(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033)

1 引 言

在電子戰(zhàn)中信號(hào)的檢測(cè)速度與截獲概率占有非常重要的地位，快速檢測(cè)與截獲是進(jìn)行瞄準(zhǔn)式干擾的前提，尤其是對(duì)快速跳頻信號(hào)實(shí)施跟蹤瞄準(zhǔn)式干擾，搜索截獲的速度決定了實(shí)施干擾速度和干擾功率進(jìn)入對(duì)方接收機(jī)的時(shí)間占對(duì)方每跳駐留時(shí)間的比例，直接影響了干擾的效能。

超外差體制的全景顯示搜索接收機(jī)接收靈敏度高,但是存在搜索速度、接收靈敏度和頻率分辨率之間的固有矛盾，傳統(tǒng)的基于色散延遲線等壓縮偵察接收機(jī)受環(huán)境等因素影響較大[1]；傳統(tǒng)體制的信道化接收機(jī)可以做到全概率接收，但是功率經(jīng)功率分配器，功率減小，并且體積龐大不便集成，成本高等缺點(diǎn)如文獻(xiàn)[2]的信道化IFM接收機(jī)中LFM信號(hào)的接收；基于多相抽取技術(shù)的信道化接收機(jī)產(chǎn)生旁瓣，虛警率高，如周欣、吳瑛在文獻(xiàn)[3]中對(duì)基于多相濾波的寬帶接收機(jī)信道化算法進(jìn)行的研究。唐濤、吳瑛的基于直線檢測(cè)的寬帶信源個(gè)數(shù)估計(jì)新方法[4]和馬岸英、楊軍超的寬帶高分辨率無線電信號(hào)偵察接收機(jī)[5]都無法兼顧搜索速度、頻率分辨率和信號(hào)接收靈敏度之間的關(guān)系。

基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)只作為全景搜索顯示使用，不作為解調(diào)通道使用，可以與監(jiān)測(cè)偵聽分析接收機(jī)配合使用，把搜索到的對(duì)方信號(hào)頻率提供給監(jiān)測(cè)偵聽分析接收機(jī)，完成對(duì)信號(hào)的搜索和分析?；谄ヅ錇V波線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)是通過信號(hào)壓縮的方式在高速搜索時(shí)提高頻率分辨率的。脈沖壓縮技術(shù)是指把掃頻搜索形成的線性調(diào)頻信號(hào)通過匹配濾波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，在保持了很高的分辨率同時(shí)也保持了在相同輸入信噪比的情況下得到信號(hào)具有最大信噪比，同時(shí)搜索速度、信號(hào)接收靈敏度和頻率分辨率之間的矛盾得到改善，性能穩(wěn)定。

2 壓縮接收機(jī)對(duì)跳頻信號(hào)的搜索檢測(cè)過程

跳頻信號(hào)可以表示為

s(t)=m(t)cos[2π(f0+hnΔf)t+θn],
n=0,1,2,…，N

(1)

式中，Δf為跳頻間隔，hn為跳頻碼，m(t)為信息碼，θn為初始相位。

輸入接收機(jī)的信號(hào)可以表示為

x(t)=s(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)為高斯白噪聲。

本地線性調(diào)頻信號(hào)在一個(gè)掃描周期內(nèi)可以表示為

(3)

(4)

式中，μ是掃描速度。

壓縮濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)當(dāng)T1

(5)

快速跳頻通信中τ是毫秒數(shù)量級(jí)，在計(jì)算中由此引起的相位變化可以忽略，則混頻和壓縮濾波器輸出可以表示為

(6)

式中，T1≤t≤T，t1=max(0,t-T1)，t2=min(t,T1)。當(dāng)考慮對(duì)某一跳進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，設(shè)輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間大于T，則可以將信號(hào)簡(jiǎn)化為s(t)=Acos(ωit+θ)，于是相應(yīng)的輸出可以表示為

(7)

其中n′(t)為壓縮濾波器輸出噪聲：

(8)

(9)

(10)

