李永波

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引言

無(wú)線電偵察系統(tǒng)的理想目標(biāo)是:在沒(méi)有先驗(yàn)信息的情況下，將所關(guān)心空域的無(wú)線電輻射信號(hào)進(jìn)行無(wú)失真的全概率截獲。然而，在復(fù)雜電磁環(huán)境中，各種強(qiáng)弱信號(hào)可能同時(shí)存在，當(dāng)偵察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍不足時(shí)，存在大信號(hào)壓制小信號(hào)，甚至大信號(hào)直接使得接收機(jī)阻塞的情況，這制約了偵察系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)能力。常用的解決途徑之一是在接收機(jī)前端盡量按頻率或方位稀釋信號(hào)，但這樣增加了設(shè)備的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了截獲概率[1]。

對(duì)消技術(shù)是國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)抗干擾技術(shù)[2]，在傳統(tǒng)雷達(dá)接收機(jī)中用于抑制發(fā)射機(jī)強(qiáng)信號(hào)對(duì)本地接收機(jī)的干擾，通常采用開(kāi)環(huán)方式只能抑制已知固定頻點(diǎn)的干擾源。此后發(fā)展了自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)，其基本原理是通過(guò)附加的輔助通道，利用其與主通道接收干擾信號(hào)的相關(guān)性以及與有用信號(hào)的非相關(guān)性，通過(guò)一定的自適應(yīng)算法產(chǎn)生一組權(quán)值，然后對(duì)輔助通道接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，使得求和后得到的信號(hào)盡量接近主通道接收的干擾信號(hào)，并隨著干擾方向的變化自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值，在干擾信號(hào)到達(dá)的方向上形成零陷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制。該方法需要增加輔助天線，這樣不僅增加了成本，而且當(dāng)強(qiáng)、弱信號(hào)均只從主天線波束方向偵收到時(shí)，將無(wú)法通過(guò)輔助天線實(shí)現(xiàn)對(duì)消。文獻(xiàn)[3]提出了一種直接在寬帶射頻范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)消的思路，但對(duì)接收機(jī)的噪聲系數(shù)較難控制，同時(shí)對(duì)ADC和DAC的模擬信號(hào)帶寬提出了較高要求。

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)偵察接收機(jī)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍要求越來(lái)越高，本文分析了影響偵察系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的因素，提出了一種基于對(duì)消技術(shù)的瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)接收機(jī)思路。

2 影響瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的因素

偵察系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍是指系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)同一帶內(nèi)的最強(qiáng)信號(hào)與最弱信號(hào)正確接收處理的強(qiáng)、弱信號(hào)幅度差范圍[4]。

影響偵察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的因素有接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍和ADC采樣動(dòng)態(tài)范圍，其中接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍由接收機(jī)的非線性特性決定，同時(shí)還受接收機(jī)本振相位噪聲的影響[5]。

接收機(jī)的非線性特性常用單音動(dòng)態(tài)范圍或雙音無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍來(lái)衡量，單音動(dòng)態(tài)范圍描述的是接收機(jī)不失真地處理單一輸入信號(hào)的能力，當(dāng)要求接收機(jī)不失真地同時(shí)處理多個(gè)信號(hào)時(shí)，常用雙音無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍(SFDR，又稱瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍)，它描述了接收機(jī)在存在強(qiáng)信號(hào)的環(huán)境下對(duì)弱信號(hào)的偵收能力。其下限由接收機(jī)的靈敏度電平確定，上限由接收機(jī)中頻輸出端產(chǎn)生的三階交調(diào)寄生信號(hào)大于靈敏度電平檢測(cè)門(mén)限的輸入功率電平確定。

其中，OIP3為接收機(jī)的輸出三階截點(diǎn)，單位dBm;Pmin為接收機(jī)的靈敏度，單位dBm;G為接收機(jī)的增益，單位dB;NF為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，單位dB;B為接收機(jī)的中頻輸出帶寬，單位Hz;SNR為中頻輸出信噪比，單位dB。

