一種射頻噪聲干擾信號(hào)品質(zhì)因素改進(jìn)方法

張家運(yùn)，李文海，孫偉超，王洪春

（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001）

雷達(dá)探測技術(shù)的不斷發(fā)展以及新體制、新技術(shù)的應(yīng)用，使雷達(dá)目標(biāo)檢測識(shí)別能力獲得了較大的提升，這對(duì)現(xiàn)階段的雷達(dá)干擾技術(shù)水平提出了新的挑戰(zhàn)。針對(duì)雷達(dá)干擾問題，傳統(tǒng)有源壓制性干擾通過主動(dòng)發(fā)射噪聲類和隨機(jī)脈沖等隨機(jī)信號(hào)，或主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)密集規(guī)則脈沖等確知信號(hào)等方法[1]，使被干擾雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波淹沒在噪聲背景中，致使目標(biāo)信號(hào)模糊不清或完全被遮蓋，從而降低被干擾雷達(dá)的目標(biāo)檢測或跟蹤精度。射頻噪聲干擾（RF Noise Jamming）作為1 種典型雷達(dá)有源壓制性干擾樣式，目前已被廣泛應(yīng)用。

射頻噪聲干擾的功率譜形狀和幅度分布同高斯白噪聲，并具有有源壓制性干擾的最佳干擾波形，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)干擾領(lǐng)域[2]。由于理論上射頻噪聲干擾信號(hào)的包絡(luò)電壓服從瑞利分布，這要求射頻放大鏈具有很大的線性動(dòng)態(tài)范圍[3]，目前采用的功率放大器件幾乎不能無失真地放大此干擾信號(hào)，因此，射頻噪聲干擾的信號(hào)分布都是非正態(tài)或接近正態(tài)的。針對(duì)以上問題，如何平衡干擾信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性與功率的矛盾，改善射頻噪聲干擾信號(hào)的品質(zhì)因素，已成為研究射頻噪聲干擾生成的重要課題。

目前，圍繞射頻噪聲干擾信號(hào)品質(zhì)因素的相關(guān)研究較少：文獻(xiàn)[4]采用硬限幅方法，直接改變?cè)肼曅盘?hào)的峰均比，提高了干擾機(jī)功率放大器的功效，但直接限幅會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性發(fā)生改變，影響干擾作用效果；文獻(xiàn)[5]在硬限幅的基礎(chǔ)上，討論了軟限幅的方法，對(duì)信號(hào)的實(shí)部、虛部分別進(jìn)行非線性變換處理，但這樣會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)頻譜發(fā)生畸變；文獻(xiàn)[6]分析了射頻噪聲干擾的作用效果，給出直接限幅條件下壓制性干擾樣式的評(píng)估準(zhǔn)則。本文在研究射頻噪聲信號(hào)的產(chǎn)生原理及文獻(xiàn)[6]射頻噪聲干擾信號(hào)品質(zhì)因素模型的基礎(chǔ)上，提出1 種射頻噪聲干擾信號(hào)品質(zhì)優(yōu)化方法，通過采用預(yù)限幅與幅值判別方法，提高限幅條件下射頻噪聲干擾信號(hào)的品質(zhì)因素，改善信號(hào)直接限幅引起的信號(hào)幅值非正態(tài)分布問題；最后，通過軟件仿真驗(yàn)證了該方法的效果，并利用FPGA 進(jìn)行了硬件電路實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 射頻噪聲干擾

射頻噪聲是指采用合適的濾波器對(duì)高斯白噪聲濾波放大后得到的有限頻帶的噪聲，又被稱為直接放大噪聲，表達(dá)式如下[3]：

式（1）中：J(t)為窄帶高斯過程，其包絡(luò)過程Un(t)服從瑞利分布；相位過程?(t)服從[0,2π)均勻分布，并與包絡(luò)過程Un(t)相互獨(dú)立；噪聲載頻ωj為固定值，且遠(yuǎn)大于噪聲帶寬。

目前，射頻噪聲干擾的合成方法主要分為模擬式和數(shù)字式2 種。本文以數(shù)字合成式方法為研究對(duì)象，基于數(shù)字干擾合成（Digital Jamming Synthesis，DJS）技術(shù)產(chǎn)生射頻噪聲干擾信號(hào)[7]，原理框圖如圖1所示。

式（2）中：R(τ)為干擾信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)；；τ為時(shí)移量；σ2為干擾信號(hào)的方差。

射頻噪聲干擾的功率譜可以表示為：

可以看出，射頻噪聲干擾的中心譜寬與時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)應(yīng)，自相關(guān)函數(shù)R(τ)與功率譜G(ω)如圖2所示。

圖2 噪聲自相關(guān)函數(shù)與功率譜Fig.2 Autocorrelation function and power spectrum of noise

以上討論了理論條件下的射頻噪聲基帶信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性，但在實(shí)際使用的過程中，由于射頻放大鏈動(dòng)態(tài)范圍的限制，使得輸出的干擾波形發(fā)生限幅，改變了干擾波形的概率分布，影響了射頻噪聲干擾的干擾效果。

