復(fù)雜電磁環(huán)境下干擾識別技術(shù)研究*

劉云孫震

（中國船舶集團（武漢）凌久電子有限責(zé)任公司 武漢 430070）

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，生活中的無線通信設(shè)備也變得多種多樣，電磁環(huán)境也變得日趨復(fù)雜。為了提取電磁環(huán)境中的目標(biāo)信號，我們需要將目標(biāo)信號和干擾信號作區(qū)分，針對干擾信號的識別也將必不可少。

電磁環(huán)境的復(fù)雜主要體現(xiàn)在在特定的空間域中，在某個頻段范圍內(nèi)存在目標(biāo)信號、各種干擾信號以及各種噪聲信號，這些信號之間出現(xiàn)重疊，互相影響，如果不查找干擾并排除，會直接影響到電子設(shè)備能否穩(wěn)定運行［1］。在這種復(fù)雜環(huán)境下的干擾識別的難點在于信號是動態(tài)性的［2］，信號和干擾都在不斷變化，不能采用一層不變的識別技術(shù)來識別干擾，不同的干擾采用不同的分析方法，得到不同的干擾參數(shù)。

基于以上背景，本文通過對干擾識別技術(shù)的研究，借助DSP、FPGA等高性能計算平臺來保證信號處理的實時性，在真實電磁環(huán)境中對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，最終實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地識別電磁環(huán)境中常見的干擾類型，如：通信干擾、欺騙式干擾、高重頻干擾等，并通過計算輸出干擾強度，干擾帶寬、干擾中心頻率等干擾參數(shù)。

2 技術(shù)介紹

2.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)根據(jù)模式選擇輸入信號源（千兆網(wǎng)/萬兆網(wǎng)），接收到來自外部輸入的數(shù)據(jù)。如果是千兆網(wǎng)數(shù)字波束合成后數(shù)據(jù)則無需做通道校正和數(shù)字波束合成，如果是萬兆網(wǎng)20路原始數(shù)據(jù)，則必須完成通道校正和數(shù)字波束合成。將上述結(jié)果發(fā)送到信號處理模塊，由FPGA完成頻譜分析，由DSP完成干擾提取的預(yù)處理，包括干擾檢測等。結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊完成干擾類別分析，并進(jìn)行干擾統(tǒng)計和頻譜分析。數(shù)據(jù)處理將結(jié)果發(fā)送到終端顯示完成信息上報和結(jié)果顯示等。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括通道校正、數(shù)字波束合成、頻譜分析等功能，主要在FPGA中完成。如圖2所示，頻譜分析模塊接收到原始20路基帶IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過通道校正和數(shù)字波束合成，合成60個方位指向的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行FFT頻譜分析。頻譜分析結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理進(jìn)行融合，并按照方位進(jìn)行顯示。這里需要根據(jù)天線尺寸等信息，生成DBF系數(shù)。

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 數(shù)字波束合成

波束形成有模擬網(wǎng)路合成和數(shù)字波束形成兩種。模擬網(wǎng)路合成是根據(jù)要求的波束指向設(shè)計多個加權(quán)網(wǎng)路形成多個特定指向的波束［3］。數(shù)字應(yīng)波束形成就是采集陣列天線接收信號，通過相位加權(quán)形成特定指向的空間波束，使主瓣對準(zhǔn)期望的指向。波束形成的實質(zhì)是一種空間濾波技術(shù)。波束形成的物理基礎(chǔ)是：每個角度上的目標(biāo)回波信號到達(dá)天線陣列上各個陣元的路程不一樣，從而造成各個天線陣元上收到的目標(biāo)回波信號的相位不一致，可以通過相位加權(quán)使期望的指向信號加強，其他指向信號削弱［4～5］。數(shù)字波束形成就是通過數(shù)字的方法實現(xiàn)相位加權(quán)得到期望的波束形狀，將期望指向上的目標(biāo)回波信號加強輸出，而將其他指向上的雜波信號濾掉，其加權(quán)系數(shù)可根據(jù)要求的波束指向事先計算好存儲在數(shù)字系統(tǒng)中［6］。數(shù)字波束形成采用FIR濾波器結(jié)構(gòu)在光纖DBF板實現(xiàn)，計算公式如式（1）所示：

