一种射频噪声干扰信号品质因素改进方法

张家运，李文海，孙伟超，王洪春

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

雷达探测技术的不断发展以及新体制、新技术的应用，使雷达目标检测识别能力获得了较大的提升，这对现阶段的雷达干扰技术水平提出了新的挑战。针对雷达干扰问题，传统有源压制性干扰通过主动发射噪声类和随机脉冲等随机信号，或主动转发密集规则脉冲等确知信号等方法[1]，使被干扰雷达接收到的目标回波淹没在噪声背景中，致使目标信号模糊不清或完全被遮盖，从而降低被干扰雷达的目标检测或跟踪精度。射频噪声干扰（RF Noise Jamming）作为1 种典型雷达有源压制性干扰样式，目前已被广泛应用。

射频噪声干扰的功率谱形状和幅度分布同高斯白噪声，并具有有源压制性干扰的最佳干扰波形，被广泛应用于雷达干扰领域[2]。由于理论上射频噪声干扰信号的包络电压服从瑞利分布，这要求射频放大链具有很大的线性动态范围[3]，目前采用的功率放大器件几乎不能无失真地放大此干扰信号，因此，射频噪声干扰的信号分布都是非正态或接近正态的。针对以上问题，如何平衡干扰信号统计特性与功率的矛盾，改善射频噪声干扰信号的品质因素，已成为研究射频噪声干扰生成的重要课题。

目前，围绕射频噪声干扰信号品质因素的相关研究较少：文献[4]采用硬限幅方法，直接改变噪声信号的峰均比，提高了干扰机功率放大器的功效，但直接限幅会导致干扰信号统计特性发生改变，影响干扰作用效果；文献[5]在硬限幅的基础上，讨论了软限幅的方法，对信号的实部、虚部分别进行非线性变换处理，但这样会导致干扰信号频谱发生畸变；文献[6]分析了射频噪声干扰的作用效果，给出直接限幅条件下压制性干扰样式的评估准则。本文在研究射频噪声信号的产生原理及文献[6]射频噪声干扰信号品质因素模型的基础上，提出1 种射频噪声干扰信号品质优化方法，通过采用预限幅与幅值判别方法，提高限幅条件下射频噪声干扰信号的品质因素，改善信号直接限幅引起的信号幅值非正态分布问题；最后，通过软件仿真验证了该方法的效果，并利用FPGA 进行了硬件电路实现，验证了该方法的可行性。

1 射频噪声干扰

射频噪声是指采用合适的滤波器对高斯白噪声滤波放大后得到的有限频带的噪声，又被称为直接放大噪声，表达式如下[3]：

式（1）中：J(t)为窄带高斯过程，其包络过程Un(t)服从瑞利分布；相位过程ϕ(t)服从[0,2π)均匀分布，并与包络过程Un(t)相互独立；噪声载频ωj为固定值，且远大于噪声带宽。

目前，射频噪声干扰的合成方法主要分为模拟式和数字式2 种。本文以数字合成式方法为研究对象，基于数字干扰合成（Digital Jamming Synthesis，DJS）技术产生射频噪声干扰信号[7]，原理框图如图1所示。

式（2）中：R(τ)为干扰信号的自相关函数；；τ为时移量；σ2为干扰信号的方差。

射频噪声干扰的功率谱可以表示为：

可以看出，射频噪声干扰的中心谱宽与时钟信号相对应，自相关函数R(τ)与功率谱G(ω)如图2所示。

图2 噪声自相关函数与功率谱Fig.2 Autocorrelation function and power spectrum of noise

以上讨论了理论条件下的射频噪声基带信号统计特性，但在实际使用的过程中，由于射频放大链动态范围的限制，使得输出的干扰波形发生限幅，改变了干扰波形的概率分布，影响了射频噪声干扰的干扰效果。

2 射频噪声信号品质因素

射频噪声干扰限幅原理如图3所示。

图3 射频噪声干扰限幅原理图Fig.3 Schematic diagram of RF jamming amplitude limiting

式（4）中，

根据统计无线电理论[14]可知，限幅后变为随机脉冲串部分的总功率为UL2[1 -φ(ULσ)]，则限幅后射频噪声总平均功率为：

在此基础上，考虑随机脉冲串之间的时间维度的随机性，部分雷达采用的带限中频放大器会再次将限幅脉冲串的时间维度随机性转变为幅度维的随机性。因此，经过带限中频放大器后生成的随机幅值脉冲的熵功率仍具备一定干扰效果。

结合限幅引起的熵功率部分，限幅后射频噪声中起到直接干扰作用的总功率为：

综上，限幅射频噪声的品质因素近似为：

式（8）中：ηnmr为噪声的品质因素；KL为限幅系数，KL=σ UL，表示限幅对干扰信号的综合影响。

由式（8）可以看出，射频噪声的品质因素随限幅系数的增加而下降。当限幅系数为无穷大时，品质因素为0，当射频噪声信号完全未限幅时，品质因素为1，这说明噪声品质因素与噪声的方差有关，当限幅系数一定时，方差越大，品质因素越高。

3 基于双通道判别的干扰改进方法

结合第2 节分析，直接限幅使射频噪声信号出现直流分量，会降低射频噪声信号的品质因素，针对这种影响，本文对射频噪声干扰产生的数字基带部分进行改进，给出1 种基于预限幅的基带噪声信号产生方法，基本结构框图，如图4所示。

