基于信道跟踪的LFM信号检测方法研究

张生凤，钟 文，李宏圆

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

线性调频(LFM)信号是一种频率随时间做线性变化的非平稳信号，具有显著的宽带特性。作为使用最早也最常见的脉压信号，LFM信号能够使雷达系统取得宽的时宽和带宽，解决作用距离和距离分辨率之间的矛盾，并且能够对传统的接收机检测带来困难，目前被广泛应用于雷达、电子对抗等领域[1-2]。因此，现代数字接收机对于线性调频信号的研究非常有意义。

考虑到LFM信号的宽带特性，宽带接收机在其研究方面具有一定的优势。电子战专家Tusi J曾将常用的宽带接收机结构分为2种：采用多模/数转换器(ADC)并行采集结构和信道化结构[3-4]。其中，信道化接收机具有宽输入带宽、高频率分辨率、大动态范围和多信号并行处理能力，能够实现侦察频带内信号的全概率截获，常应用于宽带侦察和电子战系统中[5]。然而，由于侦察接收机通常接收到的都是非合作信号，信号频率、带宽等参数，无法预先获知；因此，检测信号的带宽很可能大于预先划分的单个信道带宽，检测方法不当可能造成宽带信号的检测分裂，形成跨信道问题，进而导致接收机对检测的信号数量和相关参数产生误判，影响到后续信号处理的准确程度[6]。

如何在信号检测时有效处理可能出现的跨信道问题，是研究信道化接收机的一个难点。目前较为常见的有两大类方法：第1类是进行多次信道划分[7-8]，通过多级处理，使相应带宽的LFM信号最终在一个信道内输出，如重滤波法、两级信道化法。这类方法旨在实现滤波器或信道化结构的复用，能够在一定程度上减少硬件所需的开销，但该类方法并不能真正解决跨信道问题，而是减小了LFM在检测时出现跨信道的概率；第2类是从信号重构的角度出发[9]，在多信道输出的基础上通过特定方法恢复出原始信号，如频域拼接法、综合滤波器法。该类方法能够较好地解决跨信道问题，但是增加了计算量和结构复杂度，在应用中难以实现。

为解决上述问题，本文提出了一种基于信道跟踪的LFM信号检测方法。该方法通过对比相邻信道输出信号的幅度和频率，设定合理的信道跟踪判据，能够较好地解决跨信道信号的检测问题，避免LFM信号相关参数的误测。

1 相关模型及问题描述

1.1 数字信道化模型

信道化接收机将接收频段划分为若干个相邻信道，不同频率的信号经过接收机处理后会在频域上分开，根据各自频率在不同的信道输出。实现信道化接收机的方法有很多，基于多相滤波器的数字信道化接收机是目前普遍采用的方案。下面，首先结合图例对信道化的一般结构进行简要说明。

数字信道化可看作对采样后的信号首先进行下变频处理，再分别进行抽取和滤波，最后输出若干路低速率子信号的过程，如图1所示。

图1 数字信道化接收机的一般结构

图1所示信道化的结构把接收频带均匀划分为D个子频带，信号检测需要避免造成信号频谱的混叠，则需要对输出的数据进行D倍抽取。为了简化实现过程，将图1中每路处理用多相滤波结构表示并进行综合，从而可得到如图2所示的更为高效的结构。

图2 基于多相滤波器组的数字信道化接收机结构

图2中，hp(m)表示原型滤波器的多相分量，p=0,1,…,D-1。

1.2 信道化接收机跨信道问题

信道化接收机在检测某个LFM信号时，可能会在相邻几个信道中同时输出该信号的不同频率分量。如图3所示，虚线表示虚拟信道，实线表示实际检测到的大带宽信号。信号A在信道1和信道2内出现，跨度为2个信道；信号B在信道5～8内出现，跨度为4个信道。若信号检测方法处理不当，则以上2个宽带信号可能会被检测为多个窄信号。

图3 大带宽信号跨信道问题图例

2 LFM信号的跨信道处理方法

由于LFM信号的宽带特性，LFM信号的能量可能会随着时间的变化分裂在几个连续的信道内。此外，若采用非临界信道化设计，接收机的信道之间会有部分重叠的区域，这种情况可能导致某一信号在相邻的2个信道内同时出现，这无疑增加了信号检测的难度。若不针对大带宽、跨信道信号的处理，对于子带宽大于信道带宽的LFM信号则可能获得它的多个分裂的片段。综合目前相关研究，以下针对跨信道问题列举现有几类典型的处理方法[10]，并结合信道跟踪的判据，提出信道跟踪的检测方法。

2.1 几类典型的处理方法

(1) 两级信道化法

该方法是先对输入信号进行信道较宽的分析滤波，在确定待检测信号所处的大概信道位置后，再对有信号的信道进一步进行多相滤波和信道化处理。由于第1级滤波器的信道较宽，因而会大大减小信号跨信道的概率。故2级信道化实际并没有解决信号跨信道的问题，只是从某种程度上减小了信号跨信道的概率。

(2) 重滤波法

重滤波法是指当相邻信道检测到有跨信道宽带信号存在时，减小信号的抽取数和信道数，增加原型滤波器的通带和截止频率，然后对原始数据进行再次滤波检测。该方法本质上是对初始信道化的参数和结构进行重构，通过增加信道带宽将跨信道信号合并至一个信道内。虽然通过重构能够在一定程度上减小跨信道信号的概率，但是改变抽取率和滤波器的参数较为困难，而且该算法需要重新设计多相滤波器结构，在实际应用中很难通过硬件实现。

