為新體制外輻射源探測的研究熱點[6-9]。 2006年，國家廣播電視總局推出了基于我國國情的數(shù)字移動多媒體視頻廣播[10](China Mobile Multimedia Broadcasting, CMMB)行業(yè)標準。CMMB近年在我國獲得蓬勃發(fā)展，目前信號已覆蓋全國320個主要城市，這為我國研究新體制外輻射源雷達提供了極好的條件。

外輻射源雷達利用監(jiān)測通道目標信號與參考通道直達波信號二者相關(guān)性實現(xiàn)目標的探測，其中參考信號獲取是外輻射源雷達信號處理的核心環(huán)節(jié)，參考信號的純凈程度直接決定著雷達探測性能的好壞。CMMB采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，多臺發(fā)射機以相同的頻率發(fā)射同樣的節(jié)目數(shù)據(jù)，因此較傳統(tǒng)模擬波形外輻射源雷達而言參考通道多徑現(xiàn)象更為嚴重。傳統(tǒng)基于模擬波形的外輻射源雷達參考信號提純通常采用空域波束形成、時域自適應(yīng)濾波等多徑抑制技術(shù)[11,12]。歐洲現(xiàn)已普及DAB和DVB-T信號，基于數(shù)字廣播電視信號的外輻射源雷達技術(shù)已走在世界前列，O’Hagan等人[13]與 Baczyk等人[14]分別研究了DAB和DVB-T外輻射源雷達中基于信號重構(gòu)的參考信號獲取方法。本文針對我國 CMMB信號的特殊結(jié)構(gòu)，首先研究了利用 CMMB同步信號的自適應(yīng)濾波提純算法，分析了該算法可行性與不足之處；接著提出了基于 CMMB發(fā)射信號重構(gòu)獲取純凈參考信號的方法；最后分析并比較了兩種算法的性能并通過實測信號對重構(gòu)算法進行了驗證。

2 CMMB信號

CMMB物理層輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯編碼、交織和星座映射，與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻進行復(fù)接，然后進行正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調(diào)制。調(diào)制后的信號插入幀頭形成物理層信號幀，經(jīng)基帶至射頻變換后發(fā)射[10]。CMMB系統(tǒng)物理層功能如圖1所示。里德-索羅蒙(Reed-Solomon, RS)編碼、字節(jié)交織、低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check, LDPC)碼和比特交織共同構(gòu)成了 CMMB物理層信道編碼部分，兩級編碼結(jié)構(gòu)是CMMB信號正確解調(diào)的基礎(chǔ)，同時也為無源探測參考信號在低信噪比下正確重構(gòu)提供了保障；兩級交織將傳輸比特進一步隨機化，使得探測信號性能與具體節(jié)目數(shù)據(jù)流無關(guān)，這也是基于 OFDM 調(diào)制的數(shù)字波形外輻射源雷達相對比傳統(tǒng)模擬波形外輻射源雷達的突出優(yōu)勢之一。

圖1 物理層功能框圖

CMMB物理層信號1幀持續(xù)時間為1s，劃分為40個時隙，每個時隙包含1個信標和53個OFDM數(shù)據(jù)符號，信標又進一步分為發(fā)射機標識信號(TxID)和兩個同步信號，信號幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CMMB信號幀結(jié)構(gòu)

CMMB信號一個符號可表示為

其中k是子載波序號，N是每個OFDM符號包含的子載波數(shù)，Δf為子載波間隔，ck是復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)，fc為射頻信號的中心頻率，Tu是 OFDM 符號有效部分持續(xù)時間，TCP為循環(huán)前綴的持續(xù)時間，TGI= 2 .4 μs是保護間隔長度。CMMB信號模糊函數(shù)由一個主峰和多個副峰組成，對模糊函數(shù)進行去模糊處理[9]，得到“圖釘形”的單峰值模糊函數(shù)，如圖3所示。

圖3 去模糊處理后CMMB信號模糊函數(shù)圖

3 基于CMMB同步信號的自適應(yīng)濾波提純算法

3.1 參考通道信號模型

與傳統(tǒng)無源雷達信號模型一致，接收天線獲得的參考通道信號由純凈的直達波信號和多徑干擾信號以及噪聲疊加而成，信號模型如式(2)所示。

其中y(t)是參考通道信號，s(t)是需要提取的純凈直達波，N是多徑條數(shù)，λk和τk分別表示第k條多徑的反射系數(shù)和相對s(t)的延遲，n(t)為噪聲。

