數(shù)字信道化及虛假信號問題研究

桂佑林，王本君

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

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·信號處理·

數(shù)字信道化及虛假信號問題研究

桂佑林，王本君

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

介紹了基于多相濾波的數(shù)字信道化接收機及其實現(xiàn)方法，討論了跨信道信號、“兔耳效應(yīng)”和重復(fù)信號等虛假信號的場景。針對每一種虛假信號，都進行了相應(yīng)的仿真，給出了詳細的說明。在介紹三種虛假信號特征的基礎(chǔ)上，提出了消除虛假信號的方法，并提供了完整的處理流程。最后，通過MATLAB仿真結(jié)果驗證了方法的有效性。

多相濾波；數(shù)字信道化；虛假信號

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，雷達偵查設(shè)備需要獲取敵方雷達信號的技術(shù)參數(shù)、位置、類型等情報，為制定雷達對抗作戰(zhàn)計劃提供依據(jù)。由于敵方雷達信號是非合作設(shè)備，且有可能是多部輻射源同時存在，因此偵收設(shè)備的偵收帶寬必須盡可能大，以達到同時覆蓋多部輻射源、提高雷達截獲概率的目的。

由于無源偵收設(shè)備接收到的信號帶寬較大，如果直接對其進行處理，對信號處理設(shè)備的要求比較高，現(xiàn)有的處理平臺可能無法完成，這種情況下就需要采用數(shù)字信道化處理[1-3]。

基于多相濾波的信道化接收機的主要原理是把頻帶均勻劃分成若干信道，將各個信道的頻譜搬移到零中頻，經(jīng)過低通濾波器后再進行信號的檢測、頻率等參數(shù)估計。通過信道化處理，原本的寬帶信號被劃分成多個信道，每個信道都是窄帶信號，可以對每個信道的信號并行進行包絡(luò)檢波和參數(shù)測量，這樣大大減少了信號處理平臺的吞吐壓力，使得寬帶信號處理成為可能。

但是信道化也會帶來一些問題，尤其是會在相鄰信道造成虛假信號[4-5]，本文首先討論了多相濾波信道化體制，以及該體制下造成的寬帶信號分裂和相鄰信道虛信號等問題，然后研究了相鄰信道虛假信號消除技術(shù)，并通過Matlab仿真驗證了算法的有效性。

1 多相濾波信道化的實現(xiàn)

多相濾波信道化接收機是一種利用相互鄰接的窄帶濾波器組實現(xiàn)多頻道精確頻率測量的偵查接收設(shè)備。多相濾波信道化通過一組覆蓋整個頻段的濾波器將頻段劃分為若干個子頻段(信道)，每個濾波器的輸出就是一個信道輸出，示意圖如圖1所示。

圖1 頻率信道化的多相濾波實現(xiàn)

其中，hp(m)=hLP(mD+p)，是低通濾波器的多相實現(xiàn)的各分支濾波器的系數(shù)。

定義h(n)=hLP(n)，第k路的信道輸出如下

xp(m)=Sp(m)*hP(m), p=0,1,…,D-1

為消除信道間的偵收盲區(qū)，實際應(yīng)用信道化時，抽取倍數(shù)可設(shè)為2/D，這樣通過多相濾波信道化處理，一個寬帶接收信號轉(zhuǎn)化成D個窄帶信號，每個信道的采樣帶寬為偵收帶寬的2/D倍，這為后續(xù)實時信號處理提供基礎(chǔ)。

2 信道化的優(yōu)缺點

相對于非信道化體制接收機，信道化接收機具有以下優(yōu)點：

1) 可以降低信號處理平臺的處理壓力

對于一部偵收帶寬較大的偵收設(shè)備，例如頻率覆蓋2 GHz范圍，如果不通過信道化降低信號采樣率，信號處理平臺的處理通過率必須達到2 GHz，這對現(xiàn)有的信號處理平臺是難以實現(xiàn)的。但通過信道化處理后，2 GHz的帶寬被分到D個信道，每個信道的帶寬可以降到原來的2/D，則單個信號處理平臺的處理能力只需要達到2/D×2 GHz就可以滿足要求了。實際系統(tǒng)中可以根據(jù)信號處理平臺的能力和偵收帶寬靈活設(shè)計子信道的帶寬。