2 射頻噪聲信號(hào)品質(zhì)因素

射頻噪聲干擾限幅原理如圖3所示。

圖3 射頻噪聲干擾限幅原理圖Fig.3 Schematic diagram of RF jamming amplitude limiting

式（4）中，

根據(jù)統(tǒng)計(jì)無線電理論[14]可知，限幅后變?yōu)殡S機(jī)脈沖串部分的總功率為UL2[1 -φ(ULσ)]，則限幅后射頻噪聲總平均功率為：

在此基礎(chǔ)上，考慮隨機(jī)脈沖串之間的時(shí)間維度的隨機(jī)性，部分雷達(dá)采用的帶限中頻放大器會(huì)再次將限幅脈沖串的時(shí)間維度隨機(jī)性轉(zhuǎn)變?yōu)榉染S的隨機(jī)性。因此，經(jīng)過帶限中頻放大器后生成的隨機(jī)幅值脈沖的熵功率仍具備一定干擾效果。

結(jié)合限幅引起的熵功率部分，限幅后射頻噪聲中起到直接干擾作用的總功率為：

綜上，限幅射頻噪聲的品質(zhì)因素近似為：

式（8）中：ηnmr為噪聲的品質(zhì)因素；KL為限幅系數(shù)，KL=σ UL，表示限幅對(duì)干擾信號(hào)的綜合影響。

由式（8）可以看出，射頻噪聲的品質(zhì)因素隨限幅系數(shù)的增加而下降。當(dāng)限幅系數(shù)為無窮大時(shí)，品質(zhì)因素為0，當(dāng)射頻噪聲信號(hào)完全未限幅時(shí)，品質(zhì)因素為1，這說明噪聲品質(zhì)因素與噪聲的方差有關(guān)，當(dāng)限幅系數(shù)一定時(shí)，方差越大，品質(zhì)因素越高。

3 基于雙通道判別的干擾改進(jìn)方法

結(jié)合第2 節(jié)分析，直接限幅使射頻噪聲信號(hào)出現(xiàn)直流分量，會(huì)降低射頻噪聲信號(hào)的品質(zhì)因素，針對(duì)這種影響，本文對(duì)射頻噪聲干擾產(chǎn)生的數(shù)字基帶部分進(jìn)行改進(jìn)，給出1 種基于預(yù)限幅的基帶噪聲信號(hào)產(chǎn)生方法，基本結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。

圖4 干擾改進(jìn)方法原理圖Fig.4 Schematic diagram of interference improvement method

在DJS 電路基礎(chǔ)上，設(shè)置2 路地址序列對(duì)正交基帶噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，其中波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)量與添加序列數(shù)匹配，并保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一致。本文選取偽隨機(jī)讀取法作為地址尋址方法，假設(shè)地址產(chǎn)生器由m序列發(fā)生器組成，在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，并行生成2路地址序列對(duì)存儲(chǔ)器組進(jìn)行尋址，生成的噪聲數(shù)據(jù)可認(rèn)為是同源并滿足相互獨(dú)立。假設(shè)選擇“地址產(chǎn)生器1”作為基帶噪聲預(yù)限幅通道，“地址產(chǎn)生器2”支路為備選通道，通過在預(yù)限幅通道設(shè)置預(yù)限幅門限，判定信號(hào)幅值是否在限幅區(qū)間內(nèi)，若預(yù)限幅通道的干擾信號(hào)幅值超出限幅區(qū)間，則選擇備選通道噪聲數(shù)據(jù)輸出。

由式（7）可知，直接限幅后的信號(hào)能起到干擾作用的功率大小為P～，當(dāng)添加1路信號(hào)后，生成的2路信號(hào)滿足獨(dú)立同分布，則經(jīng)過限幅判別修正后的功率大小為：

結(jié)合式（9）（10），修正后的品質(zhì)因素為：

在圖4 的基礎(chǔ)上，如果允許消耗更多的時(shí)間與空間資源，設(shè)置更多級(jí)的延時(shí)與多組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，循環(huán)執(zhí)行判別電路，則可以進(jìn)一步提高噪聲品質(zhì)因素。綜上所述，執(zhí)行步驟如圖5所示。

圖5 干擾改進(jìn)方法流程圖Fig.5 Flow chart of interference improvement method

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在已知干擾機(jī)發(fā)射參數(shù)條件下，本節(jié)對(duì)射頻噪聲干擾進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以分析其在不同方法、不同參數(shù)條件下的變化。

4.1 不同參數(shù)條件下噪聲品質(zhì)因素變化

設(shè)噪聲數(shù)據(jù)服從均值為0、方差為σ2的正態(tài)分布，首先,計(jì)算不同限幅系數(shù)條件下的品質(zhì)因素，如圖6所示。

圖6 不同參數(shù)下的干擾品質(zhì)因素變化Fig.6 Variation of interference quality factors with different parameters

上述仿真結(jié)果表明，當(dāng)方差一致時(shí)，品質(zhì)因素隨著限幅系數(shù)的增大而降低，相較于直接限幅方法，改進(jìn)方法能夠獲得更高的品質(zhì)因素。隨著噪聲數(shù)據(jù)方差的增大，直接限幅與改進(jìn)方法之間的差異減小，品質(zhì)因素變化曲線的凸凹性更加明顯，且隨著限幅系數(shù)增大，品質(zhì)因素變化減緩程度更高。

