基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統設計

尤 淳

(中國電子科技集團公司 第十四研究所，南京 210013)

0 引言

雷達通信信號技術根據通信信號發送、接收的快慢程度可分為模擬信號、中頻信號、載波信號等[1-2]。目前網絡信息快速發展，對雷達通信信號收發控制系統的要求越來越高。當雷達通信信號發送速度越快時，信號注入點的位置越靠近終端位置的前端；當雷達通信信號發送速度越慢，信號注入點的位置越靠近終端位置的中心[3]。因為利用大數據分析雷達通信信號的通信數據流精度和信號逼真程度高，所以需要根據實際情況設計相應的雷達通信信號收發控制系統。

目前國內外學者對相關領域進行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻[4]提出基于網格密度峰值的雷達分選系統，利用雙重網格劃分方式，避免邊界丟失問題，運用改進密度峰值的網格合并方式，實現雷達信號脈沖描述的實時聚類，由此完成雷達分選，該方法具有較高的準確度和抗干擾能力，但分選時間較長。文獻[5]提出基于頻分陣列多輸入多輸出設計的雷達聯合通信自適應閉環距離角相關旁瓣控制方法。利用重疊頻分陣列生成的非耦合波束圖和基于Blackman窗的非均勻頻偏，實現距離角相關旁瓣控制，設計發射權重向量，計算波束空間矩陣，區分目標和通信接收器位置。該方法具有較高的安全性，但存在接入信號容量較低的問題。

為了滿足大數據分析雷達通信信號數據采集、處理的需求，本文設計了一個可靠性高、數據傳輸、接收速率快的收發控制系統，大數據采集分析是數據采集處理系統的核心組成部分，搭建了雷達通信與外界通信信號傳輸的平臺，完成了對雷達通信數據的快速發送和接收。雷達通信信號收發控制系統采用了數據挖掘技術，硬件和軟件相互配合工作使通信數據傳輸速度快、系統可靠性高、成本低，解決了傳統雷達通信信號收發控制系統信號發送緩慢、數據接收不及時的難題。

1 基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統硬件設計

本文設計的雷達通信信號收發控制系統硬件由發送器、接收器、控制器3部分組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 雷達通信信號收發控制系統硬件結構

1.1 雷達通信信號發送器

雷達通信信號收發控制系統需要產生四路差分通道Y、I雷達回波信號，每個雷達回波信號都需要將對應的載波信號、抑制噪聲以及通信信號參數存儲到存儲器中。雷達通信信號發送器結構如圖2所示。

圖2 雷達通信信號發送器結構

根據圖2可知，雷達通信信號發送器包括鍵盤、CPU以及數據傳輸器。通過鍵盤輸入電路將雷達通信信號送入單片機MSO746F167的I/O口，經過單片機處理之后，對頻率芯片進行低功率設置，以確定發送器發送雷達通信信號的方式。發送器輸出雷達通信信號經過無線芯片NTF608的處理，送至無線發射器的接收方，MSO746F167單片機可以長時間持續運轉，在少于6 μs的時間進行低功耗模式喚醒，集成了A/D轉換器、硬件乘法器、定時器、時鐘等。雷達通信信號發送器內部時鐘結構如圖3所示。

圖3 雷達通信信號發送器內部時鐘結構

雷達通信信號發送器的工作電壓為2～5.6 V，22引腳FIJ封裝，工作于344/864/931 MHz頻道。NTF608由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器以及調制器構成。在運行時不需要添加時鐘濾波器，需要開啟Shockburst TM發送模式，自動處理循環冗余校驗碼，使用STI接口與接收器互相通信，配置方便，適配性高[6-7]。除此之外，雷達通信信號發送器功耗低，以15 dBm的輸出功率發送通信信號電流為15 mA，工作接收器的電流為12.5 mA，發送器內部構建空間模式與關機模式，能夠實現雷達通信信號的大功率傳送[8-10]。調頻機制強大，單片容量能達到4 GB，能夠存儲大量的雷達通信數據，讀取數據傳輸的速度將近50M字節，雷達通信信號的傳輸速率達到2.5 Gb/s。

1.2 雷達通信信號接收器

雷達通信信號接收器是整個雷達通信信號收發控制系統的核心。因為雷達通信信號在發送過程中的傳輸速率不穩定，所以需要生成多個多路通信信號源。雷達通信信號接收器結構如圖4所示。