自適應(yīng)濾波提純直達波的核心思想是通過濾波器濾除直達波多徑干擾信號來得到較為純凈的參考樣本。為得到s(t)，需構(gòu)造濾波器，輸入為y(t)，輸出是s(t)的估計值，如式(3)。

式(3)中，用離散序號n代替了連續(xù)時間t,w=[w0w1…wM-1]T是濾波器抽頭系數(shù)，M為濾波器階數(shù)。

3.2 基于同步信號的自適應(yīng)提純算法

CMMB信號每個時隙信標中含有兩個完全相同的同步信號，并且同步信號傳輸?shù)膬?nèi)容是事先已知的，這相當于為我們提供了一個訓(xùn)練序列，利用這個訓(xùn)練序列可實時捕獲信道的變化，求取濾波器的抽頭系數(shù)w，構(gòu)造濾波器。將該濾波器應(yīng)用于CMMB數(shù)據(jù)符號部分，如式(3)，即可濾除參考信號中的多徑干擾信號。

同步信號求取濾波器系數(shù)需采用自適應(yīng)算法，本文選取遞歸最小二乘方(RLS)算法[15]，具體計算流程如下步驟所示：

步驟1 初始化：w(0)=0,T( 0)=δ-1I，其中δ是一個很小的值，本文取δ= 0 .01,I為M階單位陣。

步驟2 迭代更新：n=M,M+ 1,M+2,…

求取下一時刻的濾波器抽頭系數(shù)：

其中w(n)為n時刻的濾波器系數(shù)，u(n)是n時刻的輸入，e(n)是預(yù)測誤差，RLS自適應(yīng)算法就是根據(jù)預(yù)測誤差來自適應(yīng)調(diào)整w(n),k(n)是增益因子，λ為遺忘因子。

自適應(yīng)濾波算法利用同步信號來獲取信道特征，并將其用于 CMMB數(shù)據(jù)部分。自適應(yīng)濾波器系數(shù)僅用同步信號就可獲得，算法效率較高。該算法在多徑數(shù)目少，多徑延遲相對密集的條件下有較好的性能。但算法要求數(shù)據(jù)部分傳送期間的信道特征應(yīng)和訓(xùn)練序列傳輸時基本相同，在實際應(yīng)用中，這一點可能較難滿足，這就使得利用同步信號估計的信道特征直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)部分時可能會引起畸變。另外，RLS自適應(yīng)濾波算法對信號中的噪聲未作過多的處理，這在一定程度上也影響了信號的相關(guān)性。

OFDM 技術(shù)有很強的抗多徑衰落和窄帶噪聲的能力，參考信號提取應(yīng)該充分利用信號結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢，為此，在深究 CMMB信號形成機制的基礎(chǔ)上，本文重點研究基于 CMMB發(fā)射信號重構(gòu)的參考信號提取方法。

4 基于CMMB調(diào)制解調(diào)理論的直達波重構(gòu)方法

4.1 重構(gòu)流程

CMMB信號重構(gòu)，就是根據(jù)CMMB信號調(diào)制解調(diào)流程，從接收到的信號中恢復(fù)出盡可能準確的發(fā)射信號，具體流程如圖4所示。采樣得到的CMMB參考通道信號經(jīng)過同步、信道估計、信道解碼等處理，恢復(fù)出誤碼率盡可能低的二進制比特流，然后再經(jīng)過圖 1所示的物理層功能流程完成信號的重構(gòu)。

圖4 CMMB信號重構(gòu)流程圖

4.2 重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

同步和信道估計是信號重構(gòu)的關(guān)鍵，直接影響參考信號的質(zhì)量。同步的主要任務(wù)是獲取信號的幀起點，估計出混頻過程中出現(xiàn)的頻率偏差和采樣過程中引進的采樣誤差，并對其進行補償。頻率偏差和采樣誤差會影響同步結(jié)果，增大信道解碼的誤碼率，降低重構(gòu)信號的準確性。正如前面方法所述，CMMB信號每個時隙中包含了兩個完全相同的同步信號，利用加窗檢測峰值的方法可以捕獲同步信號的位置，見式(9)。

