寬帶數(shù)字信號處理及其在電子戰(zhàn)中的應用探究

白向偉，林海霞

（河北工程技術學院，河北　石家莊　050091）

0 引言

可重復，靈活穩(wěn)定是數(shù)字信號處理技術的主要特點，當前對于數(shù)字寬帶處理技術的研究更加側重于對數(shù)字信號處理技術的縱深化研究，使其在保持原有特點的基礎上，進一步提高使用性能。當前，伴隨著雷達，遙控探測器等在國防領域的重要應用，世界上的國家都紛紛的加大對其的科研投入，進行數(shù)字化的武器研究，更是進一步推動了數(shù)字信號處理技術的發(fā)展。伴隨著數(shù)字寬帶信號處理技術應用領域的進一步擴大，對數(shù)字信號處理技術提出了更為嚴格的要求：平常我們所認為的寬帶，一般從兩個角度去理解：其一是指相對帶寬,所謂的相對寬帶，其信號的寬帶和中心頻率的比值要在四分之一之上，多適用于天線和雷達界；另一個為絕對的帶寬，但目前尚未對其設定明確的界限，大多數(shù)應用在電子對抗領域。在電子戰(zhàn)的競爭中，窄帶數(shù)字信號處理應用最多的寬帶類型，帶寬一般保持在幾十兆或者更小的水平。容易實時實現(xiàn)的是窄帶數(shù)字信號處理技術，與窄帶寬帶不同的是，寬帶數(shù)字信號處理面臨著數(shù)據(jù)存儲、傳輸及實時處理的壓力，本文將研究的重點放在如何在電子戰(zhàn)中應用數(shù)字信號處理技術。

1 寬帶數(shù)字信號處理技術

寬帶采集和數(shù)據(jù)采集處理是目前我國寬帶信息處理技術的兩個主要構成[1]。寬帶采集將重點放在寬帶數(shù)字管理，這是后期處理所獲得數(shù)字信號所必經(jīng)的階段。另外通過對采集數(shù)據(jù)進行處理可以實現(xiàn)多種功能。接下來我將從觀察數(shù)字和干擾數(shù)字兩個方面進行介紹。

1.1 寬帶采集技術

寬帶采集通過對模擬變換器(ADC)的采用來在中頻附近對所輸入的信號進行量化。奈奎斯特采樣定理中明確規(guī)定，只有ADC的輸入帶寬保持在小于0.5的樣本頻率上，才能保證不因為信號產(chǎn)生頻率折疊模糊而失去精確性。一般情況下，將采樣頻率設置成平常輸入帶寬的2.2-2.5倍是工程上所采用的常用方式。目前ADC的采樣頻率隨著需要的增加也在逐步增加，瞬時輸入數(shù)字系統(tǒng)的帶寬也會獲得一定程度的提高。通常情況下，我們采用三種手段進行寬帶的采集。第一種是高速ADC的采樣，示波器采樣為第二種采樣方式，光采樣則為第三種采樣方式。接下來我將會對三種寬帶采樣技術。高速ADC采樣利用比較器對所采集的數(shù)據(jù)進行離散,采用的主要手段是利用多個并行的比較器離散輸入信號，ADC位數(shù)b和比較器個數(shù)N之間存在著線性關系，一般情況下N是b的二倍；研究人員用級聯(lián)方式來獲的想獲得的ADC大的位數(shù)來處理硬件難度方面的問題。舉一個簡單的例子，256個比較器是8位ADC所需要的個數(shù)，但是一般情況下，如果我們使用2個4位ADC級聯(lián)來獲得我們所需要的8位ADC，比較器得個數(shù)就減少為32個（2×16）。實踐表明，高速率采樣相比較低速率采樣的位數(shù)于更加難以實現(xiàn)。目前我們面臨的一個難題就是硬件實現(xiàn)難度因為采樣頻率和位數(shù)增加也在進一步加大?？v觀國際水平，老美在半導體研發(fā)上已經(jīng)達到了8位3 Gsps 的水平，某些公司也已經(jīng)研發(fā)處理8位 12.5 Gsps 的ADC產(chǎn)品。這個當前也已經(jīng)有產(chǎn)品展示出來，泰克公司所推出的示波器產(chǎn)品正是對4個8位12.5 Gsps的充分利用。另一種方法則是對復制的周期信號選用不同的延遲時間實現(xiàn)高速率采樣。光采樣的過程主要是將續(xù)時間非常短的光脈沖與所獲得的信號進行相乘，進而進行光電轉換，最終得到光脈沖響應所對應的信號幅度，最終可以實現(xiàn)寬帶采樣量的最大化，目前通過4個8位10 Gsps 的光ADC并行運算8位40 Gsps 的光ADC 已經(jīng)問世并得到廣泛的利用。不可否認，寬帶采集也有一個比較顯著的缺點，那就是難以做大數(shù)字量化。數(shù)字系統(tǒng)的動態(tài)范圍會隨著寬帶采集的位數(shù)的變少而變小，信噪值也隨之比較小。

