劉 煜 張其善 樊永山 鄭紀(jì)民

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100083； 2.中國電科集團第54研究所，河北 石家莊 050081；3.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071)

引 言

隨著頻譜資源的日益緊張，多系統(tǒng)共用同一段頻譜是提高頻譜利用率，節(jié)約頻譜資源的有效手段.我國已經(jīng)開始開展相關(guān)研究工作，探討LTE移動通信業(yè)務(wù)與雷達共用頻譜資源的可行性.目前，計劃將LTE業(yè)務(wù)頻段定為2.3 ～2.4 GHz，這一頻段也是雷達工作頻段.當(dāng)兩者同時工作時，雷達是主用戶，擁有該頻段的優(yōu)先使用權(quán)；LTE移動通信用戶是次要用戶，機會使用該頻段.

為了實現(xiàn)LTE移動通信系統(tǒng)與雷達系統(tǒng)的共存，需要移動通信次要用戶可及時檢測到雷達主要用戶的存在，以便能夠及時讓出頻率資源，不對主要用戶造成干擾，即能夠?qū)崟r檢測雷達用戶發(fā)射的雷達信號，同時，考慮對雷達信號的識別和分析需求，還要求能夠保留雷達信號的全部信號信息(幅度和相位等信息).

目前，用于通信系統(tǒng)的信號檢測技術(shù)主要都是基于信號的統(tǒng)計特征.文獻[8]和文獻[11]中總結(jié)了主要的幾種檢測算法：匹配濾波器檢測算法、能量檢測算法和循環(huán)平穩(wěn)檢測算法.但是，除能量檢測算法外，其它算法都需要一定時間長度的數(shù)據(jù)積累，信號檢測時間長，用于雷達信號檢測時，會增加主用戶檢測時間，降低次用戶讓出頻率資源的反應(yīng)速度，增加對雷達主要用戶的干擾風(fēng)險.能量檢測雖然速度較快，然而，有檢測靈敏度不高的問題，文獻[4]中指出了能量檢測的局限性，提出了檢測設(shè)備合作組網(wǎng)的檢測方法，即將多個檢測設(shè)備組網(wǎng)使用，把檢測結(jié)果進行信息融合，解決單個設(shè)備檢測靈敏度不高的問題.然而，這種依靠增加檢測設(shè)備的方法會大大增加檢測設(shè)備成本和技術(shù)復(fù)雜度，尤其在成本控制嚴格的民用通信市場，其成本開銷高昂.

文獻[9]中提出的常規(guī)雷達信號檢測算法主要基于非相干檢測的平方檢波原理，通過檢測脈沖包絡(luò)的幅度跳變來檢測雷達脈沖的出現(xiàn)，這種檢測方法檢測速度快，可用硬件器件直接完成，而且適應(yīng)信號帶寬極寬(可達數(shù)GHz)，但是會損失信號中的相位信息，而且過寬的帶寬會引入不必要的干擾，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性.文獻[2]中主要檢測對象只是線性調(diào)頻雷達信號，并不適用于檢測其它類型的雷達信號.

本文提出了一種基于數(shù)字信道化的信號檢測算法，可用于通信環(huán)境下的雷達信號的實時檢測，能夠同時滿足實時性和全信息保留兩個檢測條件.算法適合在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field-programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)芯片中實現(xiàn)，具有較強的實用性.

1 理論分析

1.1 .LTE通信信號的特征分析

LTE標(biāo)準(zhǔn)分為LTE時分雙工(Time Division Duplex，TDD)和LTE頻分雙工(Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD)兩種標(biāo)準(zhǔn).其上行采用正交頻分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)、下行采用單載波-頻分多址接入(Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA)傳輸方案.作為一種移動無線通信標(biāo)準(zhǔn)，LTE包含了話音和數(shù)據(jù)兩種通信業(yè)務(wù)[10].

LTE信號在時間上分為不同的時隙，一個時隙在時間上是一次連續(xù)的發(fā)射——一般至少不會低于百ns量級，各時隙的分布隨機出現(xiàn)；每個時隙內(nèi)包含多個信號幀，每個信號幀有一定的結(jié)構(gòu)——固定有規(guī)律的同步信息、無規(guī)律的數(shù)據(jù)信息.

不同的LTE標(biāo)準(zhǔn)，其上、下行通信鏈路的信號頻譜特征是不同的.TDD標(biāo)準(zhǔn)中上下行信號是同頻的，F(xiàn)DD標(biāo)準(zhǔn)里則是上下行信號異頻；而且，為了便于接收與發(fā)射的同步，頻譜中含有一些固定頻譜信息——如導(dǎo)頻、訓(xùn)練序列等；LTE通信系統(tǒng)中的基站發(fā)射功率為數(shù)十瓦量級，終端發(fā)射功率為數(shù)百毫瓦量級.

