萬(wàn)顯榮 岑 博 易建新 方 亮 柯亨玉
(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 武漢 430079)
外輻射源探測(cè)是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)和跟蹤的雷達(dá)新體制,因其具有良好的“四抗”性能近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1-5]。隨著數(shù)字廣播電視在全球日益普及并逐步取代模擬信號(hào),利用數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting, DAB)、數(shù)字視頻廣播(Digital Video Broadcasting, DVB-T)等信號(hào)的無(wú)源探測(cè)已成為新體制外輻射源探測(cè)的研究熱點(diǎn)[6-9]。 2006年,國(guó)家廣播電視總局推出了基于我國(guó)國(guó)情的數(shù)字移動(dòng)多媒體視頻廣播[10](China Mobile Multimedia Broadcasting, CMMB)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CMMB近年在我國(guó)獲得蓬勃發(fā)展,目前信號(hào)已覆蓋全國(guó)320個(gè)主要城市,這為我國(guó)研究新體制外輻射源雷達(dá)提供了極好的條件。
外輻射源雷達(dá)利用監(jiān)測(cè)通道目標(biāo)信號(hào)與參考通道直達(dá)波信號(hào)二者相關(guān)性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè),其中參考信號(hào)獲取是外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理的核心環(huán)節(jié),參考信號(hào)的純凈程度直接決定著雷達(dá)探測(cè)性能的好壞。CMMB采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu),多臺(tái)發(fā)射機(jī)以相同的頻率發(fā)射同樣的節(jié)目數(shù)據(jù),因此較傳統(tǒng)模擬波形外輻射源雷達(dá)而言參考通道多徑現(xiàn)象更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)基于模擬波形的外輻射源雷達(dá)參考信號(hào)提純通常采用空域波束形成、時(shí)域自適應(yīng)濾波等多徑抑制技術(shù)[11,12]。歐洲現(xiàn)已普及DAB和DVB-T信號(hào),基于數(shù)字廣播電視信號(hào)的外輻射源雷達(dá)技術(shù)已走在世界前列,O’Hagan等人[13]與 Baczyk等人[14]分別研究了DAB和DVB-T外輻射源雷達(dá)中基于信號(hào)重構(gòu)的參考信號(hào)獲取方法。本文針對(duì)我國(guó) CMMB信號(hào)的特殊結(jié)構(gòu),首先研究了利用 CMMB同步信號(hào)的自適應(yīng)濾波提純算法,分析了該算法可行性與不足之處;接著提出了基于 CMMB發(fā)射信號(hào)重構(gòu)獲取純凈參考信號(hào)的方法;最后分析并比較了兩種算法的性能并通過(guò)實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)重構(gòu)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。
CMMB物理層輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼、交織和星座映射,與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻進(jìn)行復(fù)接,然后進(jìn)行正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調(diào)制。調(diào)制后的信號(hào)插入幀頭形成物理層信號(hào)幀,經(jīng)基帶至射頻變換后發(fā)射[10]。CMMB系統(tǒng)物理層功能如圖1所示。里德-索羅蒙(Reed-Solomon, RS)編碼、字節(jié)交織、低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check, LDPC)碼和比特交織共同構(gòu)成了 CMMB物理層信道編碼部分,兩級(jí)編碼結(jié)構(gòu)是CMMB信號(hào)正確解調(diào)的基礎(chǔ),同時(shí)也為無(wú)源探測(cè)參考信號(hào)在低信噪比下正確重構(gòu)提供了保障;兩級(jí)交織將傳輸比特進(jìn)一步隨機(jī)化,使得探測(cè)信號(hào)性能與具體節(jié)目數(shù)據(jù)流無(wú)關(guān),這也是基于 OFDM 調(diào)制的數(shù)字波形外輻射源雷達(dá)相對(duì)比傳統(tǒng)模擬波形外輻射源雷達(dá)的突出優(yōu)勢(shì)之一。

圖1 物理層功能框圖
CMMB物理層信號(hào)1幀持續(xù)時(shí)間為1s,劃分為40個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙包含1個(gè)信標(biāo)和53個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào),信標(biāo)又進(jìn)一步分為發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)(TxID)和兩個(gè)同步信號(hào),信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CMMB信號(hào)幀結(jié)構(gòu)
CMMB信號(hào)一個(gè)符號(hào)可表示為

其中k是子載波序號(hào),N是每個(gè)OFDM符號(hào)包含的子載波數(shù),Δf為子載波間隔,ck是復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù),fc為射頻信號(hào)的中心頻率,Tu是 OFDM 符號(hào)有效部分持續(xù)時(shí)間,TCP為循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間,TGI= 2 .4 μs是保護(hù)間隔長(zhǎng)度。CMMB信號(hào)模糊函數(shù)由一個(gè)主峰和多個(gè)副峰組成,對(duì)模糊函數(shù)進(jìn)行去模糊處理[9],得到“圖釘形”的單峰值模糊函數(shù),如圖3所示。

