基于信道跟蹤的LFM信號檢測方法研究

張生鳳，鐘 文，李宏圓

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

線性調(diào)頻(LFM)信號是一種頻率隨時間做線性變化的非平穩(wěn)信號，具有顯著的寬帶特性。作為使用最早也最常見的脈壓信號，LFM信號能夠使雷達系統(tǒng)取得寬的時寬和帶寬，解決作用距離和距離分辨率之間的矛盾，并且能夠?qū)鹘y(tǒng)的接收機檢測帶來困難，目前被廣泛應(yīng)用于雷達、電子對抗等領(lǐng)域[1-2]。因此，現(xiàn)代數(shù)字接收機對于線性調(diào)頻信號的研究非常有意義。

考慮到LFM信號的寬帶特性，寬帶接收機在其研究方面具有一定的優(yōu)勢。電子戰(zhàn)專家Tusi J曾將常用的寬帶接收機結(jié)構(gòu)分為2種：采用多模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)并行采集結(jié)構(gòu)和信道化結(jié)構(gòu)[3-4]。其中，信道化接收機具有寬輸入帶寬、高頻率分辨率、大動態(tài)范圍和多信號并行處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)偵察頻帶內(nèi)信號的全概率截獲，常應(yīng)用于寬帶偵察和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中[5]。然而，由于偵察接收機通常接收到的都是非合作信號，信號頻率、帶寬等參數(shù)，無法預(yù)先獲知；因此，檢測信號的帶寬很可能大于預(yù)先劃分的單個信道帶寬，檢測方法不當可能造成寬帶信號的檢測分裂，形成跨信道問題，進而導(dǎo)致接收機對檢測的信號數(shù)量和相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生誤判，影響到后續(xù)信號處理的準確程度[6]。

如何在信號檢測時有效處理可能出現(xiàn)的跨信道問題，是研究信道化接收機的一個難點。目前較為常見的有兩大類方法：第1類是進行多次信道劃分[7-8]，通過多級處理，使相應(yīng)帶寬的LFM信號最終在一個信道內(nèi)輸出，如重濾波法、兩級信道化法。這類方法旨在實現(xiàn)濾波器或信道化結(jié)構(gòu)的復(fù)用，能夠在一定程度上減少硬件所需的開銷，但該類方法并不能真正解決跨信道問題，而是減小了LFM在檢測時出現(xiàn)跨信道的概率；第2類是從信號重構(gòu)的角度出發(fā)[9]，在多信道輸出的基礎(chǔ)上通過特定方法恢復(fù)出原始信號，如頻域拼接法、綜合濾波器法。該類方法能夠較好地解決跨信道問題，但是增加了計算量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，在應(yīng)用中難以實現(xiàn)。

為解決上述問題，本文提出了一種基于信道跟蹤的LFM信號檢測方法。該方法通過對比相鄰信道輸出信號的幅度和頻率，設(shè)定合理的信道跟蹤判據(jù)，能夠較好地解決跨信道信號的檢測問題，避免LFM信號相關(guān)參數(shù)的誤測。

1 相關(guān)模型及問題描述

1.1 數(shù)字信道化模型

信道化接收機將接收頻段劃分為若干個相鄰信道，不同頻率的信號經(jīng)過接收機處理后會在頻域上分開，根據(jù)各自頻率在不同的信道輸出。實現(xiàn)信道化接收機的方法有很多，基于多相濾波器的數(shù)字信道化接收機是目前普遍采用的方案。下面，首先結(jié)合圖例對信道化的一般結(jié)構(gòu)進行簡要說明。

數(shù)字信道化可看作對采樣后的信號首先進行下變頻處理，再分別進行抽取和濾波，最后輸出若干路低速率子信號的過程，如圖1所示。

圖1 數(shù)字信道化接收機的一般結(jié)構(gòu)

圖1所示信道化的結(jié)構(gòu)把接收頻帶均勻劃分為D個子頻帶，信號檢測需要避免造成信號頻譜的混疊，則需要對輸出的數(shù)據(jù)進行D倍抽取。為了簡化實現(xiàn)過程，將圖1中每路處理用多相濾波結(jié)構(gòu)表示并進行綜合，從而可得到如圖2所示的更為高效的結(jié)構(gòu)。

圖2 基于多相濾波器組的數(shù)字信道化接收機結(jié)構(gòu)