1.2 雷達信號的特征分析

LTE通信系統(tǒng)工作頻率范圍為2.3～2.4 GHz，目前工作在這一頻段的雷達主用戶為中程警戒搜索雷達，警戒搜索雷達的波形一般采用脈沖體制.

中程搜索警戒雷達的功放輸出數(shù)千瓦，天線波束很窄，增益高(一般都可達到30 dB).考慮雷達天線的轉(zhuǎn)動因素，在固定地點接收到的雷達脈沖串幅度會在較大范圍內(nèi)變化(變化范圍與雷達天線的主瓣旁瓣比有關(guān)).

1.3 通信環(huán)境下的雷達信號特性分析

中程搜索警戒雷達的作用距離可達到200 km，已經(jīng)超過視距通信距離，考慮視距因素，距雷達40 km以外的地面通信發(fā)射站發(fā)射的信號不會到達地面雷達站，因此，只討論距雷達40 km視距范圍內(nèi)的信號檢測問題.

設(shè)定雷達、通信信號發(fā)射站、檢測設(shè)備的空間位置如圖1所示：

圖1 雷達、通信發(fā)射站和檢測設(shè)備間空間位置關(guān)系

設(shè)雷達工作參數(shù)為：工作頻率范圍2.325～2.33 GHz，功放輸出峰值功率100 kW，天線增益30 dB，采用線性調(diào)頻體制，脈沖寬度30 μs，重復(fù)頻率1 ms，掃頻帶寬5 MHz.

設(shè)通信發(fā)射站工作參數(shù)為：輸出頻率范圍2.315～2.335 GHz，功放輸出功率10 W，天線增益0 dB(全向天線).

當(dāng)環(huán)境中同時存在雷達和通信信號情況下，仿真獲得頻譜分布如圖2所示.

圖2 通信和雷達信號共存時的頻譜圖

此時，在檢測設(shè)備處接收到的是通信信號與雷達信號的混合信號.

在雷達、通信發(fā)射臺及檢測設(shè)備三者間等間距條件下，雷達天線主瓣波束覆蓋檢測設(shè)備天線時檢測設(shè)備接收到雷達信號最大值，隨著雷達天線的轉(zhuǎn)動，主瓣波束遠離，這個值逐漸變小，直至在遠旁瓣達到最小值，即：

PRmax_radar=PT_radar+GR+Gradar_主瓣

+10lg(τ/T)，

(1)

PRmin_radar=PT_radar+GR+Gradar_遠旁瓣

+10lg(τ/T)，

(2)

式中：GR為檢測接收機天線增益；τ為脈沖寬度；T為雷達脈沖重復(fù)周期.

對通信信號，由于LTE通信發(fā)射站使用天線多為全向天線，檢測接收機接收到的信號變化不大

PR_comu=PT_comu+Gcomu+GR，

(3)

對于檢測接收機接收到的混合信號，通信信號與雷達信號的幅度比值為：

r=PR_radar-PR_comu，

(4)

檢測設(shè)備能夠檢測到雷達用戶的條件是r值足夠大(>5 dB).

2 雷達信號實時檢測技術(shù)

LTE通信系統(tǒng)需要具備及時、準(zhǔn)確檢測到雷達信號的能力，要求雷達信號檢測必須采用實時檢測算法.若只截取雷達脈沖存在時間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行分析處理，可以獲得更大的雷達信號能量，即雷達信號檢測信噪比更高；而且，采樣數(shù)據(jù)的減少，也有利于信號處理的實時性實現(xiàn).

數(shù)字信道化處理算法支持逐點輸出計算結(jié)果，通過附加信號檢測處理，可只截取雷達脈沖存在期間的采樣數(shù)據(jù)作為算法輸入數(shù)據(jù)，因而算法實時性好，雷達信號的檢測信噪比高.

2.1 數(shù)字信道化原理

數(shù)字信道化的數(shù)學(xué)原型如圖3所示.

其中：H1p(n)為低通濾波器，D↓為抽取率為D倍的抽取器.

采樣器將寬帶信號采集后形成高速的數(shù)字信號，經(jīng)過不同的復(fù)本振下變頻到零中頻，然后經(jīng)過一個帶寬為信道寬度的低通濾波器.

由于數(shù)字信道化接收機的抽取器位于濾波器之后，故當(dāng)抽取率D很大或濾波器的階數(shù)比較高時，上圖所示的信道化結(jié)構(gòu)效率將非常低，利用多相濾波的概念將可以得到上述結(jié)構(gòu)的高效實現(xiàn).

