大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)偵收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和處理流程

文/張文俊

電子戰(zhàn)是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)重要戰(zhàn)場(chǎng)，包括電子干擾，電子偵察，電子摧毀等作戰(zhàn)方式。

其中雷達(dá)信號(hào)偵察的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性作為其中重要的關(guān)鍵因素，直接影響電子干擾和電子的摧毀的效果，隨著現(xiàn)代雷達(dá)也高速發(fā)展，雷達(dá)的種類和體制類型也發(fā)生了巨大的變化，雷達(dá)信號(hào)從窄帶設(shè)計(jì)到寬帶設(shè)計(jì)，信號(hào)形式從固定頻率到線性調(diào)頻等寬帶信號(hào)。雷達(dá)的體制由機(jī)械掃描變?yōu)橄辔粧呙?，陣面形式從模擬陣面到數(shù)字陣面。如SAR等大帶寬信號(hào)廣泛用于雷達(dá)中，最大信號(hào)帶寬達(dá)到了2GHz或者更高?，F(xiàn)代電子偵察需要適應(yīng)雷達(dá)的變化情況，從而大帶寬的雷達(dá)信號(hào)偵察方法成為了雷達(dá)偵察的迫切需求，原有的窄帶電子偵察系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足需求。

1 電子偵察系統(tǒng)特點(diǎn)的變化

原有的電子偵察系統(tǒng)，一般瞬時(shí)帶寬設(shè)計(jì)采用模擬陣面，形成多個(gè)模擬接收波束，單次駐留的帶寬為幾百兆，模擬形成波束后一般采用信道化處理，參數(shù)測(cè)量得到常規(guī)的五大參數(shù)，射頻(RF) 、到達(dá)角( DOA) 、到達(dá)時(shí)間( TOA) 、脈沖寬度( PW) 和脈沖幅度( PA)，然后進(jìn)行預(yù)分選和分選得到輻射源信息。頻率采用掃描方式，對(duì)于單次的駐留，由于瞬時(shí)帶寬對(duì)于2G帶寬的信號(hào)存在接收不完整，造成信號(hào)難于完整分辨，通常只能采用預(yù)估和推算的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)合并，但是經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法完成合并情況，導(dǎo)致最終出現(xiàn)多個(gè)分段的分裂信號(hào)。信號(hào)分裂的原因，主要有以下兩個(gè)，一是接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬不夠，二是一次偵收駐留中由于采用了數(shù)字信道的處理，造成了信號(hào)的分裂。瞬時(shí)帶寬不夠的問(wèn)題可以通過(guò)提高瞬時(shí)帶寬來(lái)解決，但是由于器件的技術(shù)水平的限制，瞬時(shí)帶寬不能無(wú)限提高，而且瞬時(shí)帶寬太大會(huì)造成系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)下降的問(wèn)題。綜合考慮，瞬時(shí)帶寬不夠可以利用數(shù)字陣面的波束靈活的方式采用把一個(gè)大陣面分成多個(gè)子陣，每個(gè)子陣面同時(shí)獨(dú)立偵收，每個(gè)子陣面覆蓋的頻率范圍不同，這樣可以解決瞬時(shí)帶寬比信號(hào)帶寬小造成的信號(hào)分裂的問(wèn)題。數(shù)字信道化處理帶來(lái)的問(wèn)題，可以采用不使用數(shù)字信道化的方法，但是不使用數(shù)字信道化的方法就會(huì)使系統(tǒng)的靈敏度和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)下降，由于使用其他方法提升靈敏度會(huì)造成設(shè)備量太多且成本代價(jià)太高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)選用數(shù)字信道化的方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

對(duì)于大帶寬的問(wèn)題帶來(lái)的問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可采用多子陣同時(shí)覆蓋不同頻率范圍的方法。如一個(gè)2.9G帶寬的信號(hào)子陣劃分示意圖如圖1。

