一種動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)設(shè)計

王煒珽+陶東香+張文旭+胡建波

摘 要： 在電子偵察領(lǐng)域中，由于脈沖壓縮雷達(dá)信號帶寬越來越寬，這就要求電子偵察接收機(jī)也應(yīng)具有較大的瞬時帶寬，然而較大的瞬時帶寬會導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度降低。針對該問題，提出一種動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。通過對信號精確重構(gòu)條件的分析，采用迭代算法設(shè)計動態(tài)調(diào)制濾波器組的原型低通濾波器，并構(gòu)造出一種動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)，計算機(jī)仿真結(jié)果驗證了該動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)可近似精確重構(gòu)原始信號。該高效結(jié)構(gòu)在降低計算量的同時，提高了接收機(jī)的靈敏度。

關(guān)鍵詞： 動態(tài)調(diào)制濾波器組； 信號重構(gòu)； 混迭分量； 復(fù)指數(shù)調(diào)制； 原型濾波器； 偶型排列

中圖分類號： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）15?0001?05

Abstract： The bandwidth of the pulse compression radar signal becomes wider in electronic reconnaissance field， therefore it is required that the electronic reconnaissance receiver should have the wider instantaneous bandwidth， which may reduce the sensitivity of the receiver. Aiming at this problem， an efficient structure design method of the dynamic modulated filter banks is proposed. By analyzing the signal accurate reconstruction conditions， the iterative algorithm is used to design the prototype low?pass filter of the dynamic modulated filter banks， and an efficient structure of the dynamic modulated filter banks is constructed. The computer simulation result shows that the efficient structure of the dynamic modulated filter banks can reconstruct the original signal accurately. The efficient structure can reduce the computation quantity， and improve the sensitivity of the receiver.

Keywords： dynamic modulated filter bank； signal reconstruction； aliasing component； complex index modulation； prototype filter； even arrangement

0 引 言

在現(xiàn)代的電子偵察領(lǐng)域中，未知的電子偵察信號的種類越來越多，特別是脈沖壓縮雷達(dá)信號，其信號帶寬越來越寬，面對復(fù)雜的電磁環(huán)境，電子偵察接收機(jī)中往往需要采用具有大瞬時帶寬、大動態(tài)范圍的偵察接收機(jī)以適應(yīng)脈沖壓縮雷達(dá)信號的接收。具有大瞬時帶寬的脈沖壓縮雷達(dá)信號往往要求偵察接收機(jī)采用數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)以適應(yīng)此類信號的接收及其后續(xù)參數(shù)識別等信號處理[1]。由于電子偵察接收機(jī)面臨的是復(fù)雜的未知雷達(dá)信號，因此，在采用數(shù)字信道化進(jìn)行瞬時帶寬劃分時，往往信道的劃分是預(yù)先設(shè)計好的，這使得電子偵察接收機(jī)的瞬時帶寬不能與未知脈沖壓縮雷達(dá)信號的帶寬形成匹配，因此可能造成電子偵察接收機(jī)靈敏度的下降[2]。將動態(tài)調(diào)制濾波器組設(shè)計方法應(yīng)用于電子偵察接收機(jī)的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以通過檢測脈沖壓縮雷達(dá)信號覆蓋的信道情況，對預(yù)先設(shè)計好的均勻濾波器組進(jìn)行部分濾波器組的合并，從而實現(xiàn)濾波器組的動態(tài)調(diào)整以達(dá)到與輸入脈沖壓縮雷達(dá)信號帶寬的準(zhǔn)匹配[3]。

其中動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)設(shè)計是解決上述問題的關(guān)鍵。在調(diào)制濾波器組研究方面，一些學(xué)者提出了臨界采樣的DFT調(diào)制濾波器組[4]；文獻(xiàn)[5]提出基于擴(kuò)展高斯函數(shù)的余弦調(diào)制濾波器組；文獻(xiàn)[6]提出基于窗方法的余弦調(diào)制濾波器組。本文將迭代算法應(yīng)用于調(diào)制濾波器組設(shè)計中，通過對寬帶雷達(dá)信號跨信道的檢測，將部分信道化信號通過綜合濾波器組進(jìn)行信號重構(gòu)，從而達(dá)到與未知雷達(dá)信號帶寬準(zhǔn)匹配的效果。

