加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)研究*

馬 宏，張 超，焦義文

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加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)研究*

馬 宏，張 超，焦義文

（中國(guó)人民解放軍航天工程大學(xué) 北京 101416）

針對(duì)傳統(tǒng)DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)要求系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)，限制了參數(shù)設(shè)置的靈活性的問題，將靈活高效的加權(quán)疊加（WOLA）結(jié)構(gòu)濾波器組引入動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)。通過(guò)公式推導(dǎo)得到WOLA綜合濾波器組的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)解除了系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制，增強(qiáng)了參數(shù)設(shè)置的靈活性，同時(shí)與DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)相比，重構(gòu)誤差減小了一個(gè)量級(jí)，具有良好的重構(gòu)特性。

動(dòng)態(tài)信道化；加權(quán)疊加（WOLA）結(jié)構(gòu)；靈活性；重構(gòu)誤差

引 言

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，信息權(quán)是雙方爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，通過(guò)信號(hào)偵察可以對(duì)空間內(nèi)存在的信號(hào)進(jìn)行接收和分析，獲取有價(jià)值的信息，為后續(xù)的決策提供情報(bào)支援[1]。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，空間電磁環(huán)境與通信環(huán)境日益復(fù)雜，主要表現(xiàn)為在接收時(shí)域、頻域和空域中存在高度密集的信號(hào)，接收帶寬越來(lái)越寬，信號(hào)的調(diào)制方式和參數(shù)復(fù)雜多變[2]，這些都給信號(hào)偵察帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)最早由李冰提出[3]，利用分析濾波器組將接收帶寬分為若干個(gè)信道，再根據(jù)能量檢測(cè)的結(jié)果動(dòng)態(tài)配置綜合濾波器組的輸入，進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化情況下的信號(hào)偵察，能夠滿足未來(lái)空間電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)偵察的需求。而后李冰又研究了基于非均勻?yàn)V波器組的動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)[4]，簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)信道化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了運(yùn)算效率。2016年國(guó)防科技大學(xué)胡君朋將信道化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的直接型和間接型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)綜合起來(lái)，提出了一種混合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)[5]。當(dāng)前所研究的動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)均是基于DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組[5]，該結(jié)構(gòu)能夠降低系統(tǒng)運(yùn)算量，但是要求系統(tǒng)的過(guò)采樣因子，即信道數(shù)與抽取倍數(shù)的比值為整數(shù)，限制了參數(shù)設(shè)置的靈活性。同時(shí)美國(guó)的JPL在2012年經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)指出[6]，當(dāng)系統(tǒng)的過(guò)采樣因子OS的取值范圍在1.2~1.5之間時(shí)，重構(gòu)性能最優(yōu)，因此DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)并不是最優(yōu)的選擇。

針對(duì)該問題，本文提出一種基于加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)，將高效靈活的加權(quán)疊加濾波器組引入動(dòng)態(tài)信道化設(shè)計(jì)中，在能夠動(dòng)態(tài)接收提取帶寬內(nèi)存在的信號(hào)的同時(shí)，解除了系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制，提高了系統(tǒng)的重構(gòu)性能。

1 動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)的核心是濾波器組。復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組是最原始的濾波器組[7]，目前應(yīng)用于動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)中的DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組是其高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，兩者特性相同，因此本節(jié)以復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組為例，討論動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)

首先，接收帶寬經(jīng)過(guò)分析濾波器組后被分割成若干個(gè)信道，其中包含的多個(gè)信號(hào)也隨之分散于各個(gè)信道中。需要注意的是，若信號(hào)帶寬大于信道帶寬或者信號(hào)處于兩個(gè)信道的交界處，則信號(hào)頻譜會(huì)被信道割裂，使得信號(hào)跨信道輸出，造成失真。然后利用能量檢測(cè)法對(duì)各個(gè)信道進(jìn)行檢測(cè)，判斷信號(hào)在各個(gè)信道內(nèi)的分布。最后根據(jù)能量檢測(cè)的結(jié)果，使存在信號(hào)的信道數(shù)據(jù)保持不變，其余信道全部置零，作為綜合濾波器組的輸入，進(jìn)行重構(gòu)，從而提取信號(hào)。當(dāng)接收帶寬內(nèi)信號(hào)的狀態(tài)及參數(shù)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，依據(jù)能量檢測(cè)的結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整綜合濾波器組的輸入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接收、提取。

