基于數(shù)字信道化技術(shù)的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)算法

郭 鵬

（成都華力創(chuàng)通科技有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

通信電子戰(zhàn)是影響現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)勝敗的重要作戰(zhàn)手段，數(shù)字信道化算法是通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵算法，具有實(shí)時(shí)處理、大瞬時(shí)帶寬、高截獲概率、高分辨率、高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)勢(shì)，具備同時(shí)處理分析多信號(hào)的能力。數(shù)字信道化算法充分利用了數(shù)字化和信道化的優(yōu)勢(shì)，采用數(shù)字濾波器組替代傳統(tǒng)的模擬濾波器組，有效解決了各模擬通道之間幅相不一致的問(wèn)題并且數(shù)字化后的數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)。信道化是將全頻段分為若干個(gè)相同帶寬的子信道，搜索和監(jiān)視任意頻段的非協(xié)作信號(hào)，能夠處理多個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)，完成對(duì)信號(hào)的全概率截獲[1-2]。數(shù)字信道化算法能夠適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)的復(fù)雜電磁環(huán)境需求，支持對(duì)偵收到的大批量非協(xié)作信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理。數(shù)字信道化輸出的處理結(jié)果中包括強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，如果采用固定門(mén)限進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，那么對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)會(huì)存在大概率漏檢的問(wèn)題，丟失微弱目標(biāo)。該文提出了一種基于數(shù)字信道化技術(shù)的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)算法，針對(duì)不同的子信道集產(chǎn)生適配的自適應(yīng)檢測(cè)門(mén)限，能夠有效檢測(cè)強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱信號(hào)的有效分離并提取目標(biāo)信號(hào)。

1 基于多相DFT 濾波器組的數(shù)字信道化

數(shù)字信道化原型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，輸入信號(hào)x[n]先經(jīng)過(guò)帶通濾波器h0[n]，h1[n]，…，hK-1[n]濾波，再將各子信道濾波結(jié)果乘以旋轉(zhuǎn)因子e-jnω0，e-jnω1，…，e-jnωK-1，將信號(hào)中心頻率搬移到基帶，然后對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行M倍抽取，得到該子信道的輸出信號(hào)yk[Mn]。

圖1 數(shù)字信道化的原型結(jié)構(gòu)

子信道數(shù)K與抽取倍數(shù)M相等，為了計(jì)算方便，該文選擇偶型排列的均勻信道排列形式（如圖2 所示），在偶型排列中第k個(gè)帶通濾波器的中心頻率，原型低通濾波器位于基帶，幅頻特性呈左右對(duì)稱(chēng)，原型低通濾波器通過(guò)頻譜搬移可以得到其余帶通濾波器[3-4]。

圖2 信道偶型排列

第k個(gè)信道的輸出如公式（1）所示。

其中，N滿(mǎn)足N=KP，令i=r+pK（r=0，1，...，K-1；p=0，1，...，P-1），就有公式（2）。

令第r路多相濾波結(jié)果如公式（3）所示。

則有公式（4）。

當(dāng)K=M時(shí)，公式（4）可以改寫(xiě)為公式（5）。

如圖3 所示，通過(guò)上述推導(dǎo)，數(shù)字信道化的原型結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)換為多相濾波形式的高效數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)如下：算法采用多相結(jié)構(gòu)，抽取部分位在最前端，降低了后續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)率，有利于整個(gè)數(shù)字信道化的實(shí)時(shí)處理；各子信道共用1 個(gè)原型低通濾波器，每個(gè)通道的多相濾波器是原型低通濾波器的抽樣值，抽樣值的大小等于子信道的數(shù)量，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；在求得多相濾波結(jié)果的基礎(chǔ)上，用IDFT 1 次就可將各支路信號(hào)搬到基帶上，不必各通道分別進(jìn)行下變頻計(jì)算，提高了計(jì)算效率。

圖3 基于多相濾波和IDFT 的數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)

2 基于數(shù)字信道化的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)算法

數(shù)字信道化后的各子信道既包括強(qiáng)信號(hào)，又包括弱信號(hào)，在信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，如果固定門(mén)限選擇過(guò)低，就會(huì)將噪聲和干擾誤判為目標(biāo)信號(hào)，如果固定門(mén)限選擇過(guò)高，就會(huì)漏掉微弱信號(hào)，該文在高斯白噪聲環(huán)境下將子信道集作為檢測(cè)對(duì)象，采用滑動(dòng)雙窗的能量檢測(cè)算法對(duì)全頻段的子信道集進(jìn)行自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)，當(dāng)信號(hào)加噪聲的能量大于噪聲的能量時(shí)，選擇合適的門(mén)限值就能解決信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題。

