摘 要在雷達(dá)和電子對(duì)抗領(lǐng)域，寬帶信號(hào)得到越來越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)寬帶系統(tǒng)抗干擾，分析基于子帶劃分和子帶綜合的自適應(yīng)對(duì)消方法對(duì)干擾信號(hào)的對(duì)消能力，利用采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，并提出了工程實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】寬帶信號(hào) 自適應(yīng)開環(huán)對(duì)消 子帶劃分 子帶綜合 FPGA DSP

1 引言

在雷達(dá)和電子對(duì)抗領(lǐng)域，寬帶信號(hào)得到越來越廣泛的應(yīng)用，為適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)的需要，寬帶系統(tǒng)必須具有好的抗干擾能力和自適應(yīng)能力[1，2]。針對(duì)寬帶系統(tǒng)中的干擾信號(hào)影響信號(hào)檢測的問題，傳統(tǒng)的窄帶、非自適應(yīng)干擾對(duì)消方法顯然已不再適用[3，4]。本文采用基于子帶劃分和子帶綜合的自適應(yīng)開環(huán)干擾對(duì)消方法，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)消仿真，并對(duì)劃分的子帶個(gè)數(shù)對(duì)對(duì)消性能影響展開分析，進(jìn)一步論證了工程實(shí)現(xiàn)的可行性。

2 原理分析

自適應(yīng)開環(huán)對(duì)消工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由一個(gè)高增益的天線（主天線）和一個(gè)或多個(gè)低增益的全向性天線（輔助天線）構(gòu)成，輔助天線的增益應(yīng)與主天線的第一旁瓣增益相當(dāng)。目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)到達(dá)主天線和輔天線。主天線中有目標(biāo)信號(hào)也有干擾信號(hào)，而輔天線中也是有目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)。主天線是強(qiáng)方向性天線，而輔天線一般是無方向性天線，主天線在目標(biāo)方向的增益遠(yuǎn)大于輔天線在目標(biāo)方向的增益。自適應(yīng)處理器根據(jù)主、輔天線接收的信號(hào)計(jì)算出一組自適應(yīng)權(quán)系數(shù)W，調(diào)節(jié)輔助天線的幅度與相位，從而在有源干擾方向自適應(yīng)形成零點(diǎn)，達(dá)到抑制有源干擾的目的。

圖1中y（t）表示在t時(shí)刻主天線上的采樣電壓矢量，X1（t）、X2（t）…XN（t）為各輔助天線接收信號(hào)，N為輔助天線數(shù)。

XT=（X1（t），X2（t），…XN（t）） （1）

表示t時(shí)刻輔助通道接收電壓矢量，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置操作。

表示由相應(yīng)算法得出的最優(yōu)加權(quán)值矢量。

WT=（W1，W2，…WN） （2）

（3）

對(duì)消剩余信號(hào)由下式給出：

計(jì)算最優(yōu)權(quán)值的準(zhǔn)則是使剩余功率最小，即最小均方準(zhǔn)則（LMS），它的統(tǒng)計(jì)表示為：

（4）

其中R0=E（X×y*（t））表示主通道干擾矢量與輔助通道干擾矢量形成的互相關(guān)矩陣；

R=E（X×XH）表示各輔助通道干擾矢量形成的協(xié)方差矩陣。

對(duì)（4）式兩側(cè)分別對(duì)權(quán)值矢量W中的每一個(gè)分量W1*，W2*，…WN*做求導(dǎo)運(yùn)算，并且使偏導(dǎo)結(jié)果為零，這樣能使剩余功率最小。

求偏導(dǎo)的過程

，其中K=1，2，…N，根據(jù)上述N次求偏導(dǎo)運(yùn)算，最終得到自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的最優(yōu)權(quán)值表達(dá)式為：

R×Wopt=R0 （5）

Wopt叫Wiener權(quán)系數(shù)矢量。根據(jù)Wiener-hopf方程，同時(shí)對(duì)主輔通道進(jìn)行采樣，然后形成互相關(guān)矩陣和協(xié)方差矩陣，從而求出自適應(yīng)權(quán)值，調(diào)節(jié)輔助通道的幅度與相位，再與主通道信號(hào)進(jìn)行疊加，完成對(duì)消運(yùn)算，達(dá)到抑制有源干擾的目的。

以一個(gè)主通道和四個(gè)輔助天線構(gòu)成的自適應(yīng)旁瓣對(duì)消器為例。

y（t）為主天線接收信號(hào)，X1（t）、X2（t）、X3（t）、X4（t）分別為輔助天線1、2、3，4的接收信號(hào)，對(duì)消剩余信號(hào)為r（t），根據(jù)旁瓣對(duì)消原理，自適應(yīng)權(quán)值滿足（5）式。根據(jù)式（5）求解出自適應(yīng)權(quán)值W，則對(duì)消剩余信號(hào)r（t）為：