輸出三階截點(diǎn)反映接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的非線性容忍程度，通常進(jìn)入接收機(jī)后級(jí)的信號(hào)是經(jīng)過(guò)前面各級(jí)放大的，因此對(duì)后級(jí)電路的線性范圍要求更高，接收機(jī)的輸出三階截點(diǎn)也主要由后級(jí)電路的1 dB壓縮點(diǎn)決定。

由式(1)可知，為了滿足ADC的動(dòng)態(tài)范圍，偵收系統(tǒng)的靈敏度越高，要求接收機(jī)的增益也越高，從而限制了接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。由式(2)可知，在滿足中頻輸出信噪比一定的情況下，中頻輸出帶寬越寬，系統(tǒng)的靈敏度將越低;同時(shí)，由于接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍不足而產(chǎn)生的非線性分量進(jìn)入中頻帶寬內(nèi)的可能性也越大。因此，接收機(jī)的寬帶、高靈敏度與大動(dòng)態(tài)范圍是相互制約的。擴(kuò)大ADC動(dòng)態(tài)范圍和接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍是改善偵收系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的兩種有效途徑。

理論上，ADC的動(dòng)態(tài)范圍為6×N dB，N為ADC的量化位數(shù)[6]。如14位的ADC，其采樣理論動(dòng)態(tài)范圍為84 dB，考慮到偵收系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量及解調(diào)信噪比要求，通常只用到60 dB。假設(shè)系統(tǒng)靈敏度為－130 dBm，接收機(jī)增益為70 dB，則要達(dá)到60 dB的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，OIP3必須達(dá)到30 dBm，這對(duì)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是比較高的。

如圖1所示，現(xiàn)有超外差接收機(jī)在大動(dòng)態(tài)偵收環(huán)境中通常是在鏈路中加入可調(diào)衰減器，當(dāng)偵收環(huán)境有強(qiáng)信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)衰減器，以此來(lái)確保接收后端不出現(xiàn)飽和，該方法雖然使得后端鏈路沒(méi)有出現(xiàn)非線性失真，然而可調(diào)衰減器對(duì)強(qiáng)信號(hào)衰減的同時(shí)對(duì)弱信號(hào)也進(jìn)行了衰減，導(dǎo)致弱信號(hào)信噪比不足而無(wú)法滿足系統(tǒng)的偵收要求。因此，該方法只增加了偵收系統(tǒng)的適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍，但并未擴(kuò)展偵收系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍能力。

圖1 現(xiàn)有超外差接收機(jī)構(gòu)架Fig.1 Existing framework of superheterodyne receiver

本文基于對(duì)消的原理，提出了一種適用于寬帶偵收系統(tǒng)的自適應(yīng)對(duì)消思路，在確保弱信號(hào)不壓縮的前提下，減小接收機(jī)的中頻輸出動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到擴(kuò)展偵收系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的目的。

3 基于對(duì)消原理的瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)接收機(jī)

3.1 接收機(jī)架構(gòu)

接收機(jī)的非線性失真通常主要由后端鏈路產(chǎn)生，因此實(shí)施對(duì)消應(yīng)盡量選擇在接收機(jī)的前端。如選擇直接在接收機(jī)前端實(shí)施純模擬對(duì)消，則較難在寬頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的180°相移控制;而選擇在接收機(jī)前端實(shí)施數(shù)字對(duì)消，則較難選擇與之匹配的寬帶、高速率ADC。因此，本文選擇在接收機(jī)一中頻實(shí)施對(duì)消，即避免了在強(qiáng)信號(hào)導(dǎo)致的非線性嚴(yán)重失真之后，又確保了在固定的頻率和帶寬進(jìn)行數(shù)字對(duì)消處理，對(duì)采樣ADC以及對(duì)消DAC的要求均相應(yīng)降低。

該接收機(jī)的架構(gòu)如圖2所示，為便于描述，圖中省略了模擬濾波及放大等功能模塊。該方案的基本思路為:從同源信號(hào)中分離出強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)算法在一中頻實(shí)施對(duì)消，自適應(yīng)信號(hào)處理在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行，而功率抵消在模擬域內(nèi)進(jìn)行。