式中wik為波束指向為θi時的權(quán)重系數(shù)，xk為天線陣元的回波信號，N為天線陣元數(shù)目。數(shù)字波束形成算法框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字波束合成

2.2.2 頻譜分析

在實際的測量過程中，我們需要了解的往往只是信號中某一段的頻率，只要對這一頻段的信號進(jìn)行分析即可。基于復(fù)調(diào)制的Zoom-FFT算法可以實現(xiàn)在較窄的頻段內(nèi)擁有較高的分辨率，這種折中的方法在特定領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用［7］。

Zoom-FFT（又稱游標(biāo)FFT）的基本原理是，先對時間上連續(xù)但不重疊的等長度分段信號采樣序列進(jìn)行FFT，得到第一批分段粗FFT譜，然后在分段粗FFT譜中感興趣的粗頻點上對這些分段FFT的粗頻點所構(gòu)成的新序列（稱為時域二次采樣）進(jìn)行第二批次FFT處理，從而得到粗頻點處的FFT細(xì)節(jié)譜［8］。Zoom-FFT在不增大FFT點數(shù)N的情況下降低了采樣頻率，提高了在細(xì)化頻譜分析中有很重要的作用［9］，可以通過此算法得到欲觀測的頻段局部頻譜特性。對于計算量小的情況來說，Zoom-FFT是一個行之有效的解決局部頻段分析的方法。

2.2.3 Zoom-FFT算法的設(shè)計和實現(xiàn)

對于低通數(shù)字濾波，我們可以知道此時濾波器的輸入為

式中：

在對原采樣點每隔D點再抽樣一次，采樣的時間間隔為DΔt，我們有次可以得到時域信號的表達(dá)式為g（m）-y（Dm），由此我們可以得到新的公式：

經(jīng)過DFT公式我們可以得到g（m）的頻譜函數(shù)如下：當(dāng)k=0，1，2，…N/2-1時：

當(dāng)k=N/2，…N-1時：

將上述譜線移到實際頻率處即得到細(xì)化后的頻段，則

當(dāng)k=L0，L0+1…L0+N/2-1時：

當(dāng)k=L0-N/2，…L0-1時：

結(jié)合前面的論證，根據(jù)以前的實驗我們對Zoom-FFT進(jìn)行簡單的仿真，以便我們真正地了解其特性。

通過函數(shù)信號發(fā)生器加頻率為55000Hz、幅值為1V和頻率為55030Hz、幅值為0.7V的實際信號，得到的頻譜如圖4所示。

圖4 Zoom-FFT頻譜圖

通過實驗得出，未經(jīng)過Zoom-FFT的信號，兩個很接近的頻率疊加到了一起，而經(jīng)過Zoom-FFT后的頻譜在分辨率內(nèi)可以分別。通過分析可得出Zoom-FFT得到的信號頻率比直接FFT得到的頻率更真實，分辨率高、誤差小、穩(wěn)定性好。

2.3 干擾分析

2.3.1 恒虛警檢測

恒虛警處理通過環(huán)境估值，對每個距離單元進(jìn)行歸一化處理，調(diào)節(jié)虛警。每個接收波束的MTD輸出均進(jìn)行恒虛警估值［10～11］。這些估值計算忽略中間最大檢測單元和此單元前后的2個相鄰單元。

