有限算力条件下的宽带电子侦察处理架构研究

邹顺，王玉山

（华东电子工程研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

面对当前日益复杂多变的战场电磁环境，电磁频谱作战迫切需要构建泛在、透彻电磁态势感知网。电磁频谱泛在感知要求电子侦察设备具备小型化、低功耗、低成本的特点［1-3］，能够分布式前出实现对宽频段、大带宽、具备低截获特征的辐射源的高概率、高精度实时侦察截获。其中，高集成小型化电子侦察设备的设计是达成电磁频谱泛在感知的关键。微系统技术具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性、高效率等优点。微系统技术上的新材料、新方法、新工艺等技术变革必将对电磁频谱泛在感知装备的研发和制造带来颠覆性影响，微系统集成是研制通用宽带小型化电子侦察设备的重要手段［4］。

宽带小型化电子侦察设备在一个微小尺寸的数字微系统器件上实现了超宽带数字采集、信号预处理与传输、数据实时处理与数据存储等功能。与传统宽带电子侦察装备的板卡集成方式不同，数字微系统高集成设计中计算资源和功耗必然有限，需要开展低功耗高效率侦察处理架构研究，构建以任务为目标的实时处理能力和架构体系，解决有限算力条件下宽带电子侦察边缘实时处理需求。

1 一种基于频谱稀疏感知的自适应信道化处理架构

目前，各种不同类型电子侦察装备普遍工作在30 MHz～40 GHz频段范围内，在该频段范围内存在大量的雷达、通信、导航辐射源信号，每一种信号的频点、带宽、信号样式均不相同，构成了非常复杂的电磁环境。而战场上各种军用辐射源的抗截获性能不断提升，这些对侦察接收机的系统性能提出了更高的要求，如更宽的侦察频段、更大的动态范围、更高的灵敏度等。随着商业频谱需求的增长、频谱资源的共享和拥塞，宽带电子侦察接收机所面临的电磁频谱环境也愈发复杂。

频域宽开信道化接收机具有高截获概率、高灵敏度、高频率分辨率特性和对同时到达信号的适应性，其性能特点可有效应对现代高密度的信号环境。近年来模/数转换器（ADC）的采样频率得到了飞速提升，最高采样率达到了10 GHz以上。高速ADC在大幅拓宽数字接收机瞬时带宽的同时，也为数字存储和处理能力带来更大的挑战。数字接收机的信道化处理主要由可编程逻辑列阵（FPGA）芯片及专门程序来实现。在10 GHz采样率下，以目前FPGA的容量和速度，尚难以实现传统的数字信道化处理。为此，应研究进一步降低FPGA的资源占用和处理功耗的处理架构和算法。

侦察接收机的侦收对象大多数是脉冲信号，即使在复杂的战场条件下仍可认为是时域稀疏信号，其在时间轴上的分布是不均匀的：某些时刻密集，不同脉冲相互靠近甚至重叠；某些时刻稀疏，脉冲间相隔较远。根据脉冲信号在时域和频域上的稀疏特性，这里提出一种基于单比特频谱稀疏感知的自适应信道化处理方案，可有效降低对FPGA处理资源的占用，处理架构如图1所示。

图1中，ADC采样数据进入FPGA后分为2路，一路进入频谱感知处理模块进行频谱计算和检测，实时监测和跟踪输入的频谱分布情况，并引导带通滤波器组进行信道化滤波；另一路经延迟线补偿频谱监测处理延迟及增加脉前保护时间，再输入带通滤波器组实现信道化滤波。带通滤波器的中心频率和带宽均根据频谱感知模块的测量结果设置，并可随频谱测量结果变化以实现对频率滑变信号的跟踪滤波。对滤波后的采样数据进行包络检波并提取脉冲数据进行参数测量。最后，经编码器组成脉冲描述字（PDW）输出到后续的情报处理单元。

图1 基于频谱感知的信道化处理方案

采用基于频谱感知的自适应信道化处理架构，减少了覆盖全频带所需的信道个数，从而节省了处理资源。在4 GHz的瞬时带宽条件下，传统信道化处理方法通常需要划分为约200 个信道进行并行处理。而本方案根据实际信号环境中同时到达脉冲信号的个数，一般只需要设计6～10个信道即可适应绝大多数的情况。另一方面，信道化滤波器采用可调谐式设计，能适应宽带调频信号的频率变化，避免了传统信道化的跨信道信号分裂问题。

由于FPGA工作主频远小于ADC的采样频率，ADC数据通常以低速率数据时钟、并行多路的方式输入。例如，9.6 GHz采样率下ADC数据以200 MHz数据时钟，分48路输入FPGA进行处理。FPGA需并行处理48路数据，相应至少需要48倍的处理资源。为降低处理资源，一方面在频谱感知算法上采用单比特接收机技术，仅利用ADC数据的符号位计算信号频谱，成倍降低计算量和FPGA资源；另一方面，在信道化带通滤波器设计上采用基于递归算法的时频滤波器，通过递归算法的“记忆”效应减少滤波处理中的重复计算，与FIR滤波器相比所需的FPGA资源更少。

2 单比特宽频带频谱稀疏实时感知技术

仅利用ADC数据的最高位频谱计算时，实质上是利用了单比特数字接收机的测频原理。其优势在于既能降低超宽带电子战接收机的实现难度，又能较完整保留信号的频率信息。

根据DFT计算式，基于ADC符号位的单比特采样信号的频谱计算式为：

由于单比特采样只有0和1两种数据，实际并不需要进行乘法运算，只需要用带加减法控制的累加器对频率旋转因子e-jωn进行累加即可实现DFT算法。算法实现结构如图2所示。