2) 可以處理同時到達的不同頻率的信號

在偵收設(shè)備的偵收帶寬內(nèi)，有時存在不止一部雷達輻射源，且這些輻射源會同時進入偵收設(shè)備。此時雖然各輻射源信號的頻率不同，但在時域進行包絡(luò)檢波時無法將多個信號區(qū)分開來。而通過信道化處理后，由于子信道帶寬較窄，不同頻率的輻射源信號出現(xiàn)在不同的子信道中，可以有效地將信號區(qū)分開。

但由于信道化本身的特點，信道化也會帶來一些問題：

1) 跨信道信號分裂

對于寬帶信號如線性調(diào)頻信號(LFM)等，當信號橫跨兩個甚至更多子信道時，同一個信號會出現(xiàn)在兩個或更多個信道中，最終通過包絡(luò)檢波會檢出多個脈沖信號[6]。

2) 兔耳效應(yīng)

對于矩形脈沖信號，在其上升沿和下降沿處，由于存在信號幅度、相位突變，信道化會將信號的能量擴散到與信號真實頻率所在信道相鄰的多個信道中，在多個信道產(chǎn)生暫態(tài)輸出，這種現(xiàn)象叫做“兔耳效應(yīng)”[7-8]。

3) 過渡帶重復(fù)信號

當信號頻率位于相鄰兩個信道交疊處或交疊處附近時，由于過渡帶的存在，該信號可能同時出現(xiàn)在兩個信道中，造成重復(fù)信號。

3 信道化后造成的虛假信號特征分析

本節(jié)主要分析信道化造成虛假信號的各種場景，為之后研究如何消除虛假信號提供依據(jù)。

1) 跨信道信號分裂

如圖2所示為一個寬帶LFM信號分裂到4個信道的情況。

圖2 場景1：跨信道信號的分裂

真實的信號只有1個，但從圖中可以看出，在4個信道中都有信號，且任意兩個相鄰信道中的信號在時域上和頻域上都存在交疊。

在實際工作中，有時會遇到大帶寬的合成孔徑雷達(SAR)信號，其帶寬可達1 GHz，可能跨多個信道，如不加以處理，在后續(xù)的分選處理中可能會出現(xiàn)多個虛假信號，造成增批。

2) 兔耳效應(yīng)

兔耳效應(yīng)是一種相鄰信道的暫態(tài)輸出現(xiàn)象，如下圖所示為通過信道化接收機輸出信號的包絡(luò)，信道1為信號所在的主信道，信道 0、2 和信道 1相鄰。如圖3所示，可以看到信道1是主信道輸出，信號幅度最大，包絡(luò)為梯形；信道 0、2 本來無信號輸出，但實際會在脈沖起止附近出現(xiàn)兩個虛假窄脈沖，形狀像兔子的兩只耳朵，這就是“兔耳效應(yīng)”。在距離主信道稍遠的信道3中，仍然有兔耳脈沖的存在。

圖3 場景2：普通的兔耳效應(yīng)

從圖中可以看出，兔耳脈沖出現(xiàn)在和主信道相鄰的多個信道中，從時域上看分別出現(xiàn)在信號起始位置和結(jié)束位置附件，且脈寬遠小于主信號；從幅度上看，兔耳脈沖的幅度小于主信號幅度，且有離主信道越遠兔耳幅度越小的規(guī)律。

在實際電子戰(zhàn)中，復(fù)雜信號如二相編碼信號(BPSK)、頻移鍵控信號(FSK)、四相編碼信號(QPSK)等大量存在，這會令虛假信號更加復(fù)雜。例如在偵收相位編碼信號時，由于在信號碼片結(jié)合處存在著頻率跳變，這同樣會造成一種暫態(tài)沖擊，從而在相鄰信道形成兔耳，圖4所示就是BPSK信號的信道化輸出包絡(luò)。

圖4 場景3：出現(xiàn)在信號包絡(luò)中間的兔耳效應(yīng)