2 加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組研究

WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組是一種高效靈活的濾波器組，能夠解除系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制[9]。文獻(xiàn)[9]對(duì)加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組的信道化過(guò)程進(jìn)行了分析，而對(duì)于利用加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)的過(guò)程并未展開研究。本節(jié)對(duì)加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)綜合濾波器組，推導(dǎo)出其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.1 加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)分析濾波器組實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

分析濾波器組的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行信道化處理，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)分析濾波器組的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WOLA分析濾波器組實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

其中，表示抽取倍數(shù)，表示信道數(shù)，表示原型濾波器長(zhǎng)度?？梢钥闯鯳OLA分析濾波器組的工作過(guò)程主要為數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)加權(quán)、疊接累加、循環(huán)移位和FFT運(yùn)算，最終將輸入信號(hào)劃分為多個(gè)信道，完成信道化處理。

2.2 加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)綜合濾波器組實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)信道化后的各個(gè)信道可以通過(guò)綜合濾波器組進(jìn)行合成，完成信號(hào)重構(gòu)。下面對(duì)WOLA結(jié)構(gòu)綜合濾波器組的工作過(guò)程進(jìn)行分析。圖1中的信號(hào)重構(gòu)過(guò)程可以用公式表示為

式中，

將式（5）代入式（3）中可得

根據(jù)上述推導(dǎo)過(guò)程可得到WOLA綜合濾波器組的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 WOLA綜合濾波器組實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)圖可以總結(jié)出WOLA綜合濾波器組的工作過(guò)程，具體步驟如下：

①IFFT運(yùn)算。對(duì)綜合濾波器組的輸入進(jìn)行點(diǎn)IFFT運(yùn)算。

③數(shù)據(jù)加權(quán)。首先將循環(huán)左移輸出的個(gè)樣點(diǎn)復(fù)制/份，將其存入初始狀態(tài)為零、長(zhǎng)度為的移位寄存器中，然后將移位寄存器中的個(gè)數(shù)據(jù)與濾波器()點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘。

④疊接相加。構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)度為、初始狀態(tài)為零的移位寄存器。在每個(gè)時(shí)刻將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加權(quán)后的點(diǎn)數(shù)據(jù)與移位寄存器中的點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相加，然后從移位寄存器的一端輸入長(zhǎng)度為的全零數(shù)據(jù)，與此同時(shí)從另一端輸出個(gè)數(shù)據(jù)，所有時(shí)刻輸出的采樣點(diǎn)連接在一起即為重構(gòu)信號(hào)。

根據(jù)以上分析可知，WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組解除了系統(tǒng)信道數(shù)與抽取倍數(shù)的比值，即過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制，使得參數(shù)設(shè)置更加靈活。同時(shí)利用濾波器系數(shù)的加權(quán)運(yùn)算替代了卷積運(yùn)算，提高了運(yùn)算效率。

3 加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化設(shè)計(jì)

由上節(jié)分析可知，WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組解除了系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制，是靈活高效的濾波器組。本節(jié)將WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組應(yīng)用到動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)中，設(shè)計(jì)了一種基于WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)

為了簡(jiǎn)化，圖中只畫出了一組WOLA結(jié)構(gòu)綜合濾波器組的結(jié)構(gòu)圖，另外的利用簡(jiǎn)略圖代替。

接收機(jī)接收到信號(hào)后送入WOLA分析濾波器組，通過(guò)分析濾波器組將接收帶寬分割成若干個(gè)子信道，接收帶寬內(nèi)包含的信號(hào)也隨之分散于各個(gè)信道。然后利用能量檢測(cè)法對(duì)各個(gè)信道進(jìn)行能量檢測(cè)，存在信號(hào)的信道標(biāo)記為“1”，不存在信號(hào)的信道標(biāo)記為“0”。根據(jù)能量檢測(cè)的結(jié)果，配置綜合濾波器組的輸入，當(dāng)要提取某個(gè)信號(hào)時(shí)，該信號(hào)所在信道的數(shù)據(jù)保持不變，輸入到綜合濾波器組對(duì)應(yīng)的信道，其他信道的輸入全部置零，完成信號(hào)重構(gòu)。當(dāng)接收帶寬內(nèi)信號(hào)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，根據(jù)能量檢測(cè)的結(jié)果動(dòng)態(tài)配置綜合濾波器組的輸入，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的動(dòng)態(tài)提取。

與傳統(tǒng)的DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)相比，本文提出的結(jié)構(gòu)解除了過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制，提高了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的靈活性。同時(shí)WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組利用濾波器系數(shù)的加權(quán)運(yùn)算替代了原有的卷積運(yùn)算，提高了運(yùn)算效率。