圖2中，hp(m)表示原型濾波器的多相分量，p=0,1,…,D-1。

1.2 信道化接收機跨信道問題

信道化接收機在檢測某個LFM信號時，可能會在相鄰幾個信道中同時輸出該信號的不同頻率分量。如圖3所示，虛線表示虛擬信道，實線表示實際檢測到的大帶寬信號。信號A在信道1和信道2內(nèi)出現(xiàn)，跨度為2個信道；信號B在信道5～8內(nèi)出現(xiàn)，跨度為4個信道。若信號檢測方法處理不當，則以上2個寬帶信號可能會被檢測為多個窄信號。

圖3 大帶寬信號跨信道問題圖例

2 LFM信號的跨信道處理方法

由于LFM信號的寬帶特性，LFM信號的能量可能會隨著時間的變化分裂在幾個連續(xù)的信道內(nèi)。此外，若采用非臨界信道化設(shè)計，接收機的信道之間會有部分重疊的區(qū)域，這種情況可能導(dǎo)致某一信號在相鄰的2個信道內(nèi)同時出現(xiàn)，這無疑增加了信號檢測的難度。若不針對大帶寬、跨信道信號的處理，對于子帶寬大于信道帶寬的LFM信號則可能獲得它的多個分裂的片段。綜合目前相關(guān)研究，以下針對跨信道問題列舉現(xiàn)有幾類典型的處理方法[10]，并結(jié)合信道跟蹤的判據(jù)，提出信道跟蹤的檢測方法。

2.1 幾類典型的處理方法

(1) 兩級信道化法

該方法是先對輸入信號進行信道較寬的分析濾波，在確定待檢測信號所處的大概信道位置后，再對有信號的信道進一步進行多相濾波和信道化處理。由于第1級濾波器的信道較寬，因而會大大減小信號跨信道的概率。故2級信道化實際并沒有解決信號跨信道的問題，只是從某種程度上減小了信號跨信道的概率。

(2) 重濾波法

重濾波法是指當相鄰信道檢測到有跨信道寬帶信號存在時，減小信號的抽取數(shù)和信道數(shù)，增加原型濾波器的通帶和截止頻率，然后對原始數(shù)據(jù)進行再次濾波檢測。該方法本質(zhì)上是對初始信道化的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，通過增加信道帶寬將跨信道信號合并至一個信道內(nèi)。雖然通過重構(gòu)能夠在一定程度上減小跨信道信號的概率，但是改變抽取率和濾波器的參數(shù)較為困難，而且該算法需要重新設(shè)計多相濾波器結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中很難通過硬件實現(xiàn)。

(3) 頻域拼接法

頻域拼接主要針對各濾波器通帶重疊的情況，通過拼接各信道一定帶寬內(nèi)的信號頻譜得到原信號。然而，各個信道內(nèi)頻譜在信道化后會發(fā)生一定程度的變化，且信號帶寬邊緣對相位信息破壞很大，尤其是對相位編碼信號，極有可能無法通過拼接恢復(fù)出原接收信號。

(4) 綜合濾波器法

綜合濾波器法把多相濾波器組視為分析濾波器組，再通過設(shè)計適合的綜合濾波器組，把原信號恢復(fù)出來。如圖4所示，圖中M為信號抽取的倍數(shù)，L為寬帶信號跨越的信道數(shù)，hk(n)為分析濾波器組，gk(n)為綜合濾波器組。完全重構(gòu)x(n)信號則需要系統(tǒng)滿足x′(n)=x(n),0≤ω≤π/M。

圖4 綜合濾波器法基本結(jié)構(gòu)

理想狀態(tài)下，如果輸入信號帶寬發(fā)生變化，僅需要改變M和L的數(shù)值，更新gk(n)就能實現(xiàn)動態(tài)濾波。

上述4類方法都需要對既定的信道化結(jié)構(gòu)做出不同程度上的改變，主要執(zhí)行策略還是集中于信道的多次劃分、合并，將跨信道的大帶寬信號通過適當?shù)奶幚矸椒ê喜⒌酵恍诺纼?nèi)完成檢測。雖然有些算法在應(yīng)用中可實現(xiàn)，但是還需要增加巨大的硬件開銷，這些硬件開銷在復(fù)雜的寬帶接收系統(tǒng)中往往是不可接受的。

2.2 信道跟蹤的檢測方法

信道跟蹤的主要思想是對檢測到可能存在信號的信道進行參數(shù)檢測，再比較相鄰信道的對應(yīng)參數(shù)，判定信號是否處于信道切換的邊界。若主要參數(shù)滿足切換條件，則需要將相鄰信道內(nèi)的信號合并在同一個脈沖包絡(luò)下，保證該信號不會被檢測為多個斷裂信號。

(1)

(2)

(3)