圖7為直接限幅后產(chǎn)生的起到干擾作用的隨機(jī)脈沖串功率隨限幅系數(shù)變化情況。

圖7 不同參數(shù)下的隨機(jī)脈沖干擾功率變化Fig.7 Variation of random pulse interference power with different parameters

隨著限幅系數(shù)KL的增大，隨機(jī)脈沖串的功率呈遞增趨勢，當(dāng)限幅系數(shù)進(jìn)一步增大，干擾信號(hào)的頂部被“削平”，隨機(jī)脈沖串的成分增加，直流分量增大，并且隨機(jī)脈沖串的隨機(jī)性減小，熵功率降低。因此，當(dāng)限幅系數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，能起到干擾作用的隨機(jī)脈沖功率降低。同時(shí)，同一限幅系數(shù)條件下，隨機(jī)脈沖串的干擾功率與噪聲方差呈現(xiàn)正相關(guān)特性，且隨著噪聲方差增大，干擾功率曲線的變化趨勢更加明顯。

4.2 射頻噪聲干擾信號(hào)級(jí)仿真

基于噪聲信號(hào)產(chǎn)生原理對(duì)射頻噪聲干擾進(jìn)行信號(hào)級(jí)仿真，采用偽隨機(jī)讀取法讀取噪聲數(shù)據(jù)，仿真中，設(shè)置基帶噪聲帶寬為1 MHz，時(shí)鐘頻率為50 MHz，采用線性反饋移位寄存器[15]（Linear Feedback Shift Register，LFSR）作為m 序列發(fā)生器，LFSR 位數(shù)為20 bit，存儲(chǔ)器容量設(shè)置為0.5 MB，DAC位數(shù)設(shè)置為12位，限幅系數(shù)為1，時(shí)鐘頻率為50 MHz，仿真時(shí)長為1 ms，仿真結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 射頻噪聲時(shí)域信號(hào)圖Fig.8 Time domain signal diagram of RF noise

圖8 分別是未限幅、直接限幅和改進(jìn)方法限幅后的噪聲時(shí)域波形，對(duì)比圖8 a）與8 b）、c），經(jīng)過限幅后的噪聲信號(hào)“尖頭”減少，直接限幅后信號(hào)中被“削平”的部分轉(zhuǎn)化為隨機(jī)脈沖串，直流分量成分增加，改進(jìn)方法通過判別替代的方法，降低直接限幅引起的直流分量，改善噪聲品質(zhì)因素。

圖9 利用核密度估計(jì)[16]的方法，對(duì)直接限幅與改進(jìn)方法產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合估計(jì)。可以看出，直接限幅得到的噪聲分布在兩側(cè)形成“尖峰”畸變，改進(jìn)方法生成的噪聲分布更加接近于正態(tài)分布，表明改進(jìn)方法能夠有效改善直接限幅引起的噪聲分布畸變問題，從而提高射頻噪聲信號(hào)的品質(zhì)因素。同時(shí)，結(jié)合圖10，對(duì)比2種方法條件下輸出基帶信號(hào)的頻譜，本文方法相對(duì)于直接限幅方法存在頻譜展寬的問題，這會(huì)在一定程度上造成干擾信號(hào)的頻譜失真和帶外輻射，對(duì)干擾頻帶以外的信號(hào)造成影響[17]。

圖9 不同方法干擾分布密度估計(jì)Fig.9 Distribution density estimation with different methods

圖10 頻率不同方法干擾頻譜圖Fig.10 Interference spectrum of different methods

4.3 FPGA驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)

在射頻干擾信號(hào)仿真的基礎(chǔ)上，基于FPGA 進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，結(jié)合協(xié)同仿真的方式，驗(yàn)證本文方法的可行性與有效性[18-21]。基于4.2 節(jié)仿真參數(shù)，搭建FPGA電路，對(duì)信號(hào)的數(shù)字部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用IDE 平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖11所示。

圖11 FPGA噪聲信號(hào)仿真圖Fig.11 FPGA-based interference signal simulation diagram

結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法能夠通過FPGA 實(shí)現(xiàn)噪聲的數(shù)字信號(hào)生成，驗(yàn)證了本文方法具有可行性。

5 結(jié)論

本文基于直接限幅條件下的射頻噪聲干擾信號(hào)品質(zhì)因素模型，圍繞射頻噪聲信號(hào)產(chǎn)生原理，提出了1種基于雙通道判別的射頻噪聲干擾信號(hào)生成優(yōu)化方案。通過理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了直接限幅對(duì)噪聲品質(zhì)因素的影響。相對(duì)于直接限幅方法，本文所提方法能夠獲得更高的噪聲品質(zhì)因素，有效改善射頻噪聲信號(hào)分布，并通過FPGA 驗(yàn)證了方法的可行性。本文僅對(duì)射頻噪聲干擾進(jìn)行了討論，針對(duì)其他干擾樣式的優(yōu)化問題是下一步的研究方向。