其中nc(t)和ns(t)是相互獨(dú)立的零均值高斯過程。提取其包絡(luò)得包絡(luò)函數(shù)：

(11)

由包絡(luò)函數(shù)e(t)取得最大值的條件知，當(dāng)信號(hào)存在時(shí)得到包絡(luò)幅度最大值時(shí)刻對(duì)應(yīng)著信號(hào)的中心頻率，通過提取峰值即可獲得跳頻信號(hào)該跳的中心頻率。

在檢測(cè)過程中，對(duì)壓縮濾波器輸出信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)幅度提取，采樣值與某個(gè)頻率相對(duì)應(yīng)，將采樣值與門限進(jìn)行比較，是否存在信號(hào)，如果存在信號(hào)記錄信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率、出現(xiàn)時(shí)間、駐留時(shí)間，連續(xù)掃描N個(gè)周期進(jìn)行綜合分析是否存在跳頻信號(hào)。

3 基于線性調(diào)頻壓縮技術(shù)的偵察接收機(jī)模型

3.1 模擬線性調(diào)頻壓縮技術(shù)偵察接收機(jī)模型

如圖1所示，模擬壓縮技術(shù)接收機(jī)是通過色散延遲線把沖激信號(hào)在時(shí)域展寬為線性調(diào)頻信號(hào)，再與接收的信號(hào)進(jìn)行混頻，通過中頻濾波進(jìn)入壓縮濾波器。壓縮濾波器同樣是由色散延遲線或者叉指換能器來實(shí)現(xiàn)頻率延遲達(dá)到匹配濾波，這種器件形成的線性調(diào)頻信號(hào)會(huì)隨著環(huán)境、溫度的變化而變化，因而性能受到影響，并且這些器件通常體積較大，給系統(tǒng)的小型化、集成化帶來了挑戰(zhàn)。由延遲線或類似延遲線的器件設(shè)計(jì)的濾波器是基于不同頻率信號(hào)經(jīng)過延遲線時(shí)延遲時(shí)間不同，在輸出端壓縮成一個(gè)射頻窄脈沖，再檢波得到時(shí)域的脈沖包絡(luò)，根據(jù)此包絡(luò)在時(shí)間軸上的位置來計(jì)算載頻，精度無法保障。

圖1 模擬壓縮接收機(jī)框圖Fig.1 Block diagram of analog compression receiver

圖中fs(t)為t時(shí)刻進(jìn)入接收機(jī)信號(hào)的頻率，us(t)為進(jìn)入接收機(jī)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，LO為線性調(diào)頻信號(hào)，uI(t)為經(jīng)過中頻濾波器后的中頻信號(hào)電壓，uc(t)為壓縮以后輸出的信號(hào)電壓，u0(t)為輸出的包絡(luò)電壓。

3.2 基于匹配濾波器的線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)模型

基于時(shí)域相位匹配線性調(diào)頻壓縮技術(shù)偵察接收機(jī)簡(jiǎn)稱數(shù)字壓縮接收機(jī)，該數(shù)字壓縮接收機(jī)的框圖模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字壓縮接收機(jī)框圖Fig.2 Block diagram of digital compression receiver

圖中fs(t)為t時(shí)刻進(jìn)入接收機(jī)信號(hào)的頻率，us(t)為進(jìn)入接收機(jī)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，us(nT)為對(duì)接收到的帶限信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，u1(nT)為對(duì)混頻后的信號(hào)經(jīng)中頻濾波器后得到的離散電壓值，A(nT)為對(duì)壓縮濾波器輸出信號(hào)的幅度。

