漸進式流水線脈沖解交織技術(shù)研究

熊朝廷 黎 亮

（四川九洲電器集團有限責(zé)任公司，綿陽 621000）

無線電技術(shù)從誕生之日至今，已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，從日常生活中常用的手機通信、衛(wèi)星廣播到軍事運用的一次雷達、二次雷達、無線電通信導(dǎo)航等，應(yīng)用種類繁多、涉及領(lǐng)域頗廣。其中無論是哪一種應(yīng)用，都面臨著提高通信質(zhì)量、傳輸帶寬及傳輸效率等需求。根據(jù)這些需求，研究人員又研發(fā)出各種各樣的信息傳輸、信道傳輸、加解密、糾檢錯等技術(shù)，以滿足日益增長的用戶需求。由于這些技術(shù)需求所產(chǎn)生的無線電信號都必須在空間中傳播，因此由反射、折射所產(chǎn)生的多徑信號或多節(jié)點所產(chǎn)生的同步或異步干擾就必然存在；如果多徑信號或干擾信號在時間上能錯開，在信號解碼層級就能進行正確的解碼，僅需在數(shù)據(jù)處理層面采用一些手段進行剔除；反之如果多徑信號或干擾信號在時間上不能錯開，就會存在一定程度的交疊，形成較長的目標(biāo)脈沖串，對信號層級的解碼能力形成挑戰(zhàn)，這種信號就被稱為交織信號。交織信號在無線電技術(shù)中經(jīng)常出現(xiàn)，對于某種應(yīng)用或某個系統(tǒng)，解交織的能力直接影響系統(tǒng)的性能，值得進行深入研究。本文針對嚴重交織信號的解交織處理展開研究，包括脈壓后對消改進、增加對消峰值的修正處理，以及漸進流水線處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1 迭代處理設(shè)計

對于二次雷達系統(tǒng)，典型應(yīng)答信號由多種編碼不同、幅度相同的擴頻脈沖構(gòu)成。多目標(biāo)產(chǎn)生的應(yīng)答信號在空間進行合成，在應(yīng)答機接收端包含多個來自不同應(yīng)答機的應(yīng)答信號，這些信號具有不同的幅度、時延和初始相位。對于密集應(yīng)答目標(biāo)，各應(yīng)答信號的脈沖波形普遍存在不同程度的交疊（交織），從而形成一個復(fù)雜的組合信號。

二次雷達系統(tǒng)中詢問端對應(yīng)答端發(fā)出的應(yīng)答信號進行處理，一般的處理方式選擇了無信號交織的高斯噪聲背景理想條件下的最優(yōu)檢測方式。因此，在多目標(biāo)條件下，交織信號已經(jīng)偏離了傳統(tǒng)處理的假設(shè)條件，使傳統(tǒng)處理性能受到嚴重影響。

為了使對消能夠達到盡可能抑制旁瓣干擾的效果，采用基于CLEAN 算法且由迭代處理構(gòu)成的解交織處理方法，每次迭代包含對脈沖的檢測、對消和修正。每個檢測單元上的脈沖壓縮能夠在相鄰距離單元脈沖檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上進行反復(fù)優(yōu)化，其基本處理流程如圖1 所示。

圖1 基于對消的解交織算法流程

圖1 中，匹配濾波使用了多種脈壓波形作為參考，對每種脈沖分別進行脈壓處理；經(jīng)過脈沖壓縮后，脈沖檢測對其中超過檢測門限的脈壓峰值進行判斷并輸出；檢測結(jié)果同時作為先決條件并利用各參考脈壓波形重構(gòu)自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)旁瓣干擾信號；匹配濾波結(jié)果隨即使用重構(gòu)信號進行旁瓣對消，并將對消后的結(jié)果重新進行脈沖檢測，從而在減少旁瓣干擾的條件下提高已經(jīng)檢測到的脈沖精度，以及對之前被旁瓣遮蔽的脈沖峰值的檢測精度。

基于CLEAN 算法中對消處理對識別信號具有較強的適用性，該處理是根據(jù)估計的相關(guān)峰值用參考信號合成一個信號，用于盡可能抵消原始數(shù)據(jù)中與該相關(guān)峰對應(yīng)的信號分量，從而在再次的匹配濾波和峰值檢測中抑制該信號對其他峰值檢測產(chǎn)生的影響。

2 脈壓后對消處理算法

脈壓后對消處理的目的與現(xiàn)有對消相同，其優(yōu)勢在于可以在處理流程的循環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)省脈沖壓縮步驟，從而減少系統(tǒng)計算開銷，提高處理速度。

將脈沖信號s=[s0,s1,…,sN]H表示為一個采樣點數(shù)為N 的波形，實際接收信號經(jīng)過匹配濾波后可以表示為：

式中，n 表示接收機噪聲；ai是該接收信號中第i 個脈沖對應(yīng)的復(fù)幅度；ti是該脈沖的時延；s[ti]表示延時為ti條件下的脈沖波形； 為N 元帶圓圈乘運算。原始CLEAN 對消算法針對第i 個脈沖的脈壓前對消再進行匹配濾波的過程，可以用公式表示為：