1 信號重構(gòu)理論

對于寬帶信號的重構(gòu)需要先利用濾波器組對信號進(jìn)行頻帶劃分，再利用綜合濾波器組對屬于同一信道的寬帶信號合并，因此，分析濾波器組的頻帶劃分是首要環(huán)節(jié)。目前調(diào)制濾波器組類型上包括余弦調(diào)制和復(fù)指數(shù)調(diào)制兩類，其中余弦調(diào)制可以看作一類特殊的復(fù)指數(shù)調(diào)制，而在頻帶劃分結(jié)構(gòu)上主要包括奇型排列和偶型排列兩類[6]。因此，本文以復(fù)指數(shù)調(diào)制、偶型排列作為重點進(jìn)行研究。利用復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組對寬帶信號進(jìn)行重構(gòu)時，需要對信道進(jìn)行均勻劃分，該部分即為分析濾波器組，分析濾波器組將輸入信號的采樣率進(jìn)行降速，得到多個均勻劃分的子帶信道；對屬于同一寬帶信號的信道進(jìn)行合并，即為綜合濾波器組，綜合濾波器組將多個信道進(jìn)行合并，使得輸出后的信號的采樣率得到提升。

圖1給出了基于信號重構(gòu)理論的分析濾波器組和綜合濾波器組的原理框圖。整個信道被均勻劃分成個子帶信道，利用復(fù)指數(shù)調(diào)制因子與輸入信號進(jìn)行混頻，可將輸入信號搬移到基帶，并利用低通濾波器實現(xiàn)濾波以消除混疊。其中分析濾波器組部分的低通濾波器為綜合濾波器組部分的低通濾波器為將子帶信道的頻帶限制在內(nèi)，即可將寬帶信號分成個子帶信道進(jìn)行并行處理，對子帶信道信號進(jìn)行倍抽取，信號依然不存在混疊[7]。

在綜合濾波器組部分，利用倍內(nèi)插、低通濾波、復(fù)指數(shù)調(diào)制后可將多個子帶信道的信號合并。其中，為了避免混疊，分析濾波器組的子帶信道頻域在范圍之外應(yīng)為0，該條件的滿足與否取決于分析濾波器組部分的低通濾波器設(shè)計[8]。通過信道的檢測與判別，確定寬帶信號覆蓋的子帶信道，并將有信號的信道通過綜合濾波器組重構(gòu)出原始信號。其中，檢測到無信號的信道可不參與綜合濾波器組的重構(gòu)。

2 動態(tài)調(diào)制濾波器組設(shè)計方法

2.1 信號精確重構(gòu)條件

考慮到實際電子偵察接收到的信號多為實信號，且本文只針對復(fù)指數(shù)調(diào)制、偶型排列結(jié)構(gòu)重點研究，因此信號精確重構(gòu)條件是在該條件下進(jìn)行推導(dǎo)。其中，偶型排列結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在實信號偶型排列結(jié)構(gòu)中，在0～2π區(qū)間將信道劃分為個子帶信道，其中第個子帶信道的中心為定義旋轉(zhuǎn)因子為抽取因子為信道數(shù)目與抽取因子滿足關(guān)系，一般可選取根據(jù)圖1所示的原理圖，經(jīng)過復(fù)指數(shù)調(diào)制因子調(diào)制、分析濾波器組低通濾波器的濾波以及抽取因子倍抽取[9]，在分析濾波器組第個子帶信道的輸出為：

假設(shè)寬帶信號覆蓋了共個信道，則當(dāng)時，表明該寬帶信號出現(xiàn)了跨信道現(xiàn)象，此時需要綜合濾波器組對這個信道進(jìn)行信道的合并，綜合濾波器組中為內(nèi)插因子，并滿足：

信道檢測與判別的作用是通過對分析濾波器組的個信道輸出進(jìn)行檢測與判別。在圖1中分析濾波器組第個子帶輸出為通過信道檢測與判別，為綜合濾波器組的第個信道的輸入，則有如下關(guān)系：

可見，式（12）即為信號精確重構(gòu)條件[10]。為了保證信號可以精確重構(gòu)，其問題歸結(jié)為分析濾波器組低通濾波器和綜合濾波器組低通濾波器的設(shè)計。

2.2 調(diào)制濾波器組設(shè)計

為了達(dá)到信號精確重構(gòu)的目的，原型濾波器組的設(shè)計是問題的關(guān)鍵，本文采用迭代算法設(shè)計原型濾波器組[11]，算法具體步驟如下：

（1） 迭代算法的初始值為用平方根升余弦函數(shù)設(shè)計的FIR濾波器，并加窗函數(shù)進(jìn)行約束：

（2） 迭代求最優(yōu)化原型濾波器

利用上述迭代算法進(jìn)行原型濾波器設(shè)計，其優(yōu)點在于濾波器具有較大的阻帶衰減，混疊誤差和幅度誤差較小，且濾波器階數(shù)較低，可為后續(xù)動態(tài)調(diào)制濾波器組的實現(xiàn)降低硬件資源，同時與傳統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計相比，具有設(shè)計簡單的特點[12]。

2.3 動態(tài)調(diào)制濾波器組結(jié)構(gòu)

