一种改进的数字信道化DRFM系统设计研究

张锋，高玉良，刘骁 ，朱珂

(1. 空军预警学院，湖北 武汉　430019； 2.中国人民解放军95438部队，四川 成都　610100)



一种改进的数字信道化DRFM系统设计研究

张锋1，高玉良1，刘骁1，朱珂2

(1. 空军预警学院，湖北 武汉430019； 2.中国人民解放军95438部队，四川 成都610100)

根据当前电子对抗(ECM)系统所处战场电磁环境的特点，提出一种将数字信道化技术与调制滤波器组技术相结合的DRFM系统设计方法。该方法针对数字信道化DRFM常用设计方法存在的不足，对数字信道化接收机和发射机结构进行了改进，构造出一种无“盲区”的信道划分形式，并将调制滤波器组技术引入到系统设计中。改进的DRFM系统具有大带宽、全概率接收和处理同时到达信号的能力，便于硬件实现的优点。仿真实验结果和理论分析相一致，验证了设计的正确性，为普适性DRFM系统设计提供了新的思路。

DRFM；数字信道化；调制滤波器组；重叠因子；覆盖因子；SysGen

0　引言

随着计算机、软件无线电和相控阵天线等技术的运用，现代雷达的工作带宽越来越宽，带宽超过1 GHz的军用雷达已经投入使用。而根据Nyquist采样定理，要无失真地恢复信号，模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)的采样频率必须大于信号带宽的两倍。然而当采用高速ADC时，要求数字射频存储(digital radio frequency memory,DRFM)系统必须有更快的处理速度，遗憾的是大多数情况下FPGA无法直接处理高速ADC送来的采样信号。另一方面，现代战场电磁环境日趋复杂，同一时刻存在大量的电磁信号，如何应对如此复杂的电磁态势，已经成为学者广泛关注的问题。信道化接收机具有大瞬时带宽、多信号实时处理能力，可实现监视带内信号的全概率接收。怎样用数字的方法实现信道化接收和发射一直以来都是研究的热点和难题。

文献[1-2]提出利用数字信道化实现信号接收，然后通过能量检测将能量最大的一路信号做进一步处理，这是一种宽带接收、窄带检测的方法，对于宽带跨信道信号和同时达到信号处理能力有限。文献[3-4]提出利用数字信道化结构实现信号接收和发射，从而实现宽带接收、宽带发射，该方法具有结构简单、运算量小的优点，但是当接收信号的带宽超过子信道的带宽时，重构信号的频谱在相邻信道的交割点会出现“凹口”，存在跨信道的问题，此外，信号频谱的对称性使得该方法不适宜用于实信号。文献[5]通过能量检测的方法判断相邻信道的信号是否为同一信号，以此构建动态信道化接收机，实现信道的重构，这种方法只对有信号的信道进行处理，但是发射机结构固定，并没起到减少资源的效果，同时还需要设计半带滤波器，增加了设计的复杂性。基于以上分析，本文引入覆盖因子和重叠因子的概念,构造一种重叠的信道划分方法实现全概率接收，采用多相滤波结构节约硬件资源，合理设计调制滤波器组实现信号的重构。

1　系统设计

基于信道化接收和发射的DRFM系统一般采用如图1所示结构，接收信号经过混频和高速采样后送入数字信道化接收机进行分析滤波和下变频处理，然后将检测出的信号保存在存储器中，控制器用于控制信号的读出延时及移频量，调制器对从存储器中读出的信号进行多普勒调制和幅度调制，然后将信号通过信道化发射机综合后送ADC转换为模拟信号输出。在这种结构中数字信道化接收机和发射机多采用临界抽取，这样做的优点很多，但不足也同样突出，引言中已有介绍。本文在设计时仍采用图1的总体结构，但是对数字信道化接收机和发射机结构进行改进，对滤波器设计进行优化。

1.1无“盲区”的数字信道化结构推导

图1　信道化DRFM系统总体框图Fig.1　General block diagram of channelized DRFM system

下面对接收机高效结构进行推导，在复信号均匀信道划分偶型堆积排列的情况下，设第k个信道的混频因子为ejωkn，则对应的中心频率

ωk=2kπ/M,k=0,1,2,….

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

2.2 两组VAS评分比较 两组治疗后VAS评分较治疗前明显降低，且观察组降低幅度大于对照组(P<0.05)，见表2。

(5)

将式(2)代入式(5)得(M为偶数)：

x(n′M-p)e-j2kπ/M·(n′M)*hLP(n′M+p)=

x(n′M-p)*hLP(n′M+p)，

(6)

再将式(2)，(6)代入(4)得：

IDFT[yp(n′)].