用仿真生成某個包含18 個時延相近的應(yīng)答信號的接收信號片段，通過對比可知解交織處理的性能和效果。其中每個應(yīng)答信號由兩個間隔固定、編碼不同的脈沖組成，因此脈沖檢測包含兩組結(jié)果。傳統(tǒng)處理的匹配濾波對兩種脈沖的處理結(jié)果和在此基礎(chǔ)上達到的脈沖檢測效果如圖2 所示。其中，黑點表示真實脈沖對應(yīng)的時延和幅度，紅線表示基于平均能量的檢測門限，紅圈表示檢測到的脈沖。

從匹配濾波輸出可見，脈沖壓縮產(chǎn)生的峰值和旁瓣抬高了檢測門限，導(dǎo)致在較強信號附近的脈壓峰值檢測存在困難。

從脈沖檢測結(jié)果可見，交織引起了明顯的脈沖漏檢測，脈沖1 漏檢11 個，約占60%；脈沖2 漏檢5 個，約占28%，檢測到的脈沖通過組合能夠得到的完整應(yīng)答信號只有6 個。

圖2 常規(guī)處理結(jié)果

結(jié)合CLEAN 算法的解交織處理結(jié)果如圖3 所示。從仿真結(jié)果可見，解交織處理明顯改善了應(yīng)答信號片段中兩種脈沖壓縮的旁瓣影響，使大量小幅度的脈壓峰值也能超過檢測門限，從而達到較好的脈沖檢測效果。仿真結(jié)果表明，解交織處理具有明顯提高信號脈沖檢測性能的作用。

圖3 解交織處理結(jié)果

3 基于最小二乘法的峰值修正方法

峰值矢量修正是利用了最小二乘法原理，對多個峰值進行進一步幅度和相位的校準(zhǔn)，以滿足后續(xù)測角處理對脈沖參數(shù)精度的要求。峰值適量修正處于解交織處理流程中對消環(huán)節(jié)，如圖4 所示。

圖4 峰值修正處理與整體流程的關(guān)系

將接收信號表示成矩陣形式為：

式中，M 為該接收信號片段中包含的脈沖數(shù)量。當(dāng)獲得了該接收信號片段中各脈沖時延估計后，用代替上式[s[ti],s[t2],…,s[tM]]中的ti，并表示為，則上述方程可以近似為：

因此對于含有M 個脈沖相關(guān)峰片段的修正處理，需要進行一個M階矩陣求逆運算。

以M=2 為例，仿真對某信號經(jīng)過匹配濾波檢測到了兩個峰值，然后利用對這兩個峰值的時延估計進行修正處理，如圖5 所示。

圖5 峰值矢量修正效果

從仿真結(jié)果可知，經(jīng)過修正后，匹配濾波峰值上的誤差減小，與真實幅度接近，表明了修正處理的有效性。

4 漸進流水線處理結(jié)構(gòu)設(shè)計

本技術(shù)研究采用流水線結(jié)構(gòu)替代解交織算法中的整體迭代處理，一種對3 次迭代的流水線設(shè)計如圖6 所示。

從圖6 可以看出，沿著脈壓輸出時間序列上設(shè)計4 個并行處理指針并參考波形寬度等間隔分布。其中，每個處理指針對所在的脈壓序列單元進行相關(guān)峰檢測和旁瓣對消，并同步逐個推進采樣單元。處理指針1 所在的脈壓序列單元與處理指針0 進行旁瓣對消的作用范圍相鄰，因此處理指針1 總是對處理指針0 進行了旁瓣對消后的結(jié)果進行檢測，從而可以補充弱相關(guān)峰的檢測精度或改善強相關(guān)峰的參數(shù)估計精度。處理指針2 和處理指針3 的原理與之相同，于是每個脈壓序列會經(jīng)歷3 次對消和4 次檢測，以使其能夠達到與3 次整體迭代處理相近的效果?；跐u進峰值修正處理的流程如圖7 所示。

圖6 流水線處理示意圖

圖7 漸進峰值修正處理流程圖

圖8 峰值矢量修正效果

以M=2 為例，仿真對某信號經(jīng)過含有漸進峰值修正的對消處理結(jié)果如圖8 所示。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過處理后，對脈沖相關(guān)峰峰值的估計結(jié)果與真實幅度接近，表明了修正處理的有效性。

5 結(jié) 語

本文對嚴重交織信號的解交織處理展開了研究，包括脈壓后對消算法的改進、增加對消峰值修正處理算法，以及提出了漸進流水線處理結(jié)構(gòu)的技術(shù)。漸進流水線處理結(jié)構(gòu)技術(shù)采用的漸進峰值修正處理，將原有提高峰值估計精度的矢量修正處理移動到尋找峰值的循環(huán)中簡化進行，是一種利于算法工程實現(xiàn)的優(yōu)化措施。該設(shè)計可以將涉及復(fù)雜矩陣求逆運算的矢量修正處理過程轉(zhuǎn)化為迭代形式的簡單處理，從而達到減小系統(tǒng)設(shè)計難度的目的。但若要將該技術(shù)在工程上實現(xiàn)，還需要在現(xiàn)有技術(shù)水平上，細化仿真分析、歸納多種條件下的處理性能、優(yōu)化算法設(shè)計，同時還要考慮實裝設(shè)備對實時性的要求及硬件資源受限等限制條件。