陣面分為5個(gè)子陣，F(xiàn)為射頻覆蓋的頻率覆蓋范圍中心頻率，瞬時(shí)帶寬為600M，子陣1覆蓋頻率為F-300到F+300，子陣2覆蓋頻率為F+280到F+880，子陣3覆蓋頻率為F+860到F+1460，子陣4覆蓋頻率為F+1440到F+2040，子陣5覆蓋頻率為F+2020到F+2620。這樣對(duì)于一個(gè)瞬時(shí)帶寬600M的陣面就可以完成一個(gè)瞬時(shí)2.9G帶寬的信號(hào)接收。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程為AD采樣后經(jīng)過(guò)數(shù)字波束形成后形成寬帶波束，然后進(jìn)行信道化處理，參數(shù)測(cè)量，子陣內(nèi)融合，子陣間融合，信號(hào)分選。流程圖如圖2。

2.1 大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)特點(diǎn)

線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)，具有低截獲高增益特點(diǎn)，且多普勒容限適應(yīng)范圍廣，是現(xiàn)代雷達(dá)最常用的信號(hào)形式，LFM信號(hào)也稱Chirp 信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖1：子陣頻率排布示意圖

圖2：系統(tǒng)處理流程圖

圖3：典型的chirp信號(hào)

式中fc為載波頻率，為矩形信號(hào)，

圖4：頻率信道化的多相濾波實(shí)現(xiàn)

圖5：LFM信號(hào)時(shí)域圖和頻域圖

圖6：信道化后仿真圖（信道1-4）

圖7：信道化后仿真圖（信道5-8）

圖8：信道化后仿真圖（信道9-12）

圖9：信道化后仿真圖（信道13-16）

圖10：信道化后前4個(gè)信道的瞬時(shí)頻率

圖11：信道2和3的瞬時(shí)頻率放大圖

這里所討論的大帶寬的信號(hào)的指的是原始信號(hào)的帶寬大于一個(gè)信道的帶寬的信號(hào)，這樣的寬帶信號(hào)做完信道化后每個(gè)子信道都有一段信號(hào)，每一段信號(hào)的帶寬稍大于一個(gè)信道的帶寬。

2.2 數(shù)字信道化實(shí)現(xiàn)

數(shù)字信道化采用多項(xiàng)濾波的方法，基于多相濾波的信道化接收機(jī)的主要原理是把頻帶均勻劃分成若干信道，將各個(gè)信道的頻譜搬移到零中頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器后再進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)、頻率等參數(shù)估計(jì)。通過(guò)信道化處理，原本的寬帶信號(hào)被劃分成多個(gè)信道，每個(gè)信道都是相對(duì)的窄帶信號(hào)，可以對(duì)每個(gè)信道的信號(hào)并行進(jìn)行包絡(luò)檢波和參數(shù)測(cè)量，這樣大大減少了信號(hào)處理平臺(tái)的吞吐壓力，使得寬帶信號(hào)處理成為可能。數(shù)字信道化由于寬帶噪聲能量平均分配到每個(gè)窄帶寬的信道中，同時(shí)信號(hào)能量為減少，這樣就可以提高信號(hào)的信噪比，可增加信號(hào)的靈敏度和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，且多項(xiàng)濾在工程實(shí)現(xiàn)上消耗資源小，易于實(shí)現(xiàn)，因此選用多項(xiàng)濾波的處理方法。

多相濾波信道化是一種利用相互鄰接的窄帶濾波器組實(shí)現(xiàn)多頻道精確頻率測(cè)量的濾波方法。多相濾波信道化通過(guò)一組覆蓋整個(gè)頻段的濾波器將頻段劃分為若干個(gè)子頻段（信道），每個(gè)濾波器的輸出就是一個(gè)信道輸出。示意圖見(jiàn)圖4。

圖12：信道交疊處瞬時(shí)頻率誤差

圖13：2個(gè)信道交疊部分瞬時(shí)頻率

圖14：2個(gè)信道交疊部分瞬時(shí)頻率（局部放大）

為消除信道間的偵收盲區(qū)，實(shí)際應(yīng)用信道化實(shí)現(xiàn)時(shí)，抽取倍數(shù)可設(shè)為2/D（D一般是2的冪次，2，4，8，16等），這樣經(jīng)過(guò)多相濾波方法的信道化處理，一個(gè)寬帶接收信號(hào)轉(zhuǎn)化成D個(gè)窄帶信號(hào)，每個(gè)信道的采樣帶寬為偵收帶寬的2/D倍，后續(xù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理就全部在窄帶上完成。