(7)

同理可得：

x(n′M-p)·(-1)n′*hLP(n′M+p),

(8)

IDFT[yp(n′)·ejπ/M·p].

(9)

将式(7)和(9)所得高效结构结合在一起，便可导出全概率接收高效结构，如图3a)所示。信号发射是接收的逆过程，推导过程相反，限于篇幅，在此不做公式推导，仅给出结构，如图3b)所示。

图2　带重叠的信道划分Fig.2　Channel division of spectrum aliasing

图3　改进的数字信道化接收与发射高效结构Fig.3　Improved efficient architecture of channelized receiver and transmitter

1.2调制滤波器组设计

调制滤波器组技术发展已有近30年历史，过去大多用于语音和图像编码[7]。近年来，随着滤波器组理论的发展和数字器件性能的逐步提升，将调制滤波器组技术应用于雷达对抗领域的研究不断增多。调制滤波器组的多相结构如图4所示。图中滤波器Hk(z)和Gk(z)分别被称为分析滤波器组和综合滤波器组。

图4　M通道调制滤波器组Fig.4　M channel modulated filter banks

根据调制滤波器组的理论，只要分析、综合滤波器的多相矩阵满足G(z)H(z)=I (I为单位矩阵)，就满足信号完全重构条件[8]。为设计出恰当的分析、综合滤波器，使系统达到重构条件，本文在设计时采用有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)类型滤波器，并要求分析滤波器组和综合滤波器组满足：

hk(m)=h0(mM+k),k=0,…，M-1，

(10)

gk(m)=h0(mM-k),k=0,…，M-1.

(11)

为抑制非邻接信道的频谱混叠，并且使邻接信道转移函数功率尽量互补，本文采用平方根升余弦方式来优化设计原型滤波器[9-10]。其基本思想是根据迭代算法求出最优h0(n)，再通过窗函数使阻带内具有最大衰减，而最优的迭代算法根据以下公式求得：

htot(n)=h0(n)*h0(n),

(12)

bλ=(-1)λhtot(λM),

(13)

(14)

(15)

h0(n)=h0(n)+hcorr(n)·w(n)，

(16)

式中：htot(n)为原型滤波器系数在时域上的卷积；hcorr,λ(n) 为修正函数；w(n)为窗函数。

通常情况下，在一定的滚降系数下，经过几次迭代就能得到较理想的原型滤波器系数。最后，按照式(10)和(11)所示运算关系，对原型滤波器进行多相分解就能得到分析、综合滤波器的系数，且分析、综合滤波器的系数来自于同一原型滤波器，2组系数互为时域上的旋转。图5所示为本文设计滤波器的仿真结果。优化后原型滤波器阶数为256阶，通道数为8，通带为π/16，阻带为π/8。从图中可知，滤波器的阻带衰减降到80 dB以下，能够较好地抑制频率混叠误差。

图5　滤波器设计仿真结果Fig.5　Simulation results of filter design

2　仿真实验

为验证改进方法的有效性，进行仿真实验。输入信号为实线性调频信号，分别对宽带信号重构能力、同时到达信号处理能力、多普勒调制能力进行测试。仿真时，信号脉冲宽度为40 μs，采样率为2 GHz，接收和发射信道数各16个，每个通道带宽为125 MHz、采样率为250 MHz。仿真时不考虑信号在空间的传播时间。由于输入信号是实信号，频谱存在对称性，重构时只对一半接收信道的输出进行处理。

2.1宽带信号重构能力测试

设输入信号中心频率300 MHz，带宽400 MHz，占用5个相邻信道，接收机下变频后的输出时域波形和信号重构前后频谱对比如图6所示。

从图6a)可以看出，通过信道接收机后，输入信号被下变频至基带，且镜像对称，符合实信号特点。由于输入信号带宽大于各子信道的带宽，下变频输出信号落入5个相邻信道，与理论分析相一致。从图6b)信号重构前后的频谱上看，信号的输出与输入谱宽一致，验证了改进的方法对跨信道信号具有良好的重构能力。

图6　宽带信号重构能力测试输出Fig.6　Reconfiguration capability testing output of wideband signals

2.2同时到达信号处理能力测试

测试时将时域上重合的3个线性调频信号输入改进的信道化接收机，它们中频分别为125，250和750 MHz，对应的带宽分别为60，80和100 MHz，通过观察3个信号是否从相应的信道输出检验该DRFM系统对同时到达信号的检测能力。