數(shù)字壓縮接收機(jī)的壓縮濾波器是對(duì)中頻輸出信號(hào)進(jìn)行壓縮，進(jìn)入中頻接收機(jī)的信號(hào)是線性調(diào)頻信號(hào)，匹配濾波器是使信噪比最大準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的濾波器，表示為Kss(T-t)，則要求中頻濾波器為線性相位的濾波器，否則信號(hào)相位特性會(huì)發(fā)生畸變，按照線性調(diào)頻信號(hào)設(shè)計(jì)的濾波器則不是匹配濾波器。按照中頻濾波器的通帶頻段和本振信號(hào)的線性調(diào)頻頻率變化率來設(shè)計(jì)匹配濾波器即壓縮濾波器，通過此壓縮濾波器的信號(hào)輸出為時(shí)域窄脈沖，不需要再進(jìn)行檢波，直接用來解信號(hào)的載頻。設(shè)計(jì)的濾波器各抽頭系數(shù)可以存入FPGA存儲(chǔ)器，方便計(jì)算和校正，精度更高。

3.3 信號(hào)源的截取與匹配濾波檢測(cè)

基于壓縮技術(shù)的數(shù)字偵察接收機(jī)要在整個(gè)頻段上進(jìn)行搜索，本振信號(hào)是寬帶的線性調(diào)頻信號(hào)，混頻結(jié)果含有寬帶的線性調(diào)頻信號(hào)和一些諧波分量，寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的一段信號(hào)作為信號(hào)壓縮的信源，截獲并區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)。在對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)時(shí)，載波頻率在一個(gè)碼元或者脈沖內(nèi)是不變的。

輸入接收機(jī)截獲的原始信號(hào)經(jīng)過射頻選擇、混頻后的信號(hào)為x(n)=s(n)+ε(n)，其中s(n)為寬帶線性調(diào)頻序列，頻帶寬度與本振相同，ε(n)是均值為零的高斯白噪聲，經(jīng)過中頻濾波器后得到xI(n)=sI(n)+εI(n)，濾波器采用的是匹配濾波器，抽頭系數(shù)表示為Kss(N-n)。

設(shè)輸出信號(hào)為

sout(n)=[sin(2πflownT+πk(nT)2)+ε(t)]·

sin(2πfhighnT-πk(nT)2)

(12)

ε(t)與信號(hào)不相關(guān)卷積不會(huì)出現(xiàn)峰值，還是噪聲。截取與濾波器匹配的信號(hào)完全進(jìn)入濾波器前與匹配濾波器延時(shí)特性參數(shù)相關(guān)度較小，在截取的匹配信號(hào)完全進(jìn)入濾波器時(shí)會(huì)出現(xiàn)陡峭的峰值。

sin(2πflownT+πk(nT)2)}

(13)

4 基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮的數(shù)字偵察接收機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

基于匹配濾波線性調(diào)頻壓縮的數(shù)字偵察接收機(jī)是特殊體制的超外差接收機(jī)，解決了搜索速度、分辨率和靈敏度之間的矛盾，彌補(bǔ)了模擬壓縮接收機(jī)受環(huán)境等因素影響大、體積大、精度不高等缺點(diǎn)。

4.1 中頻濾波器和壓縮濾波器的設(shè)計(jì)

在中頻濾波器的設(shè)計(jì)中，為了保證通過濾波器的信號(hào)頻率不發(fā)生相位上的畸變，要求中頻濾波器具有線性相位，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的有限沖激響應(yīng)濾波器能滿足要求。設(shè)計(jì)的中頻濾波器特性如圖3所示。

(a)中頻濾波器的幅度頻率特性

(b)中頻濾波器的相位頻率特性圖3 中頻濾波器的幅度頻率相位頻率特性圖Fig.3 Amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic of IF filter

匹配壓縮濾波器的設(shè)計(jì)滿足以下條件：

(1)與線性調(diào)頻本振信號(hào)具有相反斜率特性的線性調(diào)頻濾波器；

(2)與中頻濾波器輸出信號(hào)帶寬對(duì)應(yīng)，與中頻濾波器輸出信號(hào)匹配。設(shè)計(jì)此濾波器具有線性調(diào)頻正弦特性，如圖4所示。