3 信號(hào)融合

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多子陣，每個(gè)子陣覆蓋不同的頻率范圍，如一個(gè)2G的信號(hào)，使用5個(gè)子陣每個(gè)子陣覆蓋500M，這樣2G的信號(hào)可以完全覆蓋，每個(gè)子陣交疊30M設(shè)計(jì)為濾波器的過(guò)渡帶。這樣2G的信號(hào)可以完成全覆蓋。但是必然會(huì)出現(xiàn)信號(hào)分裂，為了得到完整的信號(hào)需要進(jìn)行子陣內(nèi)融合和子陣間融合處理。

子陣內(nèi)融合處理主要把由于數(shù)字信道化的造成的信號(hào)分裂進(jìn)行融合。以一個(gè)帶寬430MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬400us，周期800us的信號(hào)，原始頻譜如圖5所示。

信道化分為16個(gè)信道，每個(gè)信道為30M，數(shù)字信道化后處理結(jié)果如圖6-圖9。

從仿真的結(jié)果看到，大帶寬的信號(hào)在每個(gè)信道都有一段，完整的信號(hào)被分段了。每個(gè)信道大約為30M帶寬，但是由于信號(hào)為大帶寬信號(hào)，在每個(gè)信道的都有，這時(shí)脈寬和頻率都已經(jīng)分裂了，無(wú)法得到完整脈寬和頻率信息，在此種情況下，如何準(zhǔn)確還原原有的信號(hào)的脈寬和頻率信息成為一個(gè)難點(diǎn)。

3.1 信號(hào)特性判斷方法

先對(duì)相鄰信道的瞬時(shí)頻率進(jìn)行分析，采用一個(gè)帶寬430MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬400us，周期800us的信號(hào)，做16個(gè)信道的信道化。圖10是信道化后前4個(gè)信道的瞬時(shí)頻率圖，圖11為2和3信道局部放大圖。

相鄰信道包絡(luò)交疊有500點(diǎn)，共10us，交疊處逐點(diǎn)頻率誤差仿真圖見(jiàn)圖12。

由仿真結(jié)果看出相鄰的信道包絡(luò)交疊處的流水值頻率，2個(gè)包絡(luò)交疊處的頻率變化趨勢(shì)相同，值也相近，誤差小于0.15MHz，信道交疊部分誤差小于0.1MHz。圖13和圖14為2個(gè)信道交疊部分瞬時(shí)測(cè)頻的仿真圖，圖13為全部500點(diǎn)交疊點(diǎn)的瞬時(shí)頻率，圖14為局部放大圖。

由圖中可以看出2個(gè)信道交疊部分的瞬時(shí)測(cè)頻誤差非常小，且變化趨勢(shì)相同。

可以使用以下準(zhǔn)則，滿足以下3個(gè)條件都認(rèn)為該信號(hào)為同一個(gè)信號(hào)。

（1）時(shí)域交疊；

（2）頻域交疊，相同TOA的瞬時(shí)頻率相近；

（3）頻率變化特性相同，符合相同的線性關(guān)系。

3.2 信號(hào)融合的實(shí)現(xiàn)

由于信道化濾波器的相鄰信道設(shè)計(jì)時(shí)采用5M的交疊，每個(gè)信道上的信號(hào)都有一部分其他信道的信號(hào)，在時(shí)域上有完全交疊的，采用分析時(shí)域交疊部分的頻率變化特性，如果相同且符合線性關(guān)系，則可以判斷為相同的信號(hào)。對(duì)判斷為相同的信號(hào)后再做脈寬和頻率等內(nèi)容的重組，形成完整的信號(hào)。