圖4 雷達通信信號接收器結構

根據圖4可知，雷達通信信號接收器由帶通、低噪聲放大器以及解調器組成。接收器的芯片選用AD2764，發送器發送的雷達通信信號經過帶通進行選頻，選頻結束后進行濾除干擾，將通信信號濾除的有用信號通過解調器的要求形成電平值，運用超長的指令結構，內含6個獨立的信號開關、3個定點接收邏輯上行頻帶、傳輸的數值在800～900 MHz、4個調制乘法器、28個30位通用本振信號[11-13]。通帶信號在對信號載波的調制過程中進行調波，將通帶信號搬移到所需的頻段變成上變頻信號，放大到足夠的標準信號值時進行抗干擾，在不干擾的相鄰信道傳送并最終形成限制頻帶。

250 MHz雷達通信信號收發控制系統在2 500 MI/s和650 MFLO時鐘工作下性能發揮到最大，雷達通信信號源變成正弦波，濾除過程中產生增益，射頻增益、混頻增益、中頻增益共同組成了總增益，信號增益分散在各個頻段，較為穩定[14-15]。通信信號中頻頻率低并且較為固定，增益容易增大但很穩定，在較低的固定中頻上解調或A/D變換也相對來說較為容易，只需通信信號在中頻傳輸信道形成正弦載波即可[16-17]。完成雷達通信信號地址的讀取，輸出上行信道傳送過來的通信信道數據，接收來自發送器發送的雷達通信基帶信號，延遲下行信道到達的時間，讀取數據中心的存儲數據并啟動A/D轉換器，輸入的通信數據嵌入到接收器的芯片內部，根據對應的傳輸數據以及目標參數選擇合適的調制和解調方式，其讀寫速度能達到200 MHz，設計的雷達通信信號接收器抗干擾性能好、頻帶利用率高、無線收發轉換的損耗小。

1.3 雷達通信信號控制器

雷達通信信號控制器是基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的終端器件，控制器的芯片為NTUET34876R，核心器件是SIMENS公司推出的，具有超強信號抗干擾能力。控制器的芯片是先進的I/O處理器，采用了先進的數據流控制結構，是28位、30 MHz的總線注I/O控制器，符合雷達通信信號總線規范的3.2版本，具有3種不同的控制模式，針對不同種類的處理器結構以及總線屬性，需要減少信號發送以及接收過程中的中間邏輯，同時它具有多項選擇的并行電平接口，本地時鐘與線上通信信號時鐘同步。

雷達通信信號控制器內部有4種可編程的嵌入系統，可以實現雷達通信信號的零等待傳輸。在適配性高的嵌入式系統中嵌入雷達通信信號，整機采用5 V電路，對電源噪聲要求較低，通過中心電流不超過2 A，使雷達通信信號滿負載波紋滿足收發控制系統的要求。芯片外接15 bit數據流，6個引腳。當采用4 bit模塊時，6個引腳需要下拉，這時采用10 bit的數據形式，控制器通信信號插槽接口處連接每個信號區域，對通信信號的長度、大小，數據流的連接都有特定點的要求，通信信號下拉引腳需要設置1個下拉或者2個下行信道，以供雷達通信信號的有效傳送。雷達通信信號控制器結構如圖5所示。

圖5 雷達通信信號控制器結構

在控制器的數據線、地址線以及某些重要控制信號區域需要采用單向緩存動作，以便對雷達通信信號進行緩沖，使控制器對雷達通信信號有較強的驅動以及抗干擾能力[18]。由于讀取通信地址只能是單向的，因此，發送以及接收雷達通信信號必須固定方向，使通信數據能夠上傳到云端處理器中進行存儲，通信方向由信號增益控制，以便達到雷達通信信號雙向傳輸的目的。

2 基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統軟件設計

大數據的形成通常需要大量文本數據的長期累積，往往依靠傳統的方式獲取原始數據，在應用到雷達通信信號中，根據雷達采集、雷達通信信號接收器接收到的通信數據，運用數據挖掘技術，得到更多的有關雷達通信的相關數據。數據挖掘技術指的是在海量未知的實際數據中提取相關信息的過程。通過輸入雷達通信信號數據，預處理數據信息，對輸入雷達通信信號數據進行加工，處理雷達通信信號噪聲數據，采用數據挖掘技術將雷達通信信號數據進行分類，得到相關數據信息，再通過訓練獲取分類規則，構建模型進行參數調優，輸出雷達通信數據參數。由于雷達通信數據的參數調整較為復雜，采用數據挖掘技術，應用到雷達通信信號的發送以及傳輸、接收，根據已存在的雷達通信數據，實現雷達通信信號的優化，提升通信設備的響應靈敏度，提高雷達通信信號的抗干擾能力。并且采用數據挖掘技術，能夠挖掘雷達與雷達信號之間的連接關系，通過原始數據實時獲取通信信號的目標參數，跟蹤并且識別雜波信號的差異性，提取不同雷達通信信號的屬性特征，更好地跟蹤雷達通信信號抗干擾數據?；诖髷祿治龅睦走_通信信號收發控制系統軟件工作流程如圖6所示。