图2 单比特DFT算法实现原理

信号频谱感知处理将信号划分时间片分别计算DFT，相邻时间片之间有一定的重叠以保证跨时间片的脉冲信号DFT处理增益不降低。合并频谱更新周期内的多个时间片的DFT数据后进行谱峰分析和频谱参数提取，建立信道进行跟踪滤波。单比特频谱稀疏感知处理原理如图3所示。

图3 频谱感知处理原理框图

单音信号0 dB信噪比条件下，仿真对比单比特DFT与原始信号的DFT计算结果，如图4所示。从仿真结果可见，单音信号的单比特DFT与原始信号的DFT计算结果相差很小，单比特DFT的噪底稍有抬高。

图4 单音信号单比特DFT性能

等幅的双音信号在0 dB信噪比条件下进行仿真，DFT计算结果如图5所示。从仿真结果可见，单比特DFT与原始信号的DFT计算结果相差很小，能正确区分2个频率分量。

图5 等幅双音信号单比特DFT性能

双音信号幅度相差6 dB情况下进行仿真，得到DFT计算结果如图6所示。从仿真结果可见，与原始信号的DFT相比，单比特DFT计算结果中出现了一些杂散频谱分量。可见，信号的单比特频谱在多音条件下动态范围会有所损失。

图6 非等幅双音信号单比特DFT性能

多音输入情况下，若单比特频谱的杂散分量被误检出来并进行信道化滤波，则滤波后再检测时将检测不到信号，从而可滤除误检信号。

3 基于递归算法的时频自适应信道化滤波技术

时频自适应滤波器可根据频谱感知的引导参数重构滤波器对时变信号进行跟踪滤波，其原理基于短时傅里叶变换（STFT）和逆变换。由于STFT有递归算法，利用该算法可减少重复计算，节省FPGA处理资源。

将时频滤波算法分解后的带通滤波处理流程可描述为：利用信道中心频率对输入信号进行下变频、对零中频进行低通滤波、根据信道中心频率低通后信号上变频恢复波形。时频自适应带通滤波器的实现原理如图7所示。

图7 时频自适应滤波器原理图

在跟随信道参数的变化实现跟踪滤波处理时，为保持波形输出的连续性，应提前设置新滤波器对信号进行滤波。因此，信道化带宽滤波器由2个相同结构的并行滤波通道组成，分别工作在新旧2组滤波参数上，通过切换2个带通滤波通道的输出实现频谱跟踪滤波。其中，每个滤波通道均有N个均值滤波器，分别对应N种带宽的低通滤波器（LPF）。根据信道带宽选择其中一个LPF输出。上、下变频本振根据信道中心频率和信道带宽由直接数字频率合成器（DDS）计算产生。DDS包含3组ROM存储器，产生信道中心f、频偏df（等于信道带宽的1/4）和2df三种本振波形，用于对信号在f、f±df和f±2df五个频点上进行下变频和上变频处理。信号首先在频率f上变频，变频信号再分别变频±df和±2df得到共5个频点上的变频结果。

均值滤波器采用递归算法实现以节省FPGA资源。递归滤波器由减法器、累加器和延迟线组成，其结构如图8所示。

图8 递归滤波器算法结构

由多个带通滤波器构成的自适应信道化处理结构可对同时到达脉冲进行分离滤波，获得正确的脉冲测量参数。仿真中，输入的是同时到达的线性调频雷达信号与常规雷达信号所合成的信号，由于线性调频信号具有较宽的带宽，其频谱与常规信号的频谱容易出现重叠。但在时频平面上，2个信号分量没有重合或仅少部分重合，因此可通过跟踪滤波器将其分离出来。同时到达信号及其时频分布如图9所示。

图9 同时到达信号及其时频分布

以上输入信号经频谱感知检测到2个信号的频谱分量，分别设置2个信道化带通滤波器进行滤波分离。对于常规信号，带通滤波器的中心频率基本保持不变化；对于线性调频信号，由于频谱感知测量得到的信号频率不断滑变，带通滤波器的中心频率也相应地随之变化，实现对调频信号的时变跟踪滤波。通过信道化滤波处理，得到2个信号分量的时频分布如图10所示。

图10 时频滤波分离出的2个信号分量

以上情形，若以传统的多相滤波器进行处理，取较窄信道处理时线性调频信号将会出现分裂，取较宽信道处理则无法分离出2个信号。而利用时频滤波算法从时频域上可以有效分离时域、频域都混叠的2个信号，且尽可能滤除噪声分量，使恢复后信号波形与传统信道化处理相比达到更高的信噪比水平。

4 结束语

传统的宽带数字信道化侦察接收机为了提高频域截获概率，通常需要对全部信道并行处理，资源需求量巨大，基于微系统集成的宽带小型化电子侦察接收机的处理资源难以满足要求。本文提出的“频谱稀疏感知+自适应信道化”的电子侦察处理架构，利用了辐射源信号在频域和时域上的稀疏特性，在基于单比特处理的频谱稀疏感知基础上，只对有信号的信道和时间片段进行处理，不仅极大地降低了处理资源的需求，而且保证了信号的完整性，提高了对复杂体制雷达信号的参数测量精度。本文提出的侦察处理架构可广泛应用于算力有限，而处理能力要求更高的高集成小型化宽带电子侦察接收机。