1.2 寬帶天線數(shù)字技術的介紹

伴隨著天線功能的實現(xiàn)，技術員可以從各個領域的不同需要出發(fā)設計靈活多變的方向圖，比如我們平常所見到的零點圖、及多波束等多種類型的圖形。寬帶數(shù)字天線由空間上某種陣列形式布置的寬帶數(shù)字系統(tǒng)綜合形成，絕對寬帶和相對寬帶都對寬帶天線的形成產(chǎn)生重要的影響。線性陣列可以作為分析相對帶寬和絕對寬帶對數(shù)字天線所帶來的影響。

1.3 寬帶數(shù)字偵收技術

寬帶數(shù)字偵收技術就是對從AD 后獲得的數(shù)據(jù)或者是來自于數(shù)字天線種的數(shù)據(jù)進行處理，然后根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)部的分析建立脈沖描述字，再根據(jù)脈沖描述字對信號按照信號的來源，信號的用途等進行分類。寬帶數(shù)字偵收技術的信息處理能力比較高超，可以對高密度信號進行處理，另一方面還 可以對同時接受到的信號進行處理，較多的保留所獲得的脈沖信息，并進一步用比較成熟的技術獲得諸如載波頻率、脈沖幅度、脈沖寬度、脈內(nèi)信息和脈沖到達時間等雷達的特征參數(shù)。準)及時處理向寬帶中輸入的數(shù)據(jù)是寬帶數(shù)字偵收技術的首要目標，其進行數(shù)據(jù)處理的算法非?？粗赜嬎愕乃俣取ＭǔＮ覀儠捎脭?shù)字信道化的手段將大大數(shù)據(jù)率轉換為小數(shù)據(jù)率。其他提高算法的手段還有快速 FFT 式的數(shù)字信號處理算法的快速化，在我們實踐中，并不需要對所有的通信道進行關注，只需要把接收帶寬內(nèi)的所有信號通過編碼折合到部分信道內(nèi)就可以。

1.4 寬帶數(shù)字射頻存儲技術

當雷達受到數(shù)字儲頻的打擾時，進行高效干擾的前提條件是能進行精確的復制，并且能夠保存頻域內(nèi)信號的全部信息，只有這樣才能加深干擾程度。我們平常所說的寬帶數(shù)字射頻存儲器就能夠保存信號頻域內(nèi)的所有信息的一個載體，實現(xiàn)高效干擾的功能。他的工作原理要經(jīng)過以下幾個過程第一，先進行下頻與中頻的轉換，利用高速 A/D 將所獲得的信號變換為數(shù)字類型的信號，輸入高速存儲器中，當然還要進行必要的干擾調(diào)制功能。寬帶數(shù)字射頻存儲（Digital Radio Frequency Memory，DRFM）對數(shù)據(jù)進行的干擾式的調(diào)制是根據(jù)人們的需要進行的，DA是進行信號轉換的關鍵因素，可以將調(diào)整后的信號轉變?yōu)槟M類型的干擾信號，從而實現(xiàn)不同的欺騙功能。雷達信號帶寬大于等于瞬時帶寬是實現(xiàn)高效干擾的重要條件。瞬時帶寬是用來確定 DRFM ADC 和 DAC 速率的重要工具，速率的高低對存儲器的存儲性能也有不同的要求，與之相互聯(lián)系的成本也不同[2-3]。

2 寬帶數(shù)字信號處理技術在電子戰(zhàn)中的廣泛應用

現(xiàn)存的雷達，通過對數(shù)字信號進行處理可以改變對距離的分辨率；就通信而言，通過對數(shù)字信號進行處理可以擴大信息容量的傳送；在電子戰(zhàn)進行的過程中，對數(shù)字信號進行處理寬帶可以給各個國家?guī)碇T多好處，可以充分電子支援和電子對抗在電子戰(zhàn)中的重大作用。

2.1 通過對數(shù)字信號進行處理可以實現(xiàn)更大范圍、更大概率的偵收效果

前邊已經(jīng)提到過電子戰(zhàn)偵察接收機具有空域和頻域寬的顯著特點。為了提高截獲信息的概率，電子偵察系統(tǒng)對瞬時監(jiān)視的頻域和空域范圍的寬帶的要求比較高，要盡可能的寬，2 GHz-18 GHz是我們重點關注的頻率范圍[4]。但是目前我國在這方面的研究還不夠深入，需要科技人員進行進一步研發(fā)，找到合適的寬帶范圍，對現(xiàn)有的寬帶范圍進行改進，從而進一步擴大接收信息的范圍和概率，從在增加在電子戰(zhàn)中獲勝的可能性。當然，這個改進過程是漫長的，是巨大的腦力勞動和體力勞動相結合的結果。