子陣內(nèi)由于信道多，脈沖多，采用逐點(diǎn)測(cè)頻的方法，先把信號(hào)包絡(luò)上的每一個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)頻率測(cè)出，結(jié)合每個(gè)脈沖的到達(dá)時(shí)間，形成到達(dá)時(shí)間和瞬時(shí)頻率二維表格，對(duì)具有時(shí)域交疊的脈沖進(jìn)行兩兩匹配，把到達(dá)時(shí)間和頻率進(jìn)行匹配，如果2個(gè)脈沖時(shí)域交疊部分，瞬時(shí)頻率能夠大致相等，變化趨勢(shì)也相同，頻率跳變點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間也相同。

為滿足50萬(wàn)脈沖流的指標(biāo)，脈沖每個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)頻率的測(cè)量和脈沖匹配需要超強(qiáng)的計(jì)算能力，經(jīng)過(guò)分析由于信號(hào)在信噪比大于12dB的情況下，測(cè)頻的方法可已采用相位差分的方法，此方法對(duì)信噪比大于12dB的信號(hào)測(cè)頻是接近于理想的卡拉美羅線，脈沖中所有點(diǎn)的瞬時(shí)頻率都可測(cè)得，下一步進(jìn)行交疊的脈沖的匹配，可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)，流程如下：

所有信道數(shù)據(jù)對(duì)齊同步，各個(gè)信道同步包絡(luò)檢測(cè)，同時(shí)流水測(cè)頻，同步寄存保持包絡(luò)內(nèi)的頻率和TOA，判斷相鄰信道內(nèi)包絡(luò)時(shí)域是否交疊，如交疊則比較交疊部分的相同TOA的頻率是否相同，如相同則2個(gè)信道內(nèi)的脈沖，是同一個(gè)信號(hào)，重新生成新的TOA和頻率，依次兩兩比較匹配結(jié)合，為了保證能夠能夠?qū)崿F(xiàn)流水設(shè)計(jì)，如果不使用流水設(shè)計(jì)，需要緩存所有的測(cè)頻和TOA數(shù)據(jù)，這樣硬件資源是無(wú)法承受的，這樣流水設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)2個(gè)匹配器，一個(gè)負(fù)責(zé)匹配頻率隨時(shí)間變大的信號(hào)，一個(gè)負(fù)責(zé)匹配匹配頻率隨時(shí)間變大的信號(hào)，這樣所花的資源是最小的，用能夠保持實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)完全流水的處理，匹配完成后統(tǒng)一進(jìn)行信號(hào)的重組，重新計(jì)算起始頻率，結(jié)束頻率，TOA，PW，PA，得到完整的脈沖，這時(shí)為了進(jìn)行子陣間脈沖融合，必須把脈沖包絡(luò)的起始和結(jié)束部分的頻率和TOA對(duì)應(yīng)表記錄下來(lái)，形成PDW字，送到CPU中緩存下來(lái)，再進(jìn)行子陣間處理。

3.3 匹配器設(shè)計(jì)

圖15：擬合后對(duì)比圖

圖16：擬合后對(duì)比圖（局部放大）

圖17：交疊處瞬時(shí)頻率特性

圖18：場(chǎng)景2交疊處擬合后對(duì)比圖

匹配器的設(shè)計(jì)方法為先找到信道化濾波器交疊的頻率點(diǎn)，由于信道化濾波器設(shè)計(jì)為有5M交疊，保留脈沖交疊處頻率交疊處正負(fù)2.5M的交疊的TOA和測(cè)頻數(shù)據(jù)，分別取出2個(gè)信道的交疊處的時(shí)域包絡(luò)，分別進(jìn)行頻率調(diào)制斜率和起始頻率的估計(jì)，由于最小二乘估計(jì)方法不需要數(shù)據(jù)的概率模型，計(jì)算簡(jiǎn)單，我們采用最小二乘法來(lái)估計(jì)這2個(gè)參數(shù)。由于此處測(cè)量的信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，瞬時(shí)頻率理論真值可表示為信道化后得到的是按照時(shí)間采樣的瞬時(shí)頻率序列。但是由于噪聲的存在，每個(gè)瞬時(shí)頻率的都有一個(gè)誤差ε，這樣單個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)測(cè)量值可表示為由于ε是一個(gè)零均值的隨機(jī)變量，真值和觀測(cè)值的絕對(duì)誤差為需要所有n個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)誤差在平方和最小，為最佳擬合，可用下式表示對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)存在著線性關(guān)系，符合最小乘的準(zhǔn)則，且有固定的計(jì)算解法。具體求解過(guò)程可，參考文獻(xiàn)[8,9]。

rnn（在不誤會(huì)時(shí)，rnn簡(jiǎn)記為r）反映了變量t和F之間的線性關(guān)系的親密程度，稱為相關(guān)系數(shù)，用下式定義