圖4 壓縮濾波器時(shí)域延時(shí)特性圖Fig.4 Latency characteristic of compression filter

4.2 基于匹配濾波器的線性調(diào)頻壓縮數(shù)字偵察接收機(jī)的仿真

假定數(shù)字壓縮接收機(jī)在4～6 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，有兩個(gè)跳頻電臺(tái)在頻點(diǎn)分別為4.13 MHz和4.2 MHz上工作同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)，在4～6 MHz頻率范圍內(nèi)搜索所用的時(shí)間為0.25×10-3s，信號(hào)的幅度為1，采用點(diǎn)數(shù)為1 000，采樣頻率為4 MHz，兩個(gè)正弦波信號(hào)經(jīng)過射頻選頻后進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過混頻濾波以后的信號(hào)其信號(hào)特性如圖5所示。

(a)信噪比為20 dB時(shí)時(shí)域信號(hào)

(b)信噪比為0 dB時(shí)時(shí)域信號(hào)

(c)信噪比為0 dB時(shí)頻譜圖5 進(jìn)入壓縮濾波器前的信號(hào)Fig.5 Signal before compression

壓縮接收機(jī)以8 GHz/s的速度進(jìn)行對(duì)相隔70 kHz的信號(hào)搜索，在輸入信號(hào)信噪比分別為20 dB和0 dB時(shí)，接收機(jī)末端輸出信號(hào)的波形分別如圖6(a)、(b)所示。

(a)輸入信噪比為20 dB時(shí)壓縮接收機(jī)輸出時(shí)域脈沖

(b)輸入信噪比為0 dB時(shí)壓縮接收機(jī)輸出時(shí)域脈沖圖6 輸入信噪比為20 dB和0 dB信號(hào)時(shí)接收機(jī)時(shí)域信號(hào)輸出Fig.6 Output signal against input for SNR=0 and SNR=20 dB

4.3 搜索速度、頻率分辨率矛盾得到解決

常規(guī)外差接收機(jī)在高速搜索的時(shí)候中頻濾波器的性能會(huì)迅速下降主要表現(xiàn)在頻率分辨率下降，接收機(jī)采用了壓縮技術(shù)，壓縮濾波器特性與信號(hào)在混頻和中頻濾波后形成的線性調(diào)頻信號(hào)匹配，壓縮得到窄脈沖，由圖6可知接收機(jī)在輸入信號(hào)信噪比為0 dB時(shí)以8 GHz/s的速度在頻段上搜索時(shí)，仍然能夠很好地將相隔70 kHz的信號(hào)區(qū)分開來。

4.4 壓縮接收機(jī)靈敏度高

通過對(duì)數(shù)字壓縮接收機(jī)搜索信號(hào)的過程進(jìn)行仿真可知接收機(jī)的靈敏度沒有下降，數(shù)字壓縮接收機(jī)輸入接收機(jī)信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖7所示。

圖7 輸入信噪比與輸出的信噪比關(guān)系Fig.7 SNR relation between input and output

搜索速度以8 GHz/s和9.6 GHz/s進(jìn)行搜索，在延時(shí)時(shí)間一定時(shí)，以9.6 GHz/s進(jìn)行搜索的頻率范圍大，壓縮增益高一些，壓縮接收機(jī)對(duì)中頻濾波頻帶要求較寬，通過壓縮給輸出信號(hào)增加了壓縮增益，所以數(shù)字壓縮接收機(jī)靈敏度高。

5 結(jié)束語

本文對(duì)壓縮技術(shù)在數(shù)字偵察接收機(jī)中的應(yīng)用原理和模擬壓縮接收機(jī)進(jìn)行了分析，提出了基于匹配濾波器線性調(diào)頻壓縮技術(shù)的數(shù)字全景接收機(jī)，并設(shè)計(jì)了具體的器件對(duì)基于壓縮接收技術(shù)的接收機(jī)同時(shí)接收跳頻網(wǎng)臺(tái)的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該接收機(jī)模型性能穩(wěn)定可靠，能根據(jù)搜索的順序及時(shí)間確定跳頻信號(hào)截獲的跳頻周期等參數(shù)，具有很好的應(yīng)用前景。下一步可以根據(jù)所提出的模型，結(jié)合可編程器件FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行試制模型機(jī)進(jìn)一步的試驗(yàn)。

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