算法如下公式：

其中：“video(j)”為距離單元j的對數(shù)編碼信號。

對于Np+Nq個距離單元，在探測距離起始端，僅計算μ右和偏置，計算偏置是為了考慮估值的偏差。

對于Np+Nq個距離單元，在探測距離結(jié)束端，僅計算μ左和偏置，計算偏置是為了考慮估值的偏差。

當(dāng)兩個估值器都存在時：

——μs（短CAFR）=Max（μ左，μ右），此時Np=16，Nq=2；

——μl（長CAFR）=μ左，此時Np=128，Nq=2。

μs用于抑制雜波邊沿的虛警，μl用于防止信號檢測在均勻環(huán)境時靈敏度降低。

使用μc對信號進(jìn)行歸一化：

——μc=μs，如果|μs-μl|＞S1；

——μc=μl，如果|μs-μl|≤S1；

其中，S1是這樣確定的，在熱噪聲環(huán)境，μc選擇μs而不選μl的概率?。o雜波區(qū)選擇μl，雜波區(qū)選擇μs）。

恒虛警檢測的功能是把每個歸一化單元的數(shù)值μc與計算的門限相比較，形成過門限信息，完成信號的檢測。計算的門限是為獲得與選擇估值器類型無關(guān)的虛警概率［12］。

2.3.2 干擾識別

數(shù)據(jù)處理的干擾識別模塊完成各種干擾類別分析，需要輸入有時域數(shù)據(jù)、頻譜分析數(shù)據(jù)、方位統(tǒng)計頻譜分析數(shù)據(jù)、航跡信息等。部分干擾識別的邏輯框圖如圖5所示。

圖5 干擾識別軟件邏輯框圖

3 干擾識別能力測試

系統(tǒng)測試輸入數(shù)據(jù)由萬兆網(wǎng)口輸入，最大輸入數(shù)據(jù)率不小于2.4Gbps，頻譜分析的輸出數(shù)據(jù)率不少于40次/秒?？梢蕴崛⌒盘栔懈稍氡却笥?2.8dB的干擾，干擾信息分析內(nèi)容包括中心頻率、干擾帶寬、干擾強度、脈寬等，具體干擾類型以及干擾信息如表1所示。

表1 干擾數(shù)據(jù)類型及參數(shù)

密集假目標(biāo)和欺騙式干擾的信號的特征類似于雷達(dá)回波，此時一般需要進(jìn)行頻率捷變或者變PRF可以區(qū)分干擾和回波［13］。如果是靜態(tài)數(shù)據(jù)，無法使用抗干擾手段，則必須人工輔助判斷欺騙式干擾和真實雷達(dá)目標(biāo)［14］。通信干擾這里主要識別廣播電臺的通信干擾［15］。大致功能如下：

1）識別干擾源的分類：通信干擾、干擾機干擾、雷達(dá)異步干擾及不明干擾；

2）雷達(dá)干擾源的屬性識別：寬帶噪聲干擾、窄帶噪聲干擾、高重頻干擾、梳妝譜干擾、連續(xù)波干擾、其他干擾；

3）識別出欺騙式干擾。

對于干擾類型的識別，每種干擾的識別準(zhǔn)確率都85%以上，經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的測試，每種干擾的識別準(zhǔn)確率統(tǒng)計均值如圖6所示。

圖6 干擾識別準(zhǔn)確率統(tǒng)計

終端頻譜分析界面如圖7所示。

圖7 干擾分析終端界面

圖中“A區(qū)”為干擾列表，“B區(qū)”為瞬時干擾頻譜，“C區(qū)”為單個頻點數(shù)據(jù)的長時間基線頻譜統(tǒng)計，“D區(qū)”為瞬時頻譜干擾數(shù)據(jù)顯示，“E區(qū)”為單步調(diào)試。

4 結(jié)語

本文通過對干擾識別技術(shù)的研究，設(shè)計了電磁感知驗證系統(tǒng)頻譜分析設(shè)備，實現(xiàn)了在復(fù)雜電磁環(huán)境中的干擾識別。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)測試和實踐驗證表明，該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地識別出電磁環(huán)境中的常見干擾，并能準(zhǔn)確地給出干擾參數(shù)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對復(fù)雜電磁環(huán)境中干擾信號的高效感知，從而為進(jìn)一步排除干擾提供了極大的支持，為電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作提供了良好的基礎(chǔ)。