其中n對應(yīng)采樣點的序號，Nsync為同步信號的長度，s(i)是采樣得到CMMB信號，N為1個時隙的CMMB信號長度。為保證能獲取兩個完整的同步信號，這里取滑動長度為2N。在求得同步信號起始位置后，就可利用同步信號估計出頻率偏差，利用導(dǎo)頻信息對頻率偏差和采樣率偏差進行跟蹤估計。

信道估計的作用是估計出信號在傳播過程中所經(jīng)過信道的沖擊響應(yīng)。單頻網(wǎng) CMMB信道多徑現(xiàn)象尤為嚴重，頻率選擇性衰落普遍存在，因此，良好的信道估計是獲取純凈比特流的關(guān)鍵步驟。CMMB信道估計采用時頻2維插值算法[16]，利用已知的離散導(dǎo)頻的值，求取離散導(dǎo)頻處的子載波沖擊響應(yīng)，然后根據(jù)離散導(dǎo)頻在時域和頻域兩個方向的排列規(guī)律，通過插值算法估計出數(shù)據(jù)子載波處的響應(yīng)，再按式(10)對信號進行均衡處理。

其中l(wèi)和k分別表示OFDM符號的符號序號和子載波序號。將時域信號變換至頻域，得到OFDM子載波的值，進行均衡處理。Xl,k是均衡后的數(shù)據(jù)子載波，Yl,k是均衡前的子載波，是估計出的頻域響應(yīng)，由真實的響應(yīng)值Hl,k和估計噪聲Nl,k兩部分構(gòu)成。

無論是同步還是信道估計得到的都只是復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)，要得到二進制比特流，還需要經(jīng)過解星座映射和信道解碼。CMMB信號的解星座映射采用軟解調(diào)算法，即利用得到的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)計算每一個比特的對數(shù)似然比。令信道估計后的頻域復(fù)符號為r=x+jy，式(11)-式(13)分別給出了 BPSK,QPSK和16QAM的軟解調(diào)輸出[17]，顯然，BPSK,QPSK, 16QAM映射方式的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)分別對應(yīng)1 bit, 2 bit, 4 bit的似然比。

其中LLR(ci)表示第i個比特對應(yīng)的輸出對數(shù)似然比，σ2是噪聲方差。在16QAM映射方式中，分別表示第i個比特為1和0時所對應(yīng)的星座圖上點的集合。

解星座完成后，對軟解調(diào)輸出的對數(shù)似然比進行信道解碼，得到比特流。CMMB信道解碼需經(jīng)過解比特交織，LDPC解碼，RS解碼和解字節(jié)交織幾個階段。通過解碼糾正錯誤比特后，再按圖1所示流程將比特信息通過信道編碼，調(diào)制到OFDM子載波上，形成最終重構(gòu)的直達波信號。

5 參考信號獲取算法性能分析與比較

5.1 重構(gòu)算法與誤碼率性能分析

本小節(jié)驗證重構(gòu)算法在低信噪比(高斯信道)下的重構(gòu)性能。圖5給出了兩種情形下QPSK映射方式在不同信噪比下的誤碼率統(tǒng)計曲線：(1)經(jīng)過信道解碼；(2)不經(jīng)過信道解碼而直接硬判決。圖中曲線表明，信道解碼可以大大降低傳輸比特的誤碼率，在較低的信噪比下(4 dB)，誤碼率即可達到 0，這顯示了重構(gòu)算法的穩(wěn)健性。圖6表示重構(gòu)信號與原始信號相關(guān)峰值信噪比隨誤碼率的變化曲線，可以看到，峰值信噪比隨誤碼率的變化并不敏感，但誤碼率對基于重構(gòu)信號抑制直達波的效果有較大影響[14]，并且隨著誤碼率的進一步增大(大于 1 0-2)，峰值信噪比下降較明顯，這要求在重構(gòu)過程中將誤碼率盡可能降低。