式(1)、式(2)分別保證了信號的頻率在信道邊界，α為信道邊沿頻率檢測容差，F(xiàn)p和Fp+1分別表示p和p+1信道的邊界頻率(上界或下界)。式(3)則保證了相鄰信道內(nèi)檢測頻率的連續(xù)性，F(xiàn)th為相應(yīng)的頻率容差。

如果n時刻和n+1時刻2個相鄰子信道內(nèi)信號的幅度滿足以下條件，則說明相鄰信道內(nèi)信號滿足幅度的穩(wěn)定性條件：

(4)

當相鄰信道內(nèi)所檢測的信號同時滿足頻率的連續(xù)性和幅度的穩(wěn)定性條件時，則認為它們是同一個脈沖的分裂輸出，這時把它們合并在同一個脈沖包絡(luò)下，形成同一個脈沖描述字送往后端分析。需要注意的是，這里Fth和Ath均是容差參數(shù)，其中Fth與SNR和調(diào)頻斜率都有關(guān)。根據(jù)實際應(yīng)用場景，設(shè)定2個容差參數(shù)相應(yīng)的數(shù)值。信道跟蹤的具體執(zhí)行流程圖5所示。

圖5 信道跟蹤執(zhí)行流程

3 仿真分析

通過仿真分析，對本文提出的信道跟蹤方法進行驗證。仿真由兩部分組成，首先固定相關(guān)參數(shù)設(shè)置，通過對比相鄰信道的頻域結(jié)果驗證算法的有效性；其次通過改變信噪比，驗證了不同的信噪比條件對信道跟蹤結(jié)果的影響。仿真基于Matlab2014a平臺。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 有效性驗證

設(shè)置信號信噪比為6 dB，調(diào)頻起始頻率為1.78 GHz，帶寬為50 MHz，采樣頻率為1 GHz，頻域劃分為32個信道。由上述參數(shù)可以獲得信號時域、頻域以及信道化后各信道的輸出圖形(篇幅問題，信道化結(jié)果只展示1～8信道)，頻域圖形僅截取了對稱的，如圖6所示。

圖6 信號經(jīng)過采樣后時域和頻域圖形

由圖7可以看出，調(diào)頻信號在7信道和8信道內(nèi)均有輸出，且在信道之間存在交疊。

圖7 信道化處理后信道1～8輸出

圖8顯示了信道7和信道8的交疊輸出，仿真數(shù)據(jù)顯示2個信道交疊區(qū)域信號幅度相差不大。依據(jù)圖例可以看出，若在信號檢測過程中采用相鄰信道信號幅度跟蹤來進行信道切換的跟蹤是切實可行的。

圖8 信道化處理后信道7、8交疊輸出

3.2 信噪比對于信道跟蹤的影響

實際信號檢測過程中，SNR對于信號的檢測有著重要影響。設(shè)定信號的相關(guān)參數(shù)與上述保持一致，但SNR分別取-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB。通過仿真，對信道化處理后的交疊信道進行參數(shù)對比。

如圖9所示，其中的(a)～(d)分別對應(yīng)了SNR為-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB的情況。從圖中可以明顯看出，隨著SNR的增大，信道交疊處的信號檢測可以獲得更為精確的數(shù)據(jù)。由此可以得出，隨著SNR的變化，對Fth和Ath這2個容差參數(shù)的設(shè)定將會影響信道跟蹤的結(jié)果。若SNR較大，此時信號檢測相對準確，F(xiàn)th和Ath的取值不宜過大。而SNR較小時，為保證跨信道LFM信號檢測的準確性，F(xiàn)th和Ath的取值可以適當放寬。當然，在SNR很小的時候，放寬Fth和Ath的取值已經(jīng)沒有實際意義，因為信號檢測本身對于頻率和幅度的判定就已經(jīng)不準確。結(jié)合仿真結(jié)果可以得出，在檢測跨信道LFM信號時，頻率和幅度的容差參數(shù)可根據(jù)實際使用情況適當調(diào)節(jié)，以取得最佳的接收效果。

圖9 不同信噪比條件下信道7、8交疊輸出

4 結(jié)束語

本文以LFM信號的檢測為例，基于多相濾波的信道化結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種信道跟蹤的跨信道檢測方法。該方法以相鄰信道內(nèi)信號頻率的連續(xù)性和幅度的穩(wěn)定性為判據(jù)，通過其交叉對比完成信道間信號包絡(luò)的拼接，算法復(fù)雜度和資源需求均優(yōu)于已有的信道重構(gòu)等方法，在應(yīng)用中更易于實現(xiàn)。