基于滑動(dòng)雙窗的能量檢測(cè)法原理如圖4 所示，移位寄存器被等分為2 個(gè)滑動(dòng)窗口（A、B）。其中，ani、bni分別為A、B窗口中能量的和，rni、r*ni表示輸入信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的共軛，Rni、Rni-1、…、Rni-2L+1表示窗口中的能量值，mni=|lg（ani/bni）為2 個(gè)窗口信號(hào)能量和的比值，VT表示判據(jù)門(mén)限。最終判決量mni的大小由接收信號(hào)的信噪比決定，即不受載波頻偏、調(diào)制樣式的影響，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的信噪比來(lái)設(shè)置檢測(cè)門(mén)限[5-7]。

圖4 滑動(dòng)雙窗能量檢測(cè)法

滑動(dòng)雙窗能量檢測(cè)算法的原理如下：在信號(hào)到達(dá)前，A窗和B窗都為噪聲能量，此時(shí)ani、bni的值基本相等，ani/bni的值約等于1，因此判決量mni接近于0，判決量mni通常小于門(mén)限值VT；當(dāng)信號(hào)到達(dá)時(shí)，A窗中信號(hào)能量不斷增加，直到有效數(shù)據(jù)的開(kāi)始部分都在A窗中為止，而B(niǎo)窗仍為噪聲能量，即bni不變，因此判決量mni將隨ani值的增大而增大，判決量如公式（6）所示。

式中：Ec為信號(hào)能量；N0為噪聲能量；SNR為信噪比，滑動(dòng)雙窗能量檢測(cè)算法在信號(hào)到達(dá)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)尖峰，峰值對(duì)應(yīng)的序號(hào)表示有信號(hào)的起始子信道號(hào)。

在信號(hào)持續(xù)過(guò)程中，A窗和B窗都為信號(hào)能量，此時(shí)ani、bni的值基本相等，ani/bni的值約等于1，因此判決量mni接近0，判決量mni通常小于門(mén)限值VT。

當(dāng)信號(hào)結(jié)束時(shí)，有效信號(hào)結(jié)束部分全在B窗中，A窗中全為噪聲，即ani不變，因此判決量mni將隨bni值的減小而減小，判決量如公式（7）所示。

式中：Ec為信號(hào)能量；N0為噪聲能量；SNR為信噪比，滑動(dòng)雙窗能量檢測(cè)算法在信號(hào)結(jié)束時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)尖峰，峰值對(duì)應(yīng)的序號(hào)表示有信號(hào)的結(jié)束子信道號(hào)。

通過(guò)上述信號(hào)檢測(cè)流程，能夠在有目標(biāo)信號(hào)的子信道集對(duì)應(yīng)的上升沿和下降沿各產(chǎn)生1 個(gè)檢測(cè)尖峰，判定尖峰之間的子信道集為有目標(biāo)的子信道集。

3 算法仿真分析

3.1 常規(guī)通信信號(hào)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)衛(wèi)星通信的應(yīng)用場(chǎng)景，分別設(shè)置了不同調(diào)制類(lèi)型的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 以及16APSK 信號(hào)進(jìn)行仿真，分為強(qiáng)信號(hào)組合、弱信號(hào)組合以及強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)組合，以驗(yàn)證基于數(shù)字信道化技術(shù)的自適應(yīng)檢測(cè)門(mén)限檢測(cè)算法是否能夠有效提取檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)，仿真信號(hào)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，仿真信號(hào)的采樣頻率為100 MHz，中頻為70 MHz，在中頻附近每隔5 MHz 設(shè)置1 個(gè)信號(hào)帶寬為1 MHz 的目標(biāo)信號(hào)，信號(hào)覆蓋的頻段為59.5 MHz~80.5 MHz，信號(hào)的長(zhǎng)度為65536個(gè)采樣點(diǎn)。

表1 信號(hào)仿真參數(shù)

針對(duì)仿真信號(hào)，該文采用數(shù)字下變頻算法進(jìn)行濾波和4 倍抽取，得到采樣率為25 MHz 的基帶I/Q 信號(hào)，能夠無(wú)失真地表示目標(biāo)信號(hào)，然后輸入數(shù)字信道化算法進(jìn)行處理。數(shù)字信道化算法的原型低通濾波器包括8 192 個(gè)系數(shù)，具有較好的帶內(nèi)平坦度和帶外抑制指標(biāo)，選擇子信道數(shù)K=256，每個(gè)子信道包括32 個(gè)系數(shù)，子信道的采樣率為97.656 25 kHz，信道排布采用了偶型排列的方式，第一百二十三子信道~第一百三十一子信道的局部排列如圖5 所示，覆蓋的頻率范圍為69.37 MHz~70.24 MHz，每個(gè)子信道輸出多相濾波后的基帶I/Q 信號(hào)，并作為信號(hào)檢測(cè)算法的輸入。