5.2 提純性能比較

由于參考信號與多徑信號具有較強的相關(guān)性，基于此，下面來驗證以上兩種參考信號獲取算法的有效性，并比較二者的提純性能。仿真信道采用經(jīng)典巴西信道A模型，具體參數(shù)如下：各路徑相對幅度分別為[1 0.2045 0.1548 0.1790 0.2078 0.1509]，延時點數(shù)分別為[0 2 22 30 58 59]。仿真多徑信號信噪比為25 dB。分別利用參考信號與多徑信號、濾波處理后的信號以及重構(gòu)的信號相匹配，繪制距離多普勒譜，比較它們的零多普勒截線，如圖7所示。不失一般性并考慮到計算量，這里自適應(yīng)濾波算法采用80階濾波器。

由圖 7(a)可見，多徑信號的存在引起了距離譜上的副峰。經(jīng)過自適應(yīng)濾波后的多徑信號幅度有明顯的衰減，這表明自適應(yīng)濾波算法能有效地抑制多徑信號。但多徑副峰并沒有完全消失，并且信號經(jīng)過濾波器引起了延時。如要進一步提高濾波性能，必須增加濾波器的階數(shù)，這無疑將增加信號延時和降低運算效率。而重構(gòu)的方法則基本上不受多徑的影響，只要多徑延時在循環(huán)前綴長度內(nèi)，沒有引起符號間干擾，就可恢復(fù)出原始的發(fā)射信號，如圖7(b)所示。另外，由于重構(gòu)算法通過信道解碼能夠恢復(fù)出低誤碼的比特流，大大降低了噪聲對算法性能的影響。因此，相比自適應(yīng)濾波算法，基于參考信號重構(gòu)的算法具有更為穩(wěn)健的性能，能夠提取出更純凈的參考信號。

5.3 重構(gòu)算法實測驗證

圖5 誤碼率隨信噪比變化統(tǒng)計曲線

圖6 峰值信噪比隨誤碼率變化曲線

圖7 參考信號獲取算法性能比較

圖8 重構(gòu)信號與原始信號相關(guān)譜

武漢大學(xué)電波傳播實驗室已研制 CMMB外輻射源雷達接收系統(tǒng)。為前期理論研究的方便，實驗室專門購買了 CMMB信號發(fā)生器，信號頻率、功率和節(jié)目內(nèi)容可任意定制。在室內(nèi)進行閉環(huán)實驗，利用多通道數(shù)字接收機采集經(jīng)模擬前端輸出的CMMB信號(中頻60 MHz，帶寬8.5 MHz)，采樣率為80 MHz，經(jīng)數(shù)字下變頻得到10 MHz的基帶IQ實測信號。按照圖4的處理流程對該信號進行重構(gòu)，為驗證上述算法重構(gòu)參考信號的性能，利用重構(gòu)信號與 CMMB信號源產(chǎn)生的原始信號繪制相關(guān)譜圖，如圖8所示。較高的峰值信噪比顯示了良好的信號相關(guān)性，從實驗角度驗證了重構(gòu)參考信號的有效性。

6 結(jié)束語

文中結(jié)合 CMMB外輻射源雷達特殊的信號結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波原理應(yīng)用于參考信號提純中，分析了其可行性和不足之處。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)CMMB信號調(diào)制解調(diào)原理，研究了通過CMMB信號重構(gòu)來獲取參考信號的方法。仿真結(jié)果表明，兩種算法均能較有效地抑制參考通道中的多徑信號。但由于單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)中 CMMB信號多徑現(xiàn)象較為嚴重，自適應(yīng)濾波提純算法有其局限性，而充分利用了 OFDM 信號抗多徑和抗噪聲優(yōu)點的信號重構(gòu)算法可以很好地適應(yīng)這種信道環(huán)境，是一種行之有效的CMMB外輻射源雷達參考信號獲取方法。

[1]Olsen K E and Woodbridge K. Analysis of the performance of a multiband passive bistatic radar processing scheme[C].Wave Diversity and Design Conference, Niagara Falls, ON,2010: 142-149.

[2]Howland P E, Maksimiuk D, and Reitsma G. FM radio based bistatic radar [J].IEE Proceedings-Radar Sonar and Navigation, 2005, 152(3): 107-115.

[3]Wang H, Wang J, and Zhong L. Mismatched filter for analogue TV-based passive bistatic radar [J].IET Radar Sonar Navigation, 2011, 5(5): 573-581.