從圖中可以看出，在主信號起始和結(jié)束位置的兔耳脈沖，其特征和場景2中的兔耳脈沖相同；不同的是，在真實信號包絡(luò)內(nèi)部，也出現(xiàn)了一些“兔耳”，這些兔耳脈沖除了出現(xiàn)位置在真實信號包絡(luò)內(nèi)部之外，其幅度和脈寬特征與一般兔耳脈沖特征相同。

3) 過渡帶重復(fù)信號

當真實信號的頻率剛好處于信道過渡帶中時，會在這兩個相鄰信道中形成重復(fù)信號。從理論上來講，兩個信號都是真實信號在兩個信道中的響應(yīng)，但真實的信號只有一個，重復(fù)信號對后續(xù)的分選是不利的。圖5所示為一個過渡帶信號形成的重復(fù)信號。

圖5 場景4：過渡帶重復(fù)信號

從圖中可以看出，在信道1和信道2中，都形成了有效的信號，這兩個信號的頻率、脈寬、起始和結(jié)束時間等參數(shù)都非常接近，本質(zhì)上是同一個信號。在0、3信道中，還有幅度較小的兔耳脈沖。

如果不處理虛假信號，對上述4種場景的包絡(luò)檢測結(jié)果直接進行分選處理，則得到如表1所示的結(jié)果。其中RF為信號起始頻率，BW為信號帶寬，PW為信號脈寬，PRT為信號重復(fù)周期。

表1 不處理虛假信號的分選結(jié)果

從上表可以看出，對上述4種場景的直接分選結(jié)果，都出現(xiàn)了增批，這會對我方電子戰(zhàn)的決策造成困擾。

4 虛假信號消除方法

根據(jù)上一節(jié)分析的3種虛假信號的特點，分別考慮消除虛假信號的方法如下：

1) 場景1

依次對相鄰信道的包絡(luò)檢測結(jié)果進行比對，尋找是否存在時域和頻域都有交疊的包絡(luò)，如果存在，則將這兩個包絡(luò)進行拼接、合并[9-10]，新包絡(luò)的起始時間、結(jié)束時間和起始頻率、結(jié)束頻率這4個參數(shù)，都取兩個舊包絡(luò)響應(yīng)參數(shù)的極值，脈寬、帶寬則根據(jù)4個新參數(shù)重新計算。場景1如圖6所示。

圖6 場景1 跨信道示意圖

2) 場景2

依次對相鄰信道的包絡(luò)檢測結(jié)果進行比對，尋找滿足如下條件的包絡(luò)：

(1) 脈寬非常小(小于相鄰信道信號脈寬，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相鄰信道信號；

(3) 起始、結(jié)束時間都在相鄰信道信號的上升沿或下降沿附近。

如果找到這種信號，則將該信號剔除。場景2如圖7所示。

圖7 場景2兔耳脈沖示意圖

3) 場景3

依次對相鄰信道的包絡(luò)檢測結(jié)果進行比對，尋找滿足如下條件的包絡(luò)：

(1) 脈寬非常小(小于相鄰信道信號脈寬，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相鄰信道信號；

(3) 信號包絡(luò)可被相鄰信道信號的包絡(luò)完全包含。

如果找到這種信號，則將該信號剔除。場景3如圖8所示。

圖8 場景3兔耳脈沖示意圖

4) 場景4

依次對相鄰信道的包絡(luò)檢測結(jié)果進行比對，尋找滿足如下條件的包絡(luò)：

(1) 幅度小于相鄰信道信號；

(2) 信號包絡(luò)與相鄰信道信號的包絡(luò)在時域上幾乎相同；

(3) 頻率處于過渡帶內(nèi)且與相鄰信道信號的頻率非常接近。

如果找到這種信號，則將該信號剔除。場景4如圖9所示。

圖9 場景4重復(fù)信號示意圖

在綜合考慮上述清除幾種虛假信號的方法的基礎(chǔ)上，得到如圖10的處理流程。

圖10 信道化及消除虛假信號流程圖

對上述幾種場景，經(jīng)過消除虛假信號處理后再進行分選，得到如表2所示的結(jié)果。

表2 消除虛假信號后的分選結(jié)果

可見，對4種場景，在消除虛假信號后再進行分選，得到的結(jié)果與真實信號基本吻合。

5 結(jié)束語

本文討論了數(shù)字信道化后形成虛假信號的幾種場景，通過對每種場景進行仿真分析，得出虛假信號時域、頻域的參數(shù)特征，根據(jù)這些特征提出了相應(yīng)的消除虛假信號的方法和處理流程。按照本文提出的方法分別處理4種場景的虛假信號，都取得了理想的分選結(jié)果，與真實信號基本一致，這證明了方法的有效性。由于多相濾波信道化存在虛假信號的問題，對偵收信號分段作快速傅里葉變換然后進行檢波和參數(shù)測量是另一種可行方法。