(3) 频域拼接法

频域拼接主要针对各滤波器通带重叠的情况，通过拼接各信道一定带宽内的信号频谱得到原信号。然而，各个信道内频谱在信道化后会发生一定程度的变化，且信号带宽边缘对相位信息破坏很大，尤其是对相位编码信号，极有可能无法通过拼接恢复出原接收信号。

(4) 综合滤波器法

综合滤波器法把多相滤波器组视为分析滤波器组，再通过设计适合的综合滤波器组，把原信号恢复出来。如图4所示，图中M为信号抽取的倍数，L为宽带信号跨越的信道数，hk(n)为分析滤波器组，gk(n)为综合滤波器组。完全重构x(n)信号则需要系统满足x′(n)=x(n),0≤ω≤π/M。

图4 综合滤波器法基本结构

理想状态下，如果输入信号带宽发生变化，仅需要改变M和L的数值，更新gk(n)就能实现动态滤波。

上述4类方法都需要对既定的信道化结构做出不同程度上的改变，主要执行策略还是集中于信道的多次划分、合并，将跨信道的大带宽信号通过适当的处理方法合并到同一信道内完成检测。虽然有些算法在应用中可实现，但是还需要增加巨大的硬件开销，这些硬件开销在复杂的宽带接收系统中往往是不可接受的。

2.2 信道跟踪的检测方法

信道跟踪的主要思想是对检测到可能存在信号的信道进行参数检测，再比较相邻信道的对应参数，判定信号是否处于信道切换的边界。若主要参数满足切换条件，则需要将相邻信道内的信号合并在同一个脉冲包络下，保证该信号不会被检测为多个断裂信号。

(1)

(2)

(3)

式(1)、式(2)分别保证了信号的频率在信道边界，α为信道边沿频率检测容差，Fp和Fp+1分别表示p和p+1信道的边界频率(上界或下界)。式(3)则保证了相邻信道内检测频率的连续性，Fth为相应的频率容差。

如果n时刻和n+1时刻2个相邻子信道内信号的幅度满足以下条件，则说明相邻信道内信号满足幅度的稳定性条件：

(4)

当相邻信道内所检测的信号同时满足频率的连续性和幅度的稳定性条件时，则认为它们是同一个脉冲的分裂输出，这时把它们合并在同一个脉冲包络下，形成同一个脉冲描述字送往后端分析。需要注意的是，这里Fth和Ath均是容差参数，其中Fth与SNR和调频斜率都有关。根据实际应用场景，设定2个容差参数相应的数值。信道跟踪的具体执行流程图5所示。

图5 信道跟踪执行流程

3 仿真分析

通过仿真分析，对本文提出的信道跟踪方法进行验证。仿真由两部分组成，首先固定相关参数设置，通过对比相邻信道的频域结果验证算法的有效性；其次通过改变信噪比，验证了不同的信噪比条件对信道跟踪结果的影响。仿真基于Matlab2014a平台。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

3.1 有效性验证

设置信号信噪比为6 dB，调频起始频率为1.78 GHz，带宽为50 MHz，采样频率为1 GHz，频域划分为32个信道。由上述参数可以获得信号时域、频域以及信道化后各信道的输出图形(篇幅问题，信道化结果只展示1～8信道)，频域图形仅截取了对称的，如图6所示。

图6 信号经过采样后时域和频域图形

由图7可以看出，调频信号在7信道和8信道内均有输出，且在信道之间存在交叠。

图7 信道化处理后信道1～8输出

图8显示了信道7和信道8的交叠输出，仿真数据显示2个信道交叠区域信号幅度相差不大。依据图例可以看出，若在信号检测过程中采用相邻信道信号幅度跟踪来进行信道切换的跟踪是切实可行的。

图8 信道化处理后信道7、8交叠输出

3.2 信噪比对于信道跟踪的影响

实际信号检测过程中，SNR对于信号的检测有着重要影响。设定信号的相关参数与上述保持一致，但SNR分别取-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB。通过仿真，对信道化处理后的交叠信道进行参数对比。

如图9所示，其中的(a)～(d)分别对应了SNR为-3 dB、0 dB、6 dB、12 dB的情况。从图中可以明显看出，随着SNR的增大，信道交叠处的信号检测可以获得更为精确的数据。由此可以得出，随着SNR的变化，对Fth和Ath这2个容差参数的设定将会影响信道跟踪的结果。若SNR较大，此时信号检测相对准确，Fth和Ath的取值不宜过大。而SNR较小时，为保证跨信道LFM信号检测的准确性，Fth和Ath的取值可以适当放宽。当然，在SNR很小的时候，放宽Fth和Ath的取值已经没有实际意义，因为信号检测本身对于频率和幅度的判定就已经不准确。结合仿真结果可以得出，在检测跨信道LFM信号时，频率和幅度的容差参数可根据实际使用情况适当调节，以取得最佳的接收效果。

图9 不同信噪比条件下信道7、8交叠输出

4 结束语

本文以LFM信号的检测为例，基于多相滤波的信道化结构，设计了一种信道跟踪的跨信道检测方法。该方法以相邻信道内信号频率的连续性和幅度的稳定性为判据，通过其交叉对比完成信道间信号包络的拼接，算法复杂度和资源需求均优于已有的信道重构等方法，在应用中更易于实现。