圖3 數(shù)字信道化數(shù)學(xué)原型

2.2 數(shù)字信道化的高效設(shè)計

數(shù)字信道化的實現(xiàn)方式有兩種方式：基于離散傅立葉(Discrete Fourier，DFT)結(jié)構(gòu)和基于數(shù)字下變頻(Digital Down conversion，DDC)結(jié)構(gòu).與基于DFT的數(shù)字信道化不同，基于DDC的信道化結(jié)構(gòu)中保留了原型中的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)，各子信道為零中頻，便于信號的參數(shù)提取，這里采用基于DDC的數(shù)字信道化方案，同時考慮實際工程應(yīng)用要求，輸入信號多為實信號，以下討論及仿真也均針對實信號展開.

信道劃分一般為2的整數(shù)次冪，每個信道的帶寬應(yīng)不小于被檢測雷達信號單個脈沖的頻譜寬度(主瓣)，這里選取常規(guī)脈沖壓縮雷達(線性調(diào)頻)，單個脈沖頻率寬度為5 MHz.整個接收帶寬為100 MHz，計算得到數(shù)字信道化子信道數(shù)目是16.

采用非嚴格抽樣數(shù)字化設(shè)計，第K個信道輸出為：

(5)

實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示.基于上述模型，通過仿真可以得到信道化接收機響應(yīng)圖，如圖5所示.

圖4 非嚴格抽樣(F=2)實信號信道化多相濾波結(jié)構(gòu)

圖5 數(shù)字信道化濾波器組幅度頻率響應(yīng)圖

2.3 信道判決

信號經(jīng)過數(shù)字信道化接收機后，進行信號處理之前，首先經(jīng)過信道判決.此處采用能量與相位聯(lián)合檢測方法.

2.3.1 能量檢測

設(shè)計接收信號的帶寬，使得經(jīng)過數(shù)字信道化后，信號占據(jù)4～13子信道，保持1，2，3，14，15，16無信號存在，將無信號信道的噪聲功率作為噪聲參考值，用于子信道內(nèi)有無信號存在的判斷參考值.為了降低檢測虛警率，還須同時參考信號的相位信息.

2.3.2 相位檢測

當(dāng)信號正好處于兩個子信道的交界處時，為了保證子信道內(nèi)判決信息的完整性，將子信道的相位判決范圍變?yōu)?pi/2-pi/64～pi/2.

2.3.3 頻域檢測

在數(shù)字信道化后處理中加入頻域檢測，使用實時不間斷的FFT實現(xiàn)，實時輸出頻域結(jié)果，同時緩存輸入的子信道數(shù)據(jù).需要時，還可以輸出有信號子信道的時域數(shù)據(jù)，用于檢測后的進一步信號分析和處理.

2.3.4 脈沖參數(shù)測量

雷達脈沖信號偵察的結(jié)果是給出脈沖描述字(Pulse Descriptor Word，PDW)，它主要包括頻率、幅度、脈寬、到達時間、到達角(相位差或幅度差)等脈內(nèi)特征標(biāo)志.

2.4 性能分析

數(shù)字信道化算法的基本原理同平行結(jié)構(gòu)的多相濾波器組相似[3，5-6].

根據(jù)文獻[1]和文獻[12]中的分析結(jié)論：

設(shè)第0個子信道的單位沖激響應(yīng)為

(6)

式中，M表示采樣數(shù).經(jīng)過頻移，第i個子信道濾波器的頻響可表示為

(7)

N為子信道數(shù)目.記n時刻濾波器組的輸入頻譜為

X[n]=(X0[n]，X1[n]，…，XN-1[n])T，

(8)

式中Xi[n]為第i個子信道濾波器輸入信號頻譜，記所有子信道濾波器組的輸出頻譜為

Y[n]=(Y0[n]，Y1[n]，…，YN-1[n])T，

(9)

設(shè)X[n]由信號S[n]與噪聲G[n]組成，即

X[n]=S[n]+G[n]，

(10)

則第i個子信道濾波器的輸出yi[n]為

(11)

式中:

Si[n]H0(f0)為信號分量，

子信道濾波器組輸出信號的信噪比為

(12)

PS表示接收信號的功率.由此可見，檢測輸出信號實際就是輸入信號經(jīng)單個子信道濾波器濾波后的輸出，噪聲是混疊噪聲和高速噪聲功率之和.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗方法

考慮試驗條件限制，采用接收等輻射功率條件下的距離縮比實驗，構(gòu)建實驗場景如圖6所示.