圖3 去模糊處理后CMMB信號(hào)模糊函數(shù)圖
與傳統(tǒng)無(wú)源雷達(dá)信號(hào)模型一致,接收天線獲得的參考通道信號(hào)由純凈的直達(dá)波信號(hào)和多徑干擾信號(hào)以及噪聲疊加而成,信號(hào)模型如式(2)所示。

其中y(t)是參考通道信號(hào),s(t)是需要提取的純凈直達(dá)波,N是多徑條數(shù),λk和τk分別表示第k條多徑的反射系數(shù)和相對(duì)s(t)的延遲,n(t)為噪聲。
自適應(yīng)濾波提純直達(dá)波的核心思想是通過(guò)濾波器濾除直達(dá)波多徑干擾信號(hào)來(lái)得到較為純凈的參考樣本。為得到s(t),需構(gòu)造濾波器,輸入為y(t),輸出是s(t)的估計(jì)值,如式(3)。

式(3)中,用離散序號(hào)n代替了連續(xù)時(shí)間t,w=[w0w1…wM-1]T是濾波器抽頭系數(shù),M為濾波器階數(shù)。
CMMB信號(hào)每個(gè)時(shí)隙信標(biāo)中含有兩個(gè)完全相同的同步信號(hào),并且同步信號(hào)傳輸?shù)膬?nèi)容是事先已知的,這相當(dāng)于為我們提供了一個(gè)訓(xùn)練序列,利用這個(gè)訓(xùn)練序列可實(shí)時(shí)捕獲信道的變化,求取濾波器的抽頭系數(shù)w,構(gòu)造濾波器。將該濾波器應(yīng)用于CMMB數(shù)據(jù)符號(hào)部分,如式(3),即可濾除參考信號(hào)中的多徑干擾信號(hào)。
同步信號(hào)求取濾波器系數(shù)需采用自適應(yīng)算法,本文選取遞歸最小二乘方(RLS)算法[15],具體計(jì)算流程如下步驟所示:
步驟1 初始化:w(0)=0,T( 0)=δ-1I,其中δ是一個(gè)很小的值,本文取δ= 0 .01,I為M階單位陣。
步驟2 迭代更新:n=M,M+ 1,M+2,…

求取下一時(shí)刻的濾波器抽頭系數(shù):

其中w(n)為n時(shí)刻的濾波器系數(shù),u(n)是n時(shí)刻的輸入,e(n)是預(yù)測(cè)誤差,RLS自適應(yīng)算法就是根據(jù)預(yù)測(cè)誤差來(lái)自適應(yīng)調(diào)整w(n),k(n)是增益因子,λ為遺忘因子。
自適應(yīng)濾波算法利用同步信號(hào)來(lái)獲取信道特征,并將其用于 CMMB數(shù)據(jù)部分。自適應(yīng)濾波器系數(shù)僅用同步信號(hào)就可獲得,算法效率較高。該算法在多徑數(shù)目少,多徑延遲相對(duì)密集的條件下有較好的性能。但算法要求數(shù)據(jù)部分傳送期間的信道特征應(yīng)和訓(xùn)練序列傳輸時(shí)基本相同,在實(shí)際應(yīng)用中,這一點(diǎn)可能較難滿足,這就使得利用同步信號(hào)估計(jì)的信道特征直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)部分時(shí)可能會(huì)引起畸變。另外,RLS自適應(yīng)濾波算法對(duì)信號(hào)中的噪聲未作過(guò)多的處理,這在一定程度上也影響了信號(hào)的相關(guān)性。
OFDM 技術(shù)有很強(qiáng)的抗多徑衰落和窄帶噪聲的能力,參考信號(hào)提取應(yīng)該充分利用信號(hào)結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢(shì),為此,在深究 CMMB信號(hào)形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,本文重點(diǎn)研究基于 CMMB發(fā)射信號(hào)重構(gòu)的參考信號(hào)提取方法。
CMMB信號(hào)重構(gòu),就是根據(jù)CMMB信號(hào)調(diào)制解調(diào)流程,從接收到的信號(hào)中恢復(fù)出盡可能準(zhǔn)確的發(fā)射信號(hào),具體流程如圖4所示。采樣得到的CMMB參考通道信號(hào)經(jīng)過(guò)同步、信道估計(jì)、信道解碼等處理,恢復(fù)出誤碼率盡可能低的二進(jìn)制比特流,然后再經(jīng)過(guò)圖 1所示的物理層功能流程完成信號(hào)的重構(gòu)。

