蚩建峰
(解放軍92785部隊(duì),河北 秦皇島 066200)
電子戰(zhàn)接收機(jī)是電子情報(bào)偵察體系和干擾機(jī)中的重要組成部分,它的主要功能是接收復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下的非合作信號(hào)[1]。電子戰(zhàn)接收機(jī)需要能適應(yīng)現(xiàn)代高密集的信號(hào)環(huán)境[2],對(duì)接收到的大量信息必須實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理,其偵察接收結(jié)果的性能直接影響電子對(duì)抗干擾的效果。最主要的特點(diǎn)[3-4]有:(1) 寬輸入帶寬;(2) 高靈敏度;(3) 高的測(cè)頻精度和頻率分辨率;(4) 大動(dòng)態(tài)范圍;(5) 處理同時(shí)到達(dá)多個(gè)信號(hào)的能力。
如圖1、圖2所示,傳統(tǒng)的模擬式信道化接收機(jī)把瞬時(shí)帶寬劃分成相互交疊的多個(gè)信道,每個(gè)信道對(duì)應(yīng)1個(gè)模擬濾波器,對(duì)每個(gè)濾波器的輸出信號(hào)檢測(cè)之后,判斷信號(hào)駐留于哪個(gè)信道,后面再進(jìn)行AD采樣和識(shí)別、參數(shù)測(cè)量等信號(hào)處理。獲取的雷達(dá)基本特征參數(shù)包括:載波頻率、脈沖寬度和幅度、脈沖到達(dá)時(shí)間等。干擾機(jī)根據(jù)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行干擾決策,以獲取最佳干擾參數(shù)。傳統(tǒng)的接收機(jī)不僅體積龐大,結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜,而且由于某些器件本身是非線性的,導(dǎo)致接收機(jī)下變頻后的基帶信號(hào)相位有偏差,從而影響接收結(jié)果的判斷和后續(xù)處理。因此數(shù)字化信道接收機(jī)[5]近年來被廣泛使用,由于干擾機(jī)目前主要是采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的偵收處理,因此本文重點(diǎn)研究易于FPGA實(shí)現(xiàn)的相關(guān)處理算法[6]。
圖1 模擬信道化示意
圖2 偵收處理模型
信號(hào)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)、幅度信息提取,為后續(xù)同步存儲(chǔ)以及實(shí)現(xiàn)相關(guān)干擾時(shí)序(如間歇采樣、假目標(biāo)、距離波門拖引等)服務(wù),瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)(IFM)也需要檢波信號(hào)引導(dǎo)接收機(jī)工作。
檢波性能的好壞直接影響著干擾機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的判斷,以及后續(xù)的處理性能。檢波分為模擬檢波和數(shù)字檢波,模擬檢波方法具有溫度性差和檢波線性不好等固有缺陷,且檢波的精度低,丟失了信號(hào)的相位信息,一般作為模擬信號(hào)檢測(cè)引導(dǎo)使用,在接收機(jī)中一般采用數(shù)字檢波的方法。
理想的正交下變頻后,I,Q兩路信號(hào)可表示為:
si(t)=rcosφ(t)
(1)
sq(t)=rsinφ(t)
(2)
由公式(1)、(2)可以得到:
(3)
(4)
在FPGA中,用查找表的方式很容易實(shí)現(xiàn)反正切函數(shù)和求平方根函數(shù),而且可以達(dá)到很高的精度。為了減少存儲(chǔ)空間,可以在查找表中完成信號(hào)功率與閾值比較的運(yùn)算,輸出為0或1的檢波結(jié)果。用查找表方法實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
圖3 用查找表求幅度法檢波
但是在使用查找表的時(shí)候,由于存儲(chǔ)空間的限制,也不能完全使用IQ兩路數(shù)據(jù)的全部16 bit數(shù)據(jù)。例如對(duì)于8 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),需要16位的只讀存儲(chǔ)器(ROM)地址。這么大的查找表在FPGA上很難實(shí)現(xiàn)。一種易于實(shí)現(xiàn)的方法是對(duì)I、Q數(shù)據(jù)舍棄低m位,近似為:
(5)
(6)
舍棄低位,會(huì)使算出來的幅度值并不是1個(gè)常數(shù),通過固定檢測(cè)門限后,會(huì)使檢波結(jié)果存在1個(gè)閃爍區(qū)。