圖6 距離縮比實驗的設(shè)備間空間位置關(guān)系

其中：模擬雷達模擬源為矢量信號源(脈沖輸出峰值功率10～-30 dBm)+功放(增益30 dB)+標(biāo)準(zhǔn)天線(增益10 dB)；模擬LTE通信模擬源為矢量信號源(信號輸出功率-20 dBm)+標(biāo)準(zhǔn)天線(增益0 dB)；檢測設(shè)備為天線+下變頻器+基帶檢測設(shè)備.

3.2 實驗結(jié)果及分析

將頻譜分析儀直接連接到檢測設(shè)備的射頻下變頻輸出，測量接收的混合信號的頻譜.

調(diào)節(jié)雷達模擬源的輸出功率，模擬雷達天線的轉(zhuǎn)動，觀察檢測頻譜分析儀的頻譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷達模擬源輸出功率降低至0 dBm附近時，雷達頻譜已不明顯.

其中的主要原因是雷達脈沖分布稀疏，造成頻譜統(tǒng)計時間內(nèi)信號平均功率遠低于脈沖峰值功率，因而，基于頻譜統(tǒng)計檢測算法的檢測靈敏度并不理想.

換用數(shù)字信道化檢測板重復(fù)以上實驗.實驗中，將雷達模擬信號源的輸出調(diào)至最小，測量檢測設(shè)備輸出(使用數(shù)字信道化檢測算法)，為了顯示處理算法的效果，將FPGA處理的中間結(jié)果輸出，可以清晰觀察到雷達信號的時域、頻域圖形.

圖7 雷達信號檢測時域波形(左)和頻譜圖(右)

由此可見，采用數(shù)字信道化檢測算法，較之傳統(tǒng)的頻譜統(tǒng)計方法，檢測靈敏度大大提高，可確保對雷達信號的正確檢測.

而且該算法適合集成于FPGA硬件芯片中運行，檢測速度很快，可實時輸出信號檢測結(jié)果.

4 結(jié) 論

采用數(shù)字信道化算法可實現(xiàn)半徑40 km范圍內(nèi)對雷達主用戶信號的實時檢測，而且檢測輸出為復(fù)數(shù)信號，保留了被檢測雷達信號的幅度、相位等全部信息，還可以根據(jù)應(yīng)用需要進一步提取雷達脈沖的脈寬、載頻、重頻等時頻特征參數(shù)，便于進行進一步的信號分析.

其中的關(guān)鍵算法——數(shù)字信道化在FPGA中運行，充分保證了信號處理的實時性，從雷達信號結(jié)束到獲得檢測結(jié)果，所需時間可以達到數(shù)百 μs數(shù)量級.

[1] 趙東峰, 劉 濤, 周賢偉. 濾波器組的多濾波器聯(lián)合能量頻譜感知算法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2009, 24(6): 1146-1149.

ZHAO Dongfeng, LIU Tao, ZHOU Xianwei. Joint Filter Spectrum Sensing Algorithm Using filter Bands[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(6): 1146-1149. (in Chinese)

[2] 袁偉明, 王 敏, 吳順君. 對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波信號檢測與參數(shù)估計[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2005, 20(5)：594-597.

YUAN Weiming, WANG Min, WU Shunjun. Detection and parameter estimation of symmetrical triangular linear frequency modulation continuous wave signal[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(5): 594-597. (in Chinese)

[3] SANCHEZ M A, GARRIDO M. Implementing FFT-based digital channelized receivers on FPGA platforms[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2008, 44(4): 1567-1585.

[4] Atapattu S. Energy detection based cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2011, 10(4): 1232-1241.

[5] MITRA S K. 數(shù)字信號處理——基于計算機的方法[M]. 孫 洪, 譯. 3版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 644-648.

[6] 陶 然, 張惠云, 王 越. 多抽樣率數(shù)字信號處理理論及其應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007: 108-122.

[7] TSUI J. 寬帶數(shù)字接收機[M] . 楊小牛, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

[8] 趙知勁, 鄭仕鏈, 孔憲正. 認知無線電中頻譜感知技術(shù)[J]. 現(xiàn)代雷達, 2008, 30(5): 65-69.

ZHAO Zhijin, ZHENG Shilian, KONG Xianzheng. Spectrum sensing technologies for cognitive radios[J]. Modern Radar, 2008, 30(5): 65-69. (in Chinese)

[9] 趙國慶. 雷達對抗原理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1999: 16-42.

[10] 張新程, 田 韜, 周曉津, 等. LTE空中接口技術(shù)與性能[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[11] BOKHARAIEE S. Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks with noncoherent transmission [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2012, 61(6): 2476-2489. (in Chinese)

[12] OLABIYI O, ALAM S, ODEJIDE O, et al. Further results on the energy detection of unknown deterministic signals over generalize fading channel[C]// IEEE International Workshop on Recent Advances in Cognitive Communications and Networking Conference. Toronto, 2011: 489-493.