圖4 CMMB信號(hào)重構(gòu)流程圖
同步和信道估計(jì)是信號(hào)重構(gòu)的關(guān)鍵,直接影響參考信號(hào)的質(zhì)量。同步的主要任務(wù)是獲取信號(hào)的幀起點(diǎn),估計(jì)出混頻過(guò)程中出現(xiàn)的頻率偏差和采樣過(guò)程中引進(jìn)的采樣誤差,并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。頻率偏差和采樣誤差會(huì)影響同步結(jié)果,增大信道解碼的誤碼率,降低重構(gòu)信號(hào)的準(zhǔn)確性。正如前面方法所述,CMMB信號(hào)每個(gè)時(shí)隙中包含了兩個(gè)完全相同的同步信號(hào),利用加窗檢測(cè)峰值的方法可以捕獲同步信號(hào)的位置,見(jiàn)式(9)。

其中n對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的序號(hào),Nsync為同步信號(hào)的長(zhǎng)度,s(i)是采樣得到CMMB信號(hào),N為1個(gè)時(shí)隙的CMMB信號(hào)長(zhǎng)度。為保證能獲取兩個(gè)完整的同步信號(hào),這里取滑動(dòng)長(zhǎng)度為2N。在求得同步信號(hào)起始位置后,就可利用同步信號(hào)估計(jì)出頻率偏差,利用導(dǎo)頻信息對(duì)頻率偏差和采樣率偏差進(jìn)行跟蹤估計(jì)。
信道估計(jì)的作用是估計(jì)出信號(hào)在傳播過(guò)程中所經(jīng)過(guò)信道的沖擊響應(yīng)。單頻網(wǎng) CMMB信道多徑現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,頻率選擇性衰落普遍存在,因此,良好的信道估計(jì)是獲取純凈比特流的關(guān)鍵步驟。CMMB信道估計(jì)采用時(shí)頻2維插值算法[16],利用已知的離散導(dǎo)頻的值,求取離散導(dǎo)頻處的子載波沖擊響應(yīng),然后根據(jù)離散導(dǎo)頻在時(shí)域和頻域兩個(gè)方向的排列規(guī)律,通過(guò)插值算法估計(jì)出數(shù)據(jù)子載波處的響應(yīng),再按式(10)對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡處理。

其中l(wèi)和k分別表示OFDM符號(hào)的符號(hào)序號(hào)和子載波序號(hào)。將時(shí)域信號(hào)變換至頻域,得到OFDM子載波的值,進(jìn)行均衡處理。Xl,k是均衡后的數(shù)據(jù)子載波,Yl,k是均衡前的子載波,是估計(jì)出的頻域響應(yīng),由真實(shí)的響應(yīng)值Hl,k和估計(jì)噪聲Nl,k兩部分構(gòu)成。
無(wú)論是同步還是信道估計(jì)得到的都只是復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù),要得到二進(jìn)制比特流,還需要經(jīng)過(guò)解星座映射和信道解碼。CMMB信號(hào)的解星座映射采用軟解調(diào)算法,即利用得到的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)計(jì)算每一個(gè)比特的對(duì)數(shù)似然比。令信道估計(jì)后的頻域復(fù)符號(hào)為r=x+jy,式(11)-式(13)分別給出了 BPSK,QPSK和16QAM的軟解調(diào)輸出[17],顯然,BPSK,QPSK, 16QAM映射方式的復(fù)調(diào)制數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)1 bit, 2 bit, 4 bit的似然比。