图4 干扰改进方法原理图Fig.4 Schematic diagram of interference improvement method

在DJS 电路基础上，设置2 路地址序列对正交基带噪声数据进行读取，其中波形数据存储器数量与添加序列数匹配，并保持存储数据一致。本文选取伪随机读取法作为地址寻址方法，假设地址产生器由m序列发生器组成，在1个时钟周期内，并行生成2路地址序列对存储器组进行寻址，生成的噪声数据可认为是同源并满足相互独立。假设选择“地址产生器1”作为基带噪声预限幅通道，“地址产生器2”支路为备选通道，通过在预限幅通道设置预限幅门限，判定信号幅值是否在限幅区间内，若预限幅通道的干扰信号幅值超出限幅区间，则选择备选通道噪声数据输出。

由式（7）可知，直接限幅后的信号能起到干扰作用的功率大小为P～，当添加1路信号后，生成的2路信号满足独立同分布，则经过限幅判别修正后的功率大小为：

结合式（9）（10），修正后的品质因素为：

在图4 的基础上，如果允许消耗更多的时间与空间资源，设置更多级的延时与多组数据存储空间，循环执行判别电路，则可以进一步提高噪声品质因素。综上所述，执行步骤如图5所示。

图5 干扰改进方法流程图Fig.5 Flow chart of interference improvement method

4 实验验证

在已知干扰机发射参数条件下，本节对射频噪声干扰进行仿真验证，以分析其在不同方法、不同参数条件下的变化。

4.1 不同参数条件下噪声品质因素变化

设噪声数据服从均值为0、方差为σ2的正态分布，首先,计算不同限幅系数条件下的品质因素，如图6所示。

图6 不同参数下的干扰品质因素变化Fig.6 Variation of interference quality factors with different parameters

上述仿真结果表明，当方差一致时，品质因素随着限幅系数的增大而降低，相较于直接限幅方法，改进方法能够获得更高的品质因素。随着噪声数据方差的增大，直接限幅与改进方法之间的差异减小，品质因素变化曲线的凸凹性更加明显，且随着限幅系数增大，品质因素变化减缓程度更高。

图7为直接限幅后产生的起到干扰作用的随机脉冲串功率随限幅系数变化情况。

图7 不同参数下的随机脉冲干扰功率变化Fig.7 Variation of random pulse interference power with different parameters

随着限幅系数KL的增大，随机脉冲串的功率呈递增趋势，当限幅系数进一步增大，干扰信号的顶部被“削平”，随机脉冲串的成分增加，直流分量增大，并且随机脉冲串的随机性减小，熵功率降低。因此，当限幅系数继续增大时，能起到干扰作用的随机脉冲功率降低。同时，同一限幅系数条件下，随机脉冲串的干扰功率与噪声方差呈现正相关特性，且随着噪声方差增大，干扰功率曲线的变化趋势更加明显。

4.2 射频噪声干扰信号级仿真

基于噪声信号产生原理对射频噪声干扰进行信号级仿真，采用伪随机读取法读取噪声数据，仿真中，设置基带噪声带宽为1 MHz，时钟频率为50 MHz，采用线性反馈移位寄存器[15]（Linear Feedback Shift Register，LFSR）作为m 序列发生器，LFSR 位数为20 bit，存储器容量设置为0.5 MB，DAC位数设置为12位，限幅系数为1，时钟频率为50 MHz，仿真时长为1 ms，仿真结果如图8～10所示。

图8 射频噪声时域信号图Fig.8 Time domain signal diagram of RF noise

图8 分别是未限幅、直接限幅和改进方法限幅后的噪声时域波形，对比图8 a）与8 b）、c），经过限幅后的噪声信号“尖头”减少，直接限幅后信号中被“削平”的部分转化为随机脉冲串，直流分量成分增加，改进方法通过判别替代的方法，降低直接限幅引起的直流分量，改善噪声品质因素。

图9 利用核密度估计[16]的方法，对直接限幅与改进方法产生的噪声数据进行分布拟合估计。可以看出，直接限幅得到的噪声分布在两侧形成“尖峰”畸变，改进方法生成的噪声分布更加接近于正态分布，表明改进方法能够有效改善直接限幅引起的噪声分布畸变问题，从而提高射频噪声信号的品质因素。同时，结合图10，对比2种方法条件下输出基带信号的频谱，本文方法相对于直接限幅方法存在频谱展宽的问题，这会在一定程度上造成干扰信号的频谱失真和带外辐射，对干扰频带以外的信号造成影响[17]。

图9 不同方法干扰分布密度估计Fig.9 Distribution density estimation with different methods

图10 频率不同方法干扰频谱图Fig.10 Interference spectrum of different methods

4.3 FPGA验证与实现

在射频干扰信号仿真的基础上，基于FPGA 进行板级验证，结合协同仿真的方式，验证本文方法的可行性与有效性[18-21]。基于4.2 节仿真参数，搭建FPGA电路，对信号的数字部分进行实现，利用IDE 平台对设计电路进行仿真，得到结果如图11所示。

图11 FPGA噪声信号仿真图Fig.11 FPGA-based interference signal simulation diagram

结果表明，本文设计的方法能够通过FPGA 实现噪声的数字信号生成，验证了本文方法具有可行性。

5 结论

本文基于直接限幅条件下的射频噪声干扰信号品质因素模型，围绕射频噪声信号产生原理，提出了1种基于双通道判别的射频噪声干扰信号生成优化方案。通过理论分析与仿真实验，验证了直接限幅对噪声品质因素的影响。相对于直接限幅方法，本文所提方法能够获得更高的噪声品质因素，有效改善射频噪声信号分布，并通过FPGA 验证了方法的可行性。本文仅对射频噪声干扰进行了讨论，针对其他干扰样式的优化问题是下一步的研究方向。