[4]朱家兵, 洪一, 陶亮, 等. 基于自適應(yīng)分數(shù)延遲估計的 FM 廣播輻射源雷達直達波對消[J]. 電子與信息學(xué)報, 2007, 29(7):1674-1677.Zhu Jia-bing, Hong Yi, Tao Liang,et al.. Direct-path cancellation to FM broadcast transmitter radar based on adaptive fractional delay estimation [J].Journal of Electronics&Information Technology, 2007, 29(7):1674-1677.

[5]宋杰, 何友, 蔡復(fù)青, 等.基于非合作雷達輻射源的無源雷達技術(shù)綜述[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2009, 31(9): 2151-2156.Song Jie, He You, Cai Fu-qing,et al.. Overview of passive radar technology based on non-cooperative radar illuminator[J].Systems Engineering and Electronics, 2009, 31(9):2151-2156.

[6]Yik L L. A radar signal simulator for DAB based passive radar [C]. Radar Conference-Surveillance for a Safe Word,Bordeaux, 2009: 1-5.

[7]Harms H A, Davis L M, and Palmer J. Understanding the signal structure in DVB-T signal for passive radar detection[C]. IEEE Radar Conference, Washington, 2010:532-537.

[8]高志文, 陶然, 單濤.DVB-T輻射源雷達信號模糊函數(shù)的副峰分析與抑制[J].電子學(xué)報, 2008, 36(3): 505-509.Gao Zhi-wen, Tao Ran, and Shan Tao. Side peaks analysis and suppression of DVB-T signal ambiguity function for passive radar [J].Acta Electronica Sinica, 2008, 36(3):505-509.

[9]何緩, 柯亨玉, 萬顯榮, 等. 基于雙基地海洋回波譜仿真數(shù)據(jù)的海浪波數(shù)譜反演[J]. 電子與信息學(xué)報, 2011, 33(10):2477-2482.He Huan, Ke Heng-yu, Wan Xian-rong, et al.. Inversion of wave-number spectrum from simulated bistatic high-frequency radar data[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2011, 33(10): 2477-2482.

[10]GY/T 220.1-2006, 移動多媒體廣播第 l部分: 廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S]. 中國移動多媒體標準, 2006.GY/T 220.1-2006, Mobile multimedia broadcasting part1:framing structure, channel coding and modulation for broadcasting channel [S]. China mobile multimedia broadcasting standard, 2006.

[11]Song Jie, He You, Guan Jian,et al.. Direct wave estimation of non-cooperative bistatic pulse radar using LMS adaptive filter[C]. Chinese Control and Decision Conference, Guilin,2007: 2879-2882.

[12]Colone F, Cardinali R, Lombardo P,et al.. Space-time constant modulus algorithm for multipath removal on the reference signal exploited by passive bistatic radar[J].IET Radar Sonar Navigation, 2009, 3(3): 253-264.

[13]O’Hagan D W, Kuschel H, Heckenbach J,et al.. Signal reconstruction as an effective means of detecting targets in a DAB-based PBR[C]. International Radar Symposium,Vilnius Lithuan, 2010: 48-51.

[14]Baczyk M K and Malanowski M. Decoding and reconstruction of reference DVB-T signal in passive radar systems [J].International Journal of Electronics andTelecommunications, 2011, 57(1): 56-59.

[15]姚天任, 孫洪. 現(xiàn)代數(shù)字信號處理[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 1999: 62-63.Yao Tian-ren and Sun Hong. Modern Digital Signal Processing[M]. Wuhan: Huazhong University of Science &Technology Press, 1999: 62-63.

[16]彭石, 顏永紅, 黑勇, 等. 一種適用于 CMMB 系統(tǒng)的信道估計方法[J]. 宇航計測技術(shù), 2010, 30(3): 49-52.Peng Shi, Yan Yong-hong, Hei Yong,et al.. A feasible method of channel estimation for the CMMB system[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement, 2010, 30(3): 49-52.

[17]張浩, 馮賢光, 葉梧, 等. QAM中基于LLR的軟輸出Viterbi譯碼器的實現(xiàn)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2005, 5(14): 944-949.Zhang Hao, Feng Xian-guang, Ye Wu,et al.. Implementation of Viterbi decoder based on LLR soft output in QAM scheme[J].Science Technology and Engineering, 2005, 5(14):944-949.