[1] TSUI J B Y，STEPHENS J P．Digital microwave receiver technology[J]．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3)：699-705．

[2] CHEN C H，GEORGE K，WANG M Z，et al．Design and performance evaluation of a 2.5-GSPS digital receiver[J]．IEEE Transactions on Instrument and Measurement，2005，54(3)：1089-1099．

[3] 高海山, 牛忠霞, 王 斌. DSP的軟件信道化接收機的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代雷達, 2005, 27(6): 55-58. GAO Haishan，NIU Zhongxia，WANG Bin．Design and implementation of a soft ware-channelized receiver based on DSP[J]．Modern Radar, 2005，27(6)：55-58．

[4] 付永慶，李 裕．基于多相濾波器的信道化接收機及其應(yīng)用研究[J]．信號處理，2004,20 (5)：517-520． FU Yongqing，LI Yu．The realization of channelized receivers based on polyphase filters[J]．Signal Processing，2004, 20(5)：517-520．

[5] 周 欣，吳 瑛．基于多相濾波的寬帶接收機信道化算法研究[J]．現(xiàn)代雷達，2006, 28(11)：71-74． ZHOU Xin，WU Ying．A study on broad-band channelized receiver algorithm based on polyphase filters[J]．Modern Radar, 2006,28(11)：71-74．

[6] 葉金偉, 劉 渝. 基于多相濾波的跨信道寬帶信號處理技術(shù)[J]. 航天電子對抗，2012, 28(1): 52-55. YE Jinwei，LIU Yu．Broadband signal reception technology crossing channels based on polyphase filter[J]．Aerospace Electronic Warfare，2012, 28(1): 52-55.

[7] 葉金偉．基于 FPGA 的寬帶跨信道信號的識別與處理[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2009． YE Jinwei．Identification and process for broadband signal crossing channels based on FPGA[D]．Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2009．

[8] 張曉發(fā)，梁睿海，袁乃昌．信道化偵察接收機優(yōu)化設(shè)計[J]．現(xiàn)代雷達，2007, 29(11)：91-93． ZHANG Xiaofa，LIANG Ruihai，YUAN Naichang．Optimized design of channelized reconnaissance receiver[J]．Modern Radar, 2007, 29(11)：91-93．

[9] 冀連營，高梅國. 信道化IFM接收機中LFM信號的接收[J]．現(xiàn)代雷達，2009, 31(8)：73-76． JI Lianying，GAO Meiguo. LFM signal receptionin in channelized instantaneous frequency measurement receiver[J]．Modern Radar, 2009, 31(8)：73-76．

[10] LANG S W，MUSICUS B R．Frequency estimation from phasediferences[C]. IEEE International Conference on Acoustics，Speech，and Signal Processing． Glasgow，UK: IEEE Press, 1989：2140-2143．

桂佑林 男，1977年生，碩士研究生，高級工程師。研究方向為雷達信號處理。

王本君 男，1987年生，碩士研究生，工程師。研究方向為雷達信號處理。

A Study on Digital Channelization and False Signals

GUI Youlin，WANG Benjun

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At first，the digital channelization receiver based on the polyphase filter and its realization are introduced briefly.Then the scenes of false signals such as cross channel、“rabbit ear effect”and duplicate signals are discussed.For every false signal，the detailed explanation is provided after simulation. Based on the features of the three false signals,the methods of false signals elimination are proposed.The integrated process flow is also offered.At last，the availability of the methods is proved through the result of MATLAB simulations.

polyphase filter；digital channelization；false signals

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.005

桂佑林 Email：guiyl@163.com

2015-10-22

2015-12-23

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0023-05