另外一種簡(jiǎn)單的算法是利用I,Q兩路數(shù)據(jù)的絕對(duì)值的最大值來近似代替信號(hào)的幅度,如圖4所示。
圖4 用Max(abs(I),abs(Q))來近似信號(hào)的幅度
具體實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。
圖5 用絕對(duì)值最大值法檢波
用比較器就可以直接實(shí)現(xiàn),運(yùn)算資源占用較少。但是由于I,Q數(shù)據(jù)的絕對(duì)值的最大值是對(duì)信號(hào)幅度的近似,存在凹坑,會(huì)引起檢波閃爍的現(xiàn)象。如圖6所示,I,Q相等點(diǎn)的幅度與信號(hào)幅度相差3 dB,即存在3 dB的幅度閃爍區(qū)。
圖6 近似算法帶來檢波閃爍原因示意
對(duì)于幅度判斷,如果只設(shè)定1個(gè)判斷閾值,則會(huì)出現(xiàn)如果輸入幅度為門限時(shí),由于噪聲和幅度測(cè)量誤差的影響,輸出的檢波信號(hào)來回閃爍,如圖6所示。使用遲滯比較器就可以解決這個(gè)問題。
遲滯比較器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換取決于輸入信號(hào)的變化過程,它有2個(gè)判斷門限:輸入信號(hào)從低電平上升的過程中,對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限為上門限;輸入信號(hào)從高電平下降過程中,對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限為下門限。另外由于遲滯比較器內(nèi)部存在正反饋,所以輸出電壓波形的邊沿很陡。遲滯比較器檢測(cè)過程如圖7所示。
圖7 遲滯比較器和單門限比較比較器效果比較
脈沖寬度濾波器也稱為計(jì)數(shù)濾波器,主要采用計(jì)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。由于干擾機(jī)工作靈敏度較高,信號(hào)檢測(cè)門限較低,同時(shí)受散熱和收發(fā)隔離等影響,其內(nèi)部會(huì)存在噪聲的尖峰干擾,有可能超過信號(hào)檢測(cè)門限,但是通常其幅度不穩(wěn)定,持續(xù)時(shí)間較短,因此根據(jù)先驗(yàn)知識(shí),當(dāng)脈寬小于某一設(shè)定值時(shí),不可能是真實(shí)的雷達(dá)信號(hào),應(yīng)給予濾除,從而抑制尖峰干擾。這也就是脈寬數(shù)字濾波電路的工作原理。
當(dāng)原始輸入信號(hào)由低變高后,基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)開始被計(jì)數(shù),當(dāng)檢測(cè)到的脈沖寬度小于一定的值(如200 ns)時(shí),確定為尖峰干擾,不予輸出,當(dāng)輸入信號(hào)寬度大于預(yù)置濾波寬度時(shí),濾波器輸出方波供后序電路處理。濾波脈寬的選擇是影響計(jì)數(shù)頻率濾波器濾波效果的關(guān)鍵,脈寬太小,部分尖峰干擾信號(hào)不能濾除;太大將會(huì)丟失有效的雷達(dá)信號(hào),所以應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況,選擇適當(dāng)?shù)臑V波脈寬。
如果當(dāng)前檢測(cè)到2個(gè)有效的雷達(dá)信號(hào)脈沖,并且2個(gè)脈沖之間的間隔小于一定的距離,則認(rèn)為可能是接收機(jī)內(nèi)的噪聲或者其他因素導(dǎo)致的同一個(gè)雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)的中斷,需要將其作為同一個(gè)信號(hào)。
脈寬濾波的實(shí)現(xiàn)與遲滯比較器類似。即其上門限為脈沖寬度大于a,判斷脈沖有效,其下門限為低信號(hào)脈寬大于b,判斷脈沖結(jié)束。
測(cè)相測(cè)頻的作用主要如下:
(1) 采用快速測(cè)頻的方法,在檢波有效內(nèi)測(cè)出當(dāng)前輸入信號(hào)的粗測(cè)頻率,用于判斷當(dāng)前頻率是否位于零頻或者多信道交疊區(qū)域,用來輔助后續(xù)電路操作。
(2) 粗測(cè)雷達(dá)信號(hào)的形式,以及是否存在多雷達(dá)信號(hào),用來輔助后續(xù)干擾設(shè)計(jì):
(a) 在偵收的完整脈沖內(nèi),測(cè)出起始頻率和終止頻率,如果其差值大于一定的值,則判斷為線性調(diào)頻信號(hào),否則為單載波信號(hào)。以選擇相應(yīng)的干擾模式;
(b) 在每個(gè)脈沖前沿測(cè)出其起始頻率,并判斷它與上一個(gè)脈沖起始頻率差值是否超過一定的值(如5 MHz)。如果超過,說明當(dāng)前空域存在多雷達(dá)信號(hào)或者雷達(dá)存在頻率捷變;