顯然|r|≤1,當(dāng)|r|=1時(shí)，稱為完全線性，當(dāng)|r|越接近1，線性相關(guān)越大。當(dāng)采樣點(diǎn)大于10個(gè)點(diǎn)時(shí)，|r|≥0.95時(shí)可以認(rèn)為線性度特別高，存在線性調(diào)頻信號(hào)。如果相鄰的信道的都存在線性調(diào)頻信號(hào)，采用信道1的擬合值去計(jì)算信道2瞬時(shí)頻率的相關(guān)系數(shù)r，如果|r|≥0.95時(shí)可以認(rèn)為2個(gè)信道是相關(guān)的且是線性相關(guān)，可以認(rèn)為這2個(gè)信道的分裂信號(hào)可以拼接成同一個(gè)信號(hào)。

場(chǎng)景1：采用430MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬400us，周期800us的信號(hào)仿真，對(duì)于1和2信道，擬合后和測(cè)量值對(duì)比見(jiàn)圖15和圖16，圖15是全局圖，圖16是局部放大圖。

計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)如下：

信道1的擬合相關(guān)系數(shù)r=0.9999

信道2的擬合相關(guān)系數(shù)r=0.9999

信道1擬合和信道2的瞬時(shí)測(cè)頻的結(jié)果r=0.9999。

信道2擬合和信道1的瞬時(shí)測(cè)頻的結(jié)果r=0.9999。

可以準(zhǔn)確判斷為同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行融合。

場(chǎng)景2:430MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬20us，周期800us的信號(hào)仿真，此信號(hào)的調(diào)頻斜率較大，1us變化21MHz，采用同樣的處理方法，和調(diào)頻斜率較小的場(chǎng)景1信號(hào)相比，只是交疊部分的采樣點(diǎn)較少，場(chǎng)景1交疊部分有500點(diǎn)，場(chǎng)景2只有15點(diǎn)，2個(gè)信道交疊處瞬時(shí)頻率特性見(jiàn)圖17。

由圖17可看出頻率變化趨勢(shì)相同，采用線性擬合的方法，分別計(jì)算1和2信道擬合值和相關(guān)系數(shù)，擬合后和測(cè)量值對(duì)比如圖18。

計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)如下:

信道1的擬合相關(guān)系數(shù)r=0.9937;

信道2的擬合相關(guān)系數(shù)r=0.997;

信道1擬合和信道2的瞬時(shí)測(cè)頻的結(jié)果r=0.997;

信道2擬合和信道1的瞬時(shí)測(cè)頻的結(jié)果r=0.9937。

通過(guò)場(chǎng)景1和2仿真可看出，該匹配器對(duì)于頻率調(diào)頻斜率較大的信號(hào)也具有較好的效果，具有準(zhǔn)確的分辨能力。

3.4 子陣間融合

子陣間融合采樣的方法和子陣內(nèi)相似，主要增加一步為子陣之間的頻率系統(tǒng)差的標(biāo)定，用于去除不同子陣模擬通道的頻率響應(yīng)不同帶來(lái)的系統(tǒng)差，去除子陣間系統(tǒng)差后處理方法同子陣內(nèi)融合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)的處理方法，從滿足系統(tǒng)要求的角度分析了需求和難點(diǎn)，分析了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和處理流程，詳細(xì)分析了采用多子陣和信道化流程帶來(lái)的信號(hào)分裂問(wèn)題，采用最小二乘的線性擬合匹配的方法實(shí)現(xiàn)分裂的大帶寬信號(hào)的融合和重組，并給出了流程中每個(gè)步驟所使用的方法，仿真了設(shè)計(jì)的結(jié)果。