圖2 基于對(duì)消的瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)接收機(jī)構(gòu)架Fig.2 Framework of instantaneous large dynamic receiver based on cancellation

偵收信號(hào)在一混頻后功分為主、輔兩個(gè)通道，接收信號(hào)y1由互不相關(guān)的弱信號(hào)x1和強(qiáng)信號(hào)x2組成。主通道信號(hào)在對(duì)消器后耦合一部分對(duì)消剩余信號(hào)e并經(jīng)過(guò)ADC2轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);輔通道信號(hào)通過(guò)ADC1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其采樣動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)為確保偵收系統(tǒng)的上限強(qiáng)信號(hào)不飽和，而不考慮是否能真實(shí)采樣弱信號(hào)，采樣后的信號(hào)在數(shù)字域內(nèi)通過(guò)篩選分離出強(qiáng)信號(hào)x3，并由主通道對(duì)消后耦合的剩余信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波控制，達(dá)到對(duì)主通道的強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)消。假設(shè)對(duì)消比為20 dB，則系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍將擴(kuò)大至80 dB。

如圖所示，有

將上式進(jìn)行平方:

于是可得

環(huán)路的自適應(yīng)濾波過(guò)程就是調(diào)節(jié)環(huán)路參數(shù)，使得E[e2]最小的過(guò)程。上式中第一項(xiàng)為弱信號(hào)功率;由于弱信號(hào)與強(qiáng)信號(hào)不相關(guān)，因此第三項(xiàng)等于0。因此，要使得E[e2]最小，即要求上述第二項(xiàng)最小，即

當(dāng)x3與x2幅度相等、相位相反時(shí)，E[e2]即為最小，剩余信號(hào)只有弱信號(hào)x1。

如果不對(duì)對(duì)消環(huán)路進(jìn)行干預(yù)，理論上經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算后主通道的強(qiáng)信號(hào)將會(huì)完全被對(duì)消，這不是設(shè)計(jì)的初衷。在電子偵察與反偵察中，敵方可能在強(qiáng)信號(hào)附近有意放置弱信號(hào)，且強(qiáng)、弱信號(hào)均有可能傳遞有用信息。因此，采取對(duì)ADC2采樣的耦合剩余信號(hào)進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)控制，當(dāng)主通道對(duì)消后的通道總能量不會(huì)致使后端接收鏈路飽和，且經(jīng)對(duì)消后的強(qiáng)信號(hào)在中頻ADC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，則停止迭代運(yùn)算并將現(xiàn)有的環(huán)路濾波權(quán)值保持，以確保強(qiáng)、弱信號(hào)均能不失真地進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理部分。

3.2 強(qiáng)信號(hào)篩選分離

強(qiáng)信號(hào)的篩選分離采用如圖3所示方法，先用數(shù)字多相濾波器組將ADC1采樣的一中頻寬帶信號(hào)在數(shù)字域均勻分解成多個(gè)可以獨(dú)立處理的子頻帶[7]，然后對(duì)各子頻帶進(jìn)行幅值比較并篩選出信號(hào)最強(qiáng)的子頻帶。采用多相濾波器結(jié)構(gòu)，濾波器在數(shù)字抽取之后，降低了后續(xù)信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)，而且當(dāng)M是2的冪次方時(shí)，DFT可以用FFT高效快速實(shí)現(xiàn)。

圖3 強(qiáng)信號(hào)篩選分離示意圖Fig.3 The demonstration diagram of separating strong signal

3.3 幅相調(diào)整

如圖4所示，篩選出的強(qiáng)信號(hào)與主通道對(duì)消后耦合的剩余信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波權(quán)值計(jì)算，并通過(guò)在數(shù)字域中的正交矢量合成原理，將濾波器權(quán)值對(duì)篩選強(qiáng)信號(hào)的幅相控制轉(zhuǎn)化為對(duì)其兩路正交信號(hào)的幅度調(diào)整和反向調(diào)整，以達(dá)到與主通道強(qiáng)信號(hào)幅度相等、相位相反[8]。

圖4 正交信號(hào)控制示意圖Fig.4 The demonstration diagram of controlling orthogonal signal