(c) 在偵收的完整脈沖內(nèi),檢測(cè)每個(gè)采樣點(diǎn)之間的角頻率差值,如果角頻率差值大于一定的值(如2/3π),則判斷雷達(dá)采用二相編碼信號(hào)。
可見,在dt時(shí)間內(nèi)測(cè)出相位的變化值,就可以得到頻率的值。為得到頻率的值,首先需要求出相位的值。可以使用查找表法根據(jù)公式(3)或者是CORDIC算法求相位值,這里使用CORDIC算法。測(cè)頻實(shí)現(xiàn)方案如圖8所示。
圖8 測(cè)頻實(shí)現(xiàn)方案
對(duì)于某向量的角度,CORDIC算法通過對(duì)一系列固定角度的旋轉(zhuǎn)將該向量逼近坐標(biāo)軸,通過將旋轉(zhuǎn)的角度值疊加獲取選擇的角度,從而間接獲取原始向量的角度。CORDIC算法旋轉(zhuǎn)示意圖如圖9所示。
圖9 CORDIC算法旋轉(zhuǎn)示意
設(shè)|A|=r,則x=rcosθ1,y=rsinθ1,θ=θ1-θ2,x′=rcosθ2=cosθ(x+ytanθ),y′=rsinθ2=cosθ(y-xtanθ)。
假如每次旋轉(zhuǎn)θi,當(dāng)tanθi=2-i,公式中的乘法操作就可以轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的移位操作。y的符號(hào)決定下次旋轉(zhuǎn)的方向,即要求靠近x正半軸,用σi表示,當(dāng)y′=0時(shí),中間每次旋轉(zhuǎn)的角度和θi就是所求的相位。在每次旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,可以將前面的乘積項(xiàng)cosθ部分提取出來,不參與運(yùn)算,這對(duì)于旋轉(zhuǎn)的角度并沒有影響。如果需要得到真實(shí)的幅度值,可以對(duì)結(jié)果再加以校正。這樣,每次迭代的公式為:
(7)
可以看出,x,y相當(dāng)于每次都移i位后進(jìn)行加(或減)運(yùn)算,而z則是每次加(或減)arctan(2-i)的角度。
n次迭代后,變?yōu)椋?/p>
(8)
由于第1次迭代時(shí)旋轉(zhuǎn)了arctan(20),旋轉(zhuǎn)角度總和在-π/2和π/2之間,這個(gè)限制導(dǎo)致當(dāng)要計(jì)算角度絕對(duì)值大于π/2時(shí),需要增加旋轉(zhuǎn)。可以多增加2次45°的旋轉(zhuǎn)。
如果需要獲取真實(shí)的幅度值,可以將xn的結(jié)果乘以Kn得到。
對(duì)于8 bit的數(shù)據(jù),如圖10所示,由于增加2次45°旋轉(zhuǎn),在流水的方式下,結(jié)果的輸出要延時(shí)10個(gè)時(shí)鐘周期。
圖10 每次旋轉(zhuǎn)角度
CORDIC算法實(shí)現(xiàn)可分為迭代結(jié)構(gòu)和流水結(jié)構(gòu)兩種,其中流水結(jié)構(gòu)是以面積來換速度。干擾機(jī)的接收機(jī)中考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求,一般采用流水結(jié)構(gòu),如圖11所示。
圖11 流水結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CORDIC算法
實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于800 MHz的采樣率,dt=1.25 ns,則:
Δθmax=360°·fmax·Δt=180°
即對(duì)于400 MHz以下的頻率,最大相位差在±180°內(nèi),不存在相位模糊的問題。
對(duì)于常用的信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的干擾模式,它存在的一個(gè)問題是,其輸出功率取決于輸入功率。由于射頻接收前端需要有很大的動(dòng)態(tài)范圍,通常在30 dB左右。而數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)的輸出信號(hào)功率則要求超過一定的值,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)雷達(dá)的有效干擾。
DRFM中一種解決措施是不使用AGC控制,此時(shí)為了保證小功率輸入信號(hào)的輸出功率,接收端的放大器需要很大的增益,這樣容易造成大輸入信號(hào)時(shí)放大器飽和,或者AD/DA削頂失真,導(dǎo)致諧波分量和雜散顯著增大,影響干擾效果。