4 仿真驗(yàn)證

本節(jié)將利用測(cè)試信號(hào)對(duì)WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。采用單參數(shù)優(yōu)化法設(shè)計(jì)具有重構(gòu)特性的原型低通濾波器[10]，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

4.1 有效性驗(yàn)證

初始狀態(tài)接收帶寬內(nèi)包含了3個(gè)信號(hào)，信號(hào)的類型以及參數(shù)設(shè)置如表2所示。

狀態(tài)一輸入信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖如圖5所示。

表2 狀態(tài)一信號(hào)參數(shù)

圖5 狀態(tài)一輸入信號(hào)

由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置可知，狀態(tài)一的輸入信號(hào)被分析濾波器組劃分成了256個(gè)信道，信道編號(hào)為0~255。然后再利用單門限能量檢測(cè)法[11]對(duì)各個(gè)信道進(jìn)行能量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明了第8信道到12信道、第22信道到26信道、第44信道到76信道存在信號(hào)，與輸入信號(hào)參數(shù)相符。將存在信號(hào)的信道送入綜合濾波器組進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 狀態(tài)一動(dòng)態(tài)信道化結(jié)果

隨后接收帶寬內(nèi)的信號(hào)分布發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，此時(shí)接收帶寬內(nèi)信號(hào)的參數(shù)如表3所示。

表3 狀態(tài)二信號(hào)參數(shù)

狀態(tài)二中接收帶寬內(nèi)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖如圖7所示。

圖7 狀態(tài)二輸入信號(hào)

與狀態(tài)一相同，利用分析濾波器組將其劃分為256個(gè)信道，利用單門限能量檢測(cè)法測(cè)得包含信號(hào)的信道分別為第10信道到42信道、第66信道到82信道、第102信道到118信道，根據(jù)該結(jié)果配置綜合濾波器組輸入，完成信號(hào)重構(gòu)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 狀態(tài)二動(dòng)態(tài)信道化結(jié)果

由此可以看出，基于WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)能夠動(dòng)態(tài)提取出接收帶寬內(nèi)包含的信號(hào)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的有效性。

4.2 兩種結(jié)構(gòu)重構(gòu)誤差比較

利用基于DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)對(duì)狀態(tài)一和狀態(tài)二的信號(hào)進(jìn)行提取，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為信道數(shù)=256，抽取倍數(shù)=128，過(guò)采樣因子=2。將兩種結(jié)構(gòu)所提取的重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)的時(shí)域波形相減所得到的重構(gòu)誤差進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，本文提出的基于WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)的重構(gòu)誤差比基于DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)降低了一個(gè)量級(jí)，具有良好的重構(gòu)特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組的動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)，將加權(quán)疊加結(jié)構(gòu)濾波器組引入動(dòng)態(tài)信道化技術(shù)中，解除了系統(tǒng)過(guò)采樣因子必須為整數(shù)的限制。理論分析和仿真驗(yàn)證表明，WOLA結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)能夠動(dòng)態(tài)提取接收帶寬內(nèi)存在的信號(hào)，且系統(tǒng)重構(gòu)誤差與傳統(tǒng)DFT多相結(jié)構(gòu)濾波器組動(dòng)態(tài)信道化結(jié)構(gòu)相比降低了一個(gè)量級(jí)，具有良好的重構(gòu)特性。

圖9 重構(gòu)誤差比較

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Research on dynamic channelization structure based on WOLA filter bank

MA Hong, ZHANG Chao, JIAO Yiwen

（Space Engineering University of PLA, Beijing 101416, China）

Aiming at the problem that the dynamic channelization structure based on traditional DFT polyphase structure filter bank requires an integer oversampling factor, which limits the flexibility of parameter setting, a flexible and efficient Weighted Overlap-add (WOLA) filter bank is introduced into the dynamic channelization structure. The implementation structure of WOLA integrated filter bank is obtained through the formula deduction, and the dynamic channelization structure based on WOLA filter bank is designed.The simulation results show that the designed dynamic channelization structure releases the limitation of integer oversampling factor, which enhances the flexibility of parameter setting. Compared with the dynamic channelization structure based on DFT polyphase structure filter bank, the reconstruction error of the dynamic channelization structure based on WOLA filter bank decreases by an order of magnitude.

Dynamic channelization; WOLA structure;Flexibility;Reconstruction error

TN927

A

CN11-1780(2019)02-0069-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91738201）

2018-12-25

2019-02-21

馬 宏 1976年生，工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦咚贁?shù)字信號(hào)處理。

張 超 1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)轱w行器測(cè)控技術(shù)。

焦義文 1985年生，工學(xué)博士，講師，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。