3.4 對(duì)消比影響因素

在實(shí)際的系統(tǒng)環(huán)境下，很難實(shí)現(xiàn)將強(qiáng)信號(hào)完全對(duì)消。工程中常用對(duì)消比來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的對(duì)消性能，它是指在對(duì)消器前、后強(qiáng)信號(hào)的功率之比。

在本系統(tǒng)中對(duì)消比由主輔通道對(duì)消信號(hào)的相關(guān)性、ADC1及ADC2的采樣量化精度、DAC數(shù)模變換精度、幅相調(diào)整精度等因素共同決定，主、輔通道強(qiáng)信號(hào)的相關(guān)性越強(qiáng)，即輔通道多相濾波器選擇性越強(qiáng)，ADC1及ADC2的采樣量化精度及DAC數(shù)模變換精度越高[9]，幅相調(diào)整精度越高，系統(tǒng)對(duì)消性能越好。

本接收機(jī)架構(gòu)中，ADC1及ADC2是對(duì)一中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，其中頻頻率及帶寬均為已知固定值，所以對(duì)2個(gè)ADC的帶寬及采樣率要求均相應(yīng)降低。在電子偵察中強(qiáng)、弱信號(hào)均有可能是需要偵收的目標(biāo)信號(hào)，該對(duì)消系統(tǒng)并不希望將強(qiáng)信號(hào)完全對(duì)消，而只需將兩者的動(dòng)態(tài)差調(diào)整到中頻ADC的采樣動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)即可。因此，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是并不追求非常高的對(duì)消比，這對(duì)整個(gè)對(duì)消系統(tǒng)的精度要求均相應(yīng)降低。

4 仿真分析

如圖5所示，偵收環(huán)境在相距20 MHz范圍內(nèi)存在幅度為－50 dBm、－130 dBm的兩個(gè)強(qiáng)、弱單音信號(hào)。如果直接采用圖1所示傳統(tǒng)接收機(jī)架構(gòu)對(duì)其同時(shí)偵收，將導(dǎo)致接收機(jī)非線性失真甚至飽和，亦或?qū)е氯跣盘?hào)電平在中頻ADC動(dòng)態(tài)范圍之外。

圖5 偵收信號(hào)頻譜Fig.5 The frequency spectrum of reconnaissance signals

如圖6所示，當(dāng)采用中頻對(duì)消環(huán)路對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)消且不實(shí)施門(mén)限控制的情況下，仿真理論上強(qiáng)信號(hào)可完全對(duì)消，同時(shí)對(duì)弱信號(hào)無(wú)影響。

圖6 無(wú)門(mén)限控制的對(duì)消效果Fig.6 The effect of cancellation without threshold control

圖7 所示為采用中頻對(duì)消環(huán)路對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)消且實(shí)施門(mén)限控制的偵收頻譜圖。從仿真結(jié)果可知，當(dāng)強(qiáng)信號(hào)對(duì)消比達(dá)到20 dB時(shí)，剩余通道總能量不會(huì)使后端接收鏈路飽和，門(mén)限控制啟動(dòng)并將對(duì)消環(huán)路參數(shù)保持，使得強(qiáng)、弱信號(hào)均在中頻ADC動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。由此將接收機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍由60 dB擴(kuò)展至80 dB。

圖7 有門(mén)限控制的對(duì)消效果Fig.7 The effect of cancellation with threshold control

5 總結(jié)

全概率截獲是偵收系統(tǒng)所追求的理想目標(biāo)之一，寬帶、高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍因此成為偵察接收機(jī)永恒不變的話題。本文提出了一種基于一中頻對(duì)消的超外差接收機(jī)思路，能在寬帶偵收系統(tǒng)中有效地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)地瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，提高系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)能力。然而本文僅仿真了單個(gè)窄帶強(qiáng)信號(hào)，未考慮寬帶強(qiáng)信號(hào)及多個(gè)強(qiáng)信號(hào)情況下的系統(tǒng)適應(yīng)性。盡管如此，對(duì)消技術(shù)具有其不可取代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的偵收系統(tǒng)中必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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