另外一種措施是使用AGC控制。在接收的雷達(dá)信號(hào)與干擾輸出之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。AGC系統(tǒng)由幅度測(cè)量和可變?cè)鲆娣糯笃鹘M成。幅度測(cè)量部分從ADC輸入的信號(hào)中提取幅度,自動(dòng)調(diào)節(jié)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆?,?dāng)輸入信號(hào)幅度增大時(shí),反饋回路控制其增益按一定關(guān)系減小,減小時(shí),其增益則按一定關(guān)系增大。這樣無論輸入信號(hào)強(qiáng)弱,經(jīng)AGC放大后都能得到電平基本恒定的輸出信號(hào),從而保證整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)字AGC的反饋部分由數(shù)字處理實(shí)現(xiàn),與模擬AGC相比,數(shù)字AGC降低了調(diào)試難度而且增強(qiáng)了穩(wěn)定性、收斂性和精確性。
模擬信道化雖然在一定程度上稀疏了每個(gè)信道的脈沖流密度,但是在單個(gè)信道內(nèi),由于其帶寬較寬,還是存在寬帶接收機(jī)中較難解決的同時(shí)到達(dá)信號(hào)的處理問題。對(duì)于同時(shí)到達(dá)信號(hào),其幅度和頻率的測(cè)量都會(huì)有較大的誤差,導(dǎo)致后續(xù)處理性能下降,而采用數(shù)字信道化的方式可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的處理。
如圖12所示,借鑒模擬信道化的思想,數(shù)字信道化接收機(jī)是使用1組濾波器把接收機(jī)的整個(gè)工作帶寬劃分成若干個(gè)小塊,每個(gè)小塊稱為1個(gè)信道,接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波器組以后,不同頻率的信號(hào)會(huì)在不同的濾波器輸出,即在不同的信道輸出。每個(gè)信道輸出的信號(hào)是1個(gè)窄帶的帶通信號(hào)。對(duì)每個(gè)信道輸出的窄帶信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移,變成低通信號(hào)。為了降低信號(hào)后續(xù)處理的速率,可以對(duì)每個(gè)信道的低通信號(hào)進(jìn)行抽取。
圖12 通過帶通濾波,然后進(jìn)行下變頻的信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)信道的劃分比較靈活,通過設(shè)計(jì)不同的帶通濾波器,就可對(duì)信道進(jìn)行不同方式的劃分。這有利于在使用過程中根據(jù)實(shí)際需求對(duì)信道進(jìn)行靈活劃分,可以只對(duì)有用頻段的信號(hào)進(jìn)行處理,丟棄不關(guān)心頻段的信號(hào)。
等效結(jié)構(gòu)如圖13所示,先進(jìn)行下變頻,然后進(jìn)行低通濾波。
圖13 信道化接收機(jī)等效結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)與上一種是完全等效的,只是每一個(gè)濾波器都是低通濾波器。如果信道寬度是均勻劃分的,那么每個(gè)信道的低通濾波器可以是一樣的,也就是說只需要設(shè)計(jì)1個(gè)低通濾波器,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
但是,用圖12和圖13所示的濾波器組來實(shí)現(xiàn)信道化是很不經(jīng)濟(jì)的,由于濾波運(yùn)算位于抽取因子之前,對(duì)運(yùn)算速度要求很高,對(duì)實(shí)時(shí)處理極其不利,尤其是當(dāng)信道數(shù)多,抽取系數(shù)D值很大時(shí),圖中的濾波器所需的階數(shù)可能會(huì)變得非常大,而且每一信道就要配一個(gè)這樣的濾波器,濾波后的數(shù)據(jù)大部分被抽取運(yùn)算舍棄了,實(shí)現(xiàn)效率非常低,需要找到高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
對(duì)于正交采樣系統(tǒng),假設(shè)系統(tǒng)的采樣頻率為fs,整個(gè)系統(tǒng)的帶寬為fs,每個(gè)子帶帶寬為B,信道劃分為N份,抽取比D=N(N為偶數(shù)),即:
fs=B·N
(9)
信道劃分形式如圖14所示。
圖14 正交采樣系統(tǒng)下的信道劃分示意
下變頻時(shí),取每個(gè)信道的中心頻率為本振頻率,即fo=i·B+B/2,i=-N/2,-N/2+1,…,0,1,2,…,N/2-1。
為了表示方便,一般取i~[0,N-1],此時(shí):
fo=(i-N/2)·B+B/2,i=0,1,2,…,N-1
(10)
則本振信號(hào)可以表示為:
(11)
當(dāng)用數(shù)字方式產(chǎn)生本振信號(hào)時(shí),t可以用nT來表示,T為采樣時(shí)間。得到第i個(gè)信道的數(shù)字化本振:
(12)
令低通濾波器的沖擊響應(yīng)為h(t),對(duì)于輸入信號(hào)為y(t),經(jīng)過傳統(tǒng)的數(shù)字下變頻后,信號(hào)可以表示為:
y(t)=[s(t)e-jωot]*h(t)=
(13)
設(shè)采樣時(shí)間為T,經(jīng)過離散化之后可以表示為:
(14)
用序列的形式來表達(dá):
(15)
經(jīng)過D點(diǎn)抽取后的信號(hào)可以表示為:
(16)
根據(jù)式(11),當(dāng)抽取系數(shù)與信道數(shù)相同時(shí),即D=N時(shí),則:
(17)
則對(duì)于第i個(gè)信道,其輸出為:
i=0,1,2,…D-1,n=0,1,2,3…
(18)
利用多相濾波器的原理,將濾波器系數(shù)劃分為D部分(D與信道數(shù)一致),每部分長(zhǎng)度為M,M=ceil(K/D),(不足部分作補(bǔ)零處理),K=MD。即可以將k表示為如下的形式:k=m·D+L,L=0,…,D-1;m=0,…,M-1,將之代入式(18),得到:
(19)
(20)
即第i信道的輸出為D個(gè)卷積結(jié)果r(n,L)進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)后的第i個(gè)頻率分量。
圖15 基于多相濾波器結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化
對(duì)數(shù)字信道化的效能進(jìn)行仿真驗(yàn)證,以實(shí)際存在的多信號(hào)交疊場(chǎng)景為例,假設(shè)接收機(jī)到達(dá)的3個(gè)信號(hào)為:信號(hào)1:頻率-40 MHz的單頻信號(hào);信號(hào)2:頻率30 MHz的單頻信號(hào);信號(hào)3:中心頻率305 MHz,帶寬10 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)。
3個(gè)信號(hào)在時(shí)間域重疊,在頻域位于不同頻率范圍。相對(duì)關(guān)系圖如圖16所示,同時(shí)到達(dá)信場(chǎng)景如圖17所示。
圖16 信號(hào)1,2,3相對(duì)時(shí)間關(guān)系圖
圖17 同時(shí)到達(dá)信號(hào)場(chǎng)景
進(jìn)行64信道化信號(hào)的時(shí)域和頻域如圖18、圖19所示。有信號(hào)存在的信道如圖19所示。
圖18 64信道化處理后時(shí)域
未進(jìn)行信道化處理前,3個(gè)信號(hào)時(shí)域重疊在一起,無法準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)參數(shù)。信道化后能夠區(qū)分開,信道化細(xì)分后對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的參數(shù)測(cè)量更準(zhǔn)確,有利于后續(xù)信號(hào)分選和目標(biāo)數(shù)據(jù)融合。
同時(shí)從圖19可以看出,信號(hào)3由于信道化的劃分導(dǎo)致信號(hào)被分割到2個(gè)信道,因此需要對(duì)信道17,18進(jìn)行合并,在多信號(hào)到達(dá)時(shí)還需要進(jìn)行通道融合處理,判斷跨信道信號(hào)和邊帶信號(hào)。這是下一個(gè)階段需要研究的內(nèi)容。
圖19 16信道3,17,18,63信道時(shí)域
目前的主流是將傳統(tǒng)的信道化接收的概念和寬帶數(shù)字接收機(jī)相結(jié)合起來的軟件化電子偵察接收機(jī),將目前成熟的中頻數(shù)字處理技術(shù)應(yīng)用于信道化接收機(jī),用數(shù)字中頻信道化代替模擬濾波器組,克服傳統(tǒng)信道化接收機(jī)存在的問題和缺陷。這樣數(shù)字信道化接收機(jī)具有傳統(tǒng)模擬信道化接收機(jī)同樣的優(yōu)點(diǎn),又由于采用了數(shù)字技術(shù),濾波器的一致性好、可靠性高,這不僅能夠大大提高測(cè)頻精度,而且符合數(shù)字化趨勢(shì)的發(fā)展潮流,整個(gè)接收機(jī)性能上將產(chǎn)生質(zhì)的改變。
目前數(shù)字信道化主要應(yīng)用在信號(hào)的偵察接收模型中,隨著FPGA器件的發(fā)展,在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)射信道化已經(jīng)成為可能,將給雷達(dá)的抗干擾帶來更大的挑戰(zhàn)。