其中LLR(ci)表示第i個(gè)比特對(duì)應(yīng)的輸出對(duì)數(shù)似然比,σ2是噪聲方差。在16QAM映射方式中,分別表示第i個(gè)比特為1和0時(shí)所對(duì)應(yīng)的星座圖上點(diǎn)的集合。
解星座完成后,對(duì)軟解調(diào)輸出的對(duì)數(shù)似然比進(jìn)行信道解碼,得到比特流。CMMB信道解碼需經(jīng)過(guò)解比特交織,LDPC解碼,RS解碼和解字節(jié)交織幾個(gè)階段。通過(guò)解碼糾正錯(cuò)誤比特后,再按圖1所示流程將比特信息通過(guò)信道編碼,調(diào)制到OFDM子載波上,形成最終重構(gòu)的直達(dá)波信號(hào)。
本小節(jié)驗(yàn)證重構(gòu)算法在低信噪比(高斯信道)下的重構(gòu)性能。圖5給出了兩種情形下QPSK映射方式在不同信噪比下的誤碼率統(tǒng)計(jì)曲線:(1)經(jīng)過(guò)信道解碼;(2)不經(jīng)過(guò)信道解碼而直接硬判決。圖中曲線表明,信道解碼可以大大降低傳輸比特的誤碼率,在較低的信噪比下(4 dB),誤碼率即可達(dá)到 0,這顯示了重構(gòu)算法的穩(wěn)健性。圖6表示重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)相關(guān)峰值信噪比隨誤碼率的變化曲線,可以看到,峰值信噪比隨誤碼率的變化并不敏感,但誤碼率對(duì)基于重構(gòu)信號(hào)抑制直達(dá)波的效果有較大影響[14],并且隨著誤碼率的進(jìn)一步增大(大于 1 0-2),峰值信噪比下降較明顯,這要求在重構(gòu)過(guò)程中將誤碼率盡可能降低。
由于參考信號(hào)與多徑信號(hào)具有較強(qiáng)的相關(guān)性,基于此,下面來(lái)驗(yàn)證以上兩種參考信號(hào)獲取算法的有效性,并比較二者的提純性能。仿真信道采用經(jīng)典巴西信道A模型,具體參數(shù)如下:各路徑相對(duì)幅度分別為[1 0.2045 0.1548 0.1790 0.2078 0.1509],延時(shí)點(diǎn)數(shù)分別為[0 2 22 30 58 59]。仿真多徑信號(hào)信噪比為25 dB。分別利用參考信號(hào)與多徑信號(hào)、濾波處理后的信號(hào)以及重構(gòu)的信號(hào)相匹配,繪制距離多普勒譜,比較它們的零多普勒截線,如圖7所示。不失一般性并考慮到計(jì)算量,這里自適應(yīng)濾波算法采用80階濾波器。
由圖 7(a)可見(jiàn),多徑信號(hào)的存在引起了距離譜上的副峰。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波后的多徑信號(hào)幅度有明顯的衰減,這表明自適應(yīng)濾波算法能有效地抑制多徑信號(hào)。但多徑副峰并沒(méi)有完全消失,并且信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器引起了延時(shí)。如要進(jìn)一步提高濾波性能,必須增加濾波器的階數(shù),這無(wú)疑將增加信號(hào)延時(shí)和降低運(yùn)算效率。而重構(gòu)的方法則基本上不受多徑的影響,只要多徑延時(shí)在循環(huán)前綴長(zhǎng)度內(nèi),沒(méi)有引起符號(hào)間干擾,就可恢復(fù)出原始的發(fā)射信號(hào),如圖7(b)所示。另外,由于重構(gòu)算法通過(guò)信道解碼能夠恢復(fù)出低誤碼的比特流,大大降低了噪聲對(duì)算法性能的影響。因此,相比自適應(yīng)濾波算法,基于參考信號(hào)重構(gòu)的算法具有更為穩(wěn)健的性能,能夠提取出更純凈的參考信號(hào)。

圖5 誤碼率隨信噪比變化統(tǒng)計(jì)曲線

圖6 峰值信噪比隨誤碼率變化曲線

圖7 參考信號(hào)獲取算法性能比較

圖8 重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)相關(guān)譜
武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室已研制 CMMB外輻射源雷達(dá)接收系統(tǒng)。為前期理論研究的方便,實(shí)驗(yàn)室專門(mén)購(gòu)買了 CMMB信號(hào)發(fā)生器,信號(hào)頻率、功率和節(jié)目?jī)?nèi)容可任意定制。在室內(nèi)進(jìn)行閉環(huán)實(shí)驗(yàn),利用多通道數(shù)字接收機(jī)采集經(jīng)模擬前端輸出的CMMB信號(hào)(中頻60 MHz,帶寬8.5 MHz),采樣率為80 MHz,經(jīng)數(shù)字下變頻得到10 MHz的基帶IQ實(shí)測(cè)信號(hào)。按照?qǐng)D4的處理流程對(duì)該信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),為驗(yàn)證上述算法重構(gòu)參考信號(hào)的性能,利用重構(gòu)信號(hào)與 CMMB信號(hào)源產(chǎn)生的原始信號(hào)繪制相關(guān)譜圖,如圖8所示。較高的峰值信噪比顯示了良好的信號(hào)相關(guān)性,從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了重構(gòu)參考信號(hào)的有效性。
文中結(jié)合 CMMB外輻射源雷達(dá)特殊的信號(hào)結(jié)構(gòu),將傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波原理應(yīng)用于參考信號(hào)提純中,分析了其可行性和不足之處。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)CMMB信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理,研究了通過(guò)CMMB信號(hào)重構(gòu)來(lái)獲取參考信號(hào)的方法。仿真結(jié)果表明,兩種算法均能較有效地抑制參考通道中的多徑信號(hào)。但由于單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)中 CMMB信號(hào)多徑現(xiàn)象較為嚴(yán)重,自適應(yīng)濾波提純算法有其局限性,而充分利用了 OFDM 信號(hào)抗多徑和抗噪聲優(yōu)點(diǎn)的信號(hào)重構(gòu)算法可以很好地適應(yīng)這種信道環(huán)境,是一種行之有效的CMMB外輻射源雷達(dá)參考信號(hào)獲取方法。
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