利用迭代算法進(jìn)行動態(tài)調(diào)制濾波器組設(shè)計，在滿足精確重構(gòu)條件的基礎(chǔ)上，還要考慮動態(tài)調(diào)制濾波器組的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，即在圖1的基礎(chǔ)上采用動態(tài)調(diào)制濾波器組的高效結(jié)構(gòu)設(shè)計才具有工程的可實現(xiàn)性。分別對分析濾波器組和綜合濾波器組的高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并將其設(shè)計到動態(tài)調(diào)制濾波器組結(jié)構(gòu)中，可得到動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 計算機(jī)仿真

3.1 偶型調(diào)制濾波器組結(jié)構(gòu)仿真

仿真條件：仿真時間5 μs，采用圖2偶型排列的高效結(jié)構(gòu)，采樣速率960 MHz，區(qū)間被均勻劃分為32個子信道，原型低通濾波器選取通帶截止頻率為15 MHz，阻帶截止頻率為20 MHz，阻帶衰減為85 dB。低通濾波器的幅頻特性如圖4所示。偶型排列有一個不足之處就是信道有冗余，所以此結(jié)構(gòu)只有16個信道的輸出有效，由于接收機(jī)能同時處理不在同一子信道的信號，所以每個信道可以輸入不同的信號來驗證輸出信道的排列。

仿真驗證輸入的信號：頻率為2 MHz和200 MHz的正弦波，250～330 MHz的線性調(diào)頻信號，其仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出：信號的輸出按順序輸出，而且各信道輸出的信號與輸入信號基本相同。2 MHz的正弦波在信道0輸出，200 MHz的正弦波在信道7輸出，250～330 MHz的線性調(diào)頻信號出現(xiàn)了跨信道現(xiàn)象，從8～11信道輸出信號結(jié)果正確。輸出的信號有幅度失真，這是由信道的濾波時有能量損耗，而且濾波器的設(shè)置不理想所致。

3.2 動態(tài)重構(gòu)濾波器組結(jié)構(gòu)仿真

對圖3所示的動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算機(jī)仿真，動態(tài)調(diào)制濾波器組設(shè)計參數(shù)如下：信道帶寬為480 MHz，劃分通道數(shù)目為子帶信道寬度為30 MHz，采用平方根升余弦函數(shù)進(jìn)行FIR濾波器設(shè)計：，窗函數(shù)采用blackman窗，通帶頻率為30 MHz，截止帶頻率為32 MHz，利用迭代算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的濾波器為1 889階，進(jìn)行了60次迭代優(yōu)化。優(yōu)化后的原型低通濾波器如圖6所示。

對設(shè)計好的動態(tài)調(diào)制濾波器組輸入一個寬帶信號，參數(shù)設(shè)置如下：信號類型為LFM信號，起始頻率為15 MHz，終止頻率為190 MHz，原始信號頻譜如圖7所示。

通過動態(tài)調(diào)制濾波器組后觀察輸出結(jié)果，圖8即為動態(tài)調(diào)制濾波器組輸出的重構(gòu)信號頻譜。

根據(jù)計算機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置，輸入的LFM信號覆蓋帶寬為175 MHz，按照偶型排列結(jié)構(gòu)，該信號覆蓋了信道1～6，共計6個子帶信道，考慮到綜合濾波器組部分可以采用FFT高效結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，合并信道數(shù)實際采用了8個信道，即綜合濾波器組部分最終輸入為8個信道，無信號覆蓋的信道進(jìn)行了補(bǔ)零處理，因此，綜合濾波器組內(nèi)插因子選擇為8。從輸出重構(gòu)信號頻譜來看，該動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)可以近似精確重構(gòu)出原始信號。之所以近似精確重構(gòu)，是因為原型低通濾波器設(shè)計時，截止頻率以外的部分不能嚴(yán)格為零。按照該仿真設(shè)置重構(gòu)信號的最終信道帶寬為240 MHz，降為原始信道帶寬的一半，即隨著輸入信號帶寬的變化，最終動態(tài)調(diào)制濾波器組重構(gòu)信號的信道帶寬也在動態(tài)調(diào)整，信道帶寬的減小可使得接收機(jī)靈敏度得到提高。

4 結(jié) 語

在電子偵察接收領(lǐng)域中，面對復(fù)雜的脈沖壓縮雷達(dá)信號偵察接收機(jī)既要具有大瞬時帶寬又要保證高靈敏度。就要求電子偵察接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的改進(jìn)。而將動態(tài)調(diào)制濾波器組應(yīng)用到該領(lǐng)域中，通過迭代優(yōu)化算法進(jìn)行動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在保證偵察接收機(jī)具有大瞬時帶寬的基礎(chǔ)上，可根據(jù)輸入信號寬帶的變化，利用綜合濾波器組實現(xiàn)部分信道的合并，近似精確地重構(gòu)出原始信號的同時，降低了輸出重構(gòu)信號的采樣率，并提高了接收機(jī)的靈敏度。本文通過計算機(jī)仿真驗證了動態(tài)調(diào)制濾波器組高效結(jié)構(gòu)的正確性，在電子偵察接收領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用價值。

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