圖6 基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統軟件工作流程

根據圖6可知，雷達通信信號收發控制采用一定的順序，首先雷達通信原始數據經過數據挖掘后，上傳到解調器中產生正弦波紋、噪聲數據以及標準通信數據參數，通過單信道傳輸到與其對應的存儲器中進行存儲，整個發送雷達通信信號的過程由通信信號控制器控制。按照發送程序發送的格式命令、地址，將通信信號發送至主控程序上，然后由主控程序控制接收器接收命令，將接收的指令以及通信數據傳送至接收器的總線上，數據自動保存并下載。接著通過總線接收的命令，雷達通信信號接收器接收發送過來的數據，并定位發送節點地址，將雷達通信數據讀寫到接收器中，接收到的通信數據屬于雷達通信的標準，需要關閉信道傳輸通道，等待接收新的傳輸雷達通信數據的指令，并判斷新的指令地址。最后，在雷達通信信號控制器中寫入4 k字節數據，通過編程記錄通信信號地址，將通信數據搬移到程序的CPU中，采用數據緩沖將數據進行交換、運算，當通信信道的正弦波、抑制噪聲以及通信數據下載完成后，啟動信道通道將雷達通信數據進行A/D轉換，完成雷達通信信號的發送、接收以及處理、控制，由此實現雷達通信信號收發控制。

3 實驗分析

為了驗證本文設計的基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的有效性，在設計過程中需要選用SIMENS公司生產的國內先進的雷達芯片，能夠提前演示雷達通信信號收發控制系統。分別采用基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統與基于樸素貝葉斯網絡的雷達通信信號收發控制系統、基于網格密度峰值聚類的雷達通信信號收發控制系統進行實驗對比，分析系統接入信號容量和系統信號收發控制時間。得到不同方法的系統接入信號容量對比結果如圖7所示。

圖7 不同方法的系統接入信號容量對比結果

根據圖7可知，基于樸素貝葉斯網絡的雷達通信信號收發控制系統和基于網格密度峰值聚類的雷達通信信號收發控制系統的接入信號容量分別為63%和52.2%，對雷達通信信號進行控制時，系統接入信號仍然有許多空余容量，系統的空間無法得到有效利用，而基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的接入信號容量為85.9%。由此可知，基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的接入信號容量較大，因為在設計基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統中，通信過程中產生的雷達通信數據、目標增益、噪聲數據通過接收器的總線得到了實時的記錄、保存，使系統的頻帶利用率高，具有很好的抗干擾性、隔離性、以及功效性，能夠充分利用系統容量，從而增強系統的運行效果，達到更好的存儲效果。

在此基礎上，為了進一步分析系統的有效性，得到不同方法的系統信號收發控制時間如圖8所示。

圖8 不同方法的系統信號收發控制時間對比結果

根據圖8可知，隨著通信信號數量的增加，不同方法的系統信號收發控制時間隨之增大。當通信信號數量達到160 dBm時，基于樸素貝葉斯網絡的雷達通信信號收發控制系統和基于網格密度峰值聚類的雷達通信信號收發控制系統的信號收發控制時間分別為62 s和110 s，而基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的信號收發控制時間僅為43 s。由此可知，基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的信號收發控制時間較短，因為在建立大量雷達通信數據之間的聯系時，應用數據表征邏輯關系確定通信數據的關聯性，這樣對雷達通信的具體信息能夠掌握得更充分，利用更徹底，使基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統性能達到最優，隨著大量先進的雷達投入使用，雷達之間的通信效率也會越來越高。

4 結束語

為了增大雷達通信信號收發控制系統接入信號容量，縮短系統信號收發控制時間，利用大數據技術完成雷達通信信號的收發控制。經實驗驗證基于大數據分析的雷達通信信號收發控制系統的接入信號容量較大，能夠有效縮短系統信號收發控制時間。雷達通信數據存儲以及處理能力在大數據分析技術中得到了明顯的優化，包括其中的數據參數配置、通信信號發送速度的快慢、雷達通信數據接收的實時性以及收發控制性能的優化調整以及信號的反饋、評估。