圖5 信道排布圖

3.2 固定門(mén)限和自適應(yīng)門(mén)限的信號(hào)檢測(cè)分析

3.2.1 強(qiáng)信號(hào)組合

如圖6所示，強(qiáng)信號(hào)組合從左往右的信號(hào)分別為BPSK、QPSK、8PSK、16QAM和16APSK，信號(hào)的幅度均較大，固定門(mén)限和自適應(yīng)門(mén)限均能夠有效檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)。自適應(yīng)門(mén)限能夠在（60±0.5）MHz、（65±0.5）MHz、（70±0.5）MHz、（75±0.5）MHz 和（80±0.5）MHz 附近產(chǎn)生正確的檢測(cè)門(mén)限，有效的檢測(cè)到5 個(gè)目標(biāo)信號(hào)，信號(hào)帶寬估計(jì)精度較準(zhǔn)確；而固定門(mén)限通常取為能量均值的倍數(shù)，容易受到信號(hào)幅度的影響，固定門(mén)限的閾值高于自適應(yīng)門(mén)限，自適應(yīng)門(mén)限的帶寬估計(jì)精度比固定門(mén)限的帶寬估計(jì)精度高。

圖6 強(qiáng)信號(hào)組合的信道化結(jié)果檢測(cè)對(duì)比

3.2.2 弱信號(hào)組合

如圖7 所示，弱信號(hào)組合從左往右的信號(hào)分別為BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 和16APSK，信號(hào)的幅度均較小，固定門(mén)限和自適應(yīng)門(mén)限均能夠有效檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)。自適應(yīng)門(mén)限能 夠 在（60±0.5）MHz、（65±0.5）MHz、（70±0.5）MHz、（75±0.5）MHz 和（80±0.5）MHz 附近產(chǎn)生正確的檢測(cè)門(mén)限，有效檢測(cè)到5 個(gè)目標(biāo)信號(hào)，信號(hào)帶寬估計(jì)較準(zhǔn)確；而固定門(mén)限通常取為能量均值的倍數(shù)，因?yàn)檩斎胄盘?hào)的幅度較小，所以固定門(mén)限和自適應(yīng)門(mén)限的大小相對(duì)強(qiáng)信號(hào)組合均有2個(gè)數(shù)量級(jí)的降低，而固定門(mén)限的閾值高于自適應(yīng)門(mén)限，自適應(yīng)門(mén)限的帶寬估計(jì)精度比固定門(mén)限的帶寬估計(jì)精度高。

圖7 弱信號(hào)組合的信道化結(jié)果檢測(cè)對(duì)比

3.2.3 強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)組合

如圖8 所示，強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)組合從左往右的信號(hào)分別為BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 和16APSK，BPSK、8PSK和16APSK 的幅度較大，QPSK、16QAM的幅度較小，能夠反應(yīng)復(fù)雜的電磁信號(hào)環(huán)境。固定全局門(mén)限能夠檢測(cè)到強(qiáng)信號(hào)，漏檢弱信號(hào)，原因是強(qiáng)信號(hào)的存在抬高了信號(hào)的平均功率，設(shè)置的固定門(mén)限高于弱信號(hào)的最大幅度，導(dǎo)致65 MHz 和75 MHz 處的信號(hào)漏檢；而自適應(yīng)門(mén)限以子信道集為檢測(cè)對(duì)象，在使用滑動(dòng)雙窗能量檢測(cè)的過(guò)程中，門(mén)限判決量由接收信號(hào)的信噪比決定，當(dāng)信噪比大于3 dB 時(shí)，判定為有信號(hào)，相對(duì)固定門(mén)限的選擇更合理，自適應(yīng)門(mén)限能夠有效檢測(cè)到強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，在檢測(cè)性能和帶寬估計(jì)精度均比固定門(mén)限高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的有效分離。

圖8 強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)組合的信道化結(jié)果檢測(cè)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)常規(guī)衛(wèi)星通信信號(hào)的強(qiáng)信號(hào)組合、弱信號(hào)組合以及強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)組合進(jìn)行仿真，使用固定門(mén)限和自適應(yīng)檢測(cè)門(mén)限對(duì)數(shù)字信道化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，在強(qiáng)信號(hào)組合和弱信號(hào)組合的情況下，2 種門(mén)限檢測(cè)性能相當(dāng)；在強(qiáng)信號(hào)組合和弱信號(hào)組合的情況下，固定門(mén)限的只能檢測(cè)到強(qiáng)信號(hào)，漏檢了弱信號(hào)；自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)算法對(duì)不同的子信道集產(chǎn)生匹配的自適應(yīng)檢測(cè)門(mén)限，能夠有效檢測(cè)強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)，檢測(cè)性能和帶寬估計(jì)精度比固定門(mén)限高并且支持對(duì)強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的分離，驗(yàn)證了基于數(shù)字信道化技術(shù)的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)算法的有效性。