2.2 提高偵察系統(tǒng)靈敏度，實現(xiàn)微弱信號偵收

在電子戰(zhàn)的激烈爭奪中，寬帶的寬度與靈敏度適中是隊里的，靈敏度與寬帶的大小呈現(xiàn)負相關關系。為此我一般情況下，會先控制一個參數(shù)，然后對另一個參數(shù)加以控制，常用的控制辦法有兩個，一個是可以減少噪聲系數(shù)來達到目的，另一種則是降低識別系數(shù)。減少噪聲系數(shù)所能達到的效果是有限的，一般情況下我們主要采用提高靈敏度系數(shù)的辦法[5]。但是目前我們并沒有發(fā)現(xiàn)他們之間存在必然的聯(lián)系，還需要展開進一步的深入的探究來挖掘事物的本質(zhì)，只有深入的把握了他們之間的規(guī)律，才能更好的提高系統(tǒng)的靈敏度。我們不妨做一個這樣的假設，輸入信號帶寬小于單個子信道，他們在經(jīng)過數(shù)字信道化后，信號的功率會保持不變。數(shù)字信道化后得到的信號處理增益理論值為 M，但這是是理論上所能得到的。

2.3 擴展數(shù)字干擾機帶寬，實現(xiàn)寬帶雷達的全帶寬匹配干擾

如何通過數(shù)字信號進行處理，從而產(chǎn)生與全帶寬相互匹配的干擾信號，進而實現(xiàn)高效干擾的效果是當前困擾人們的難題[6]。對數(shù)字干擾機帶寬進行擴展，意味可以復制更大面積帶寬的雷達信號，從而避免對寬帶雷達就能夠進行理想寬帶雷達數(shù)字干擾波形產(chǎn)生的難點的欺騙干擾所困惑[7]。但是，在實際運行中，干擾得益還會受到儲頻帶寬與雷達信號帶寬之間大小的影響，更為甚者，一旦雷達干擾脈沖的寬度有所擴展，識破欺騙干擾是特別容易的。

總之，數(shù)字寬帶信號處理在當前的電子戰(zhàn)中存在著廣泛的應用，但是通過研究發(fā)現(xiàn)，當前我國寬帶數(shù)字信號處理技術與發(fā)達國家之間還存在著一定程度的差異，如若真的發(fā)生于發(fā)達國家之間的電子戰(zhàn)，我國勢必處于相對劣勢，為此，相關政府部門和各個科研機構要不斷的加大對寬帶信號處理技術的投入，促進該技術的研發(fā)，同時各大高校也要設置與社會需求相適應的專業(yè)課程[8]，為寬帶信號處理領域輸送一批批具有專業(yè)素質(zhì)的人才。最終要的是要加強對現(xiàn)有人才的專業(yè)化培訓，給予他們更多的學習機會，比如去國外與高技術人才交流或者是參加一些專業(yè)化的培訓，只有專業(yè)能力不斷的提升，我國在寬帶數(shù)字信號處理技術的水平才能夠提升一個檔次。

參考文獻：

[1]羅勇江. 寬帶數(shù)字偵察接收機若干關鍵技術研究及應用[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[2]甘建超,鄒菊紅.寬帶數(shù)字信號處理及其在電子戰(zhàn)中的應用[J].信息與電子工程,2010,(04):425-430.

[3]劉亮.OFDM超寬帶系統(tǒng)的低能耗、低復雜度數(shù)字信號處理及VLSI實現(xiàn)方法研究[D].上海:復旦大學,2010.

[4]姒強.一種基于中頻采樣的雷達數(shù)字波形產(chǎn)生方法研究[D].成都:電子科技大學,2003.

[5]曹健輝.基于軟件無線電的多通道寬帶數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2014.

[6]胥嘉佳. 電子偵察信號處理關鍵算法和欠采樣寬帶數(shù)字接收機研究[D].南京:南京航空航天大學,2010.

[7]胡應添,張遠見,黃伯寧,等.寬帶數(shù)字選頻射頻拉遠系統(tǒng)及其信號處理方法[P].廣東:CN101521893,2009-09-02.

[8]何志華,黃海風,何峰,等.一種超寬帶信號的數(shù)字正交解調(diào)實時處理方法[P].湖南:CN104301265A,2015-01-21.