从图7可以看出，分析滤波输出信号分别落入2，3，7 3个信道，与中心频率ωk=2kπ/M的理论分析相符，综合后输出信号频谱与输入一致。表明信号经过该系统后能够精确重构，具备检测同时到达信号的能力。

2.3速度欺骗干扰能力测试

3　基于Sysgen的硬件设计与仿真

Matlab只能做算法级仿真，要验证设计的正确性，还需要在Modelsim中进行系统级仿真。本文选用SysGen工具进行了硬件设计。SysGen[11-12]是Xilinx公司与Mathworks公司联合开发的用于数字信号处理的系统级开发工具[13]，其以可视化的形式嵌入在Matlab/Simulink中，设计者在不了解HDL硬件描述语言的情况下也可以实现硬件系统的设计，从而帮助设计者将更多的精力集中在算法的开发上。从图3可以看出，本文设计的重点是对调制滤波器组和IDFT模块进行设计。设计时，分析、综合滤波器组为FIR类型，使用直接型结构，调用库中的单级延迟模块对输入信号进行逐级延迟，然后对延迟输出的信号乘以响应系数，再对各级输出求和实现滤波的功能。IDFT模块设计时考虑到通道数是2的n次方，因此采用基二算法[14-15]，运用这种并行运算的方法可以极大地节约硬件资源。又由于SysGen中没有蝶形运算单元以及不支持复数的加减法运算而给IDFT模块设计带来困难。因此，首先使用mcode模块将编写的复数加减法函数导入，构造复数加减法模块，再针对实际需要设计了蝶形运算单元，并按照基二算法进行模型搭建。完成主要模块设计后，按照图3所示结构将系统进行级联，确保无误后将设计转化为VHDL语言在Modelsim中进行仿真。测试信号为线性调频信号，参数设置与2.1中一致，图9示出了信道化接收机输出结果，从上至下分别为信道3～7。仿真结果与在Matlab中得到的完全一致，只是幅度上有所差异，这是由FIR滤波器系数量化取整引起的，证明了硬件设计的正确性，也说明了改进方法的有效性。

图7　同时到达信号重构能力测试输出Fig.7　Reconfiguration capability testing output of simultaneous signals

图8　输入信号与附加多普勒调制输出信号时域波形对比Fig.8　Time-domain waveform comparison between input and output with Doppler modulation

图9　宽带信号下变频后在Modelsim中的仿真输出Fig.9　Simulation results in Modelsim of down-converted wideband signal

4　结束语

本文针对战场复杂电磁态势，提出了一种改进DRFM系统设计方法。与已有的信道化设计方法相比，新方法不仅保持了结构简单、易于实现和资源利用少的优点，同时新方法将调制滤波器组技术引入到DRFM系统设计中，在只设计一组滤波器的基础上实现了信号的精确重构，而且当信号变化时，系统结构也无需改变分析和综合滤波过程，真正实现了对信号的宽带接收，宽带处理。通过仿真，验证了新方法能够兼顾大带宽信号和同时到达信号的处理，具有实际运用的价值。

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A Novel Design Methodology of DRFM System Based on Digital Channelization

ZHANG Feng1, GAO Yu-liang1, LIU Xiao1,ZHU Yi2

(1. Air Force Early Warning Academy,Hubei Wuhan 430019,China;2. PLA,No.95438 Troop,Sichuan Chengdu 610100,China)

Based on the current battlefield electromagnetic environment of electronic counter measures(ECM) system, a new digital radio frequency memory(DRFM) design methodology, which integrates the technique of modulated filter banks and the structure of digital channelization, is proposed. Aiming at overcoming the shortcoming of the traditional DRFM design methodologies, the methodology has improved the structure of the digital channelized receiver and Transmitter to construct a non-blindness channel division structure. Meanwhile, the methodology inducts the technique of modulated filter banks. The novel methodology has the characteristic of large-bandwidth, the entire probability interception capability and the ability of processing synchronous signals. The simulations results coincide with the theory analysis, which shows that the methodology is correct and convenient for hardware implementation, providing a new way for designing a universal DRFM.

digital radio frequency memory(DRFM); digital channelization; modulated filter bank; overlap factor; cover factor;SysGen

2015-09-06；

2015-10-22

张锋(1983-)，男，四川绵阳人。硕士生，研究方向为电子对抗信息处理。

通信地址：712000陕西咸阳秦都区西兰路高干渠路西口五号E-mail：452213471@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.022

TN911.72;TN713

A

1009-086X(2016)-04-0136-08