自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的運(yùn)算量主要為自適應(yīng)權(quán)值的計(jì)算和主輔通道的對(duì)消，自適應(yīng)權(quán)值計(jì)算的過程是對(duì)主、輔通道分別進(jìn)行采樣，求出自適應(yīng)權(quán)值。然后按式（6）進(jìn)行主輔通道的對(duì)消，達(dá)到抑制干擾的目的。

（6）

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用信號(hào)源在遠(yuǎn)場通過射頻前端注入點(diǎn)頻信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)，通過功分器分發(fā)到1個(gè)主天線和3個(gè)輔助天線；采集系統(tǒng)利用FPGA校正和信道化后的每個(gè)天線的1個(gè)信號(hào)信道，數(shù)據(jù)率為20MHz，每個(gè)信道采集16384個(gè)數(shù)據(jù)，即819.2us，同時(shí)考慮系統(tǒng)的余量，可以實(shí)現(xiàn)大于300us的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足數(shù)據(jù)分析要求。

3.2 噪聲門限確定

利用采集系統(tǒng)，間斷輸入信號(hào)得出噪聲值，近場輻射噪聲均值為26.8016 dB。

3.3 對(duì)消仿真

采集系統(tǒng)載頻范圍2～3.5GHz，一個(gè)信道帶寬為20MHz，不足信號(hào)帶寬的1%，遠(yuǎn)小于信號(hào)帶寬小于載頻10%的，可以近似認(rèn)為是信道化輸出是窄帶信號(hào)。以下針對(duì)遠(yuǎn)場輻射信號(hào)采取劃分不同子帶個(gè)數(shù)、不同的輔助通道數(shù)進(jìn)行分析。

輸入信號(hào)參數(shù)為脈寬2us，信號(hào)帶寬20M，信號(hào)中心頻點(diǎn)2.4G，主通道干噪比不小于40 dB。自適應(yīng)干擾對(duì)消處理流程如圖2。

對(duì)輸入的數(shù)據(jù)對(duì)齊后，分別做信道化處理，再分別對(duì)每個(gè)信道做子帶劃分處理。主通道和輔助通道劃分子帶后數(shù)據(jù)做自適應(yīng)對(duì)消處理，對(duì)消處理結(jié)果，經(jīng)過子帶綜合模塊，恢復(fù)成信道化處理后的一個(gè)信道數(shù)據(jù)，完成基于子帶劃分和子帶綜合的自適應(yīng)干擾對(duì)消處理。下圖2分別為一個(gè)信道信號(hào)的頻譜和選擇不同劃分子帶個(gè)數(shù)、不同輔助通道個(gè)數(shù)，自適應(yīng)干擾對(duì)消后的時(shí)域和頻域圖。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，輔助通道個(gè)數(shù)越多或者子帶劃分越細(xì)（子帶個(gè)數(shù)越多），干擾對(duì)消的結(jié)果越好。

4 工程實(shí)現(xiàn)

工程實(shí)現(xiàn)上采用FPGA+DSP 的處理架構(gòu)。對(duì)輸入的寬帶數(shù)據(jù)對(duì)齊和信道化處理，并將信道化后數(shù)據(jù)送入DSP計(jì)算對(duì)消自適應(yīng)權(quán)系數(shù)，利用該自適應(yīng)系數(shù)和信道化數(shù)據(jù)，做開環(huán)自適應(yīng)對(duì)消。

在FPGA上完成數(shù)據(jù)對(duì)齊、信道化處理、數(shù)據(jù)采集并送DSP、自適應(yīng)對(duì)消處理；DSP主要任務(wù)是計(jì)算旁瓣對(duì)消自適應(yīng)權(quán)系數(shù)，在響應(yīng)外部中斷，進(jìn)入中斷程序后，首先是把上一個(gè)周期的權(quán)系數(shù)送出去，然后讀取FPGA中的當(dāng)前周期數(shù)據(jù)，存入內(nèi)部寄存器后，進(jìn)行復(fù)數(shù)自相關(guān)矩陣、復(fù)數(shù)自相關(guān)矩陣求逆、復(fù)數(shù)互相關(guān)矩陣、逆矩陣與互相關(guān)矩陣相乘等運(yùn)算。其中DSP計(jì)算旁瓣對(duì)消權(quán)系數(shù)流程如圖4所示。

5 結(jié)論

綜合仿真分析結(jié)果，對(duì)20M帶寬數(shù)據(jù)，基于子帶劃分和子帶綜合的自適應(yīng)對(duì)消方法能有效抑制干擾，且選取輔助通道越多、劃分子帶的個(gè)數(shù)越多對(duì)對(duì)消比越有改善。而在具體的工程實(shí)現(xiàn)中，則需要綜合考量指標(biāo)要求和硬件成本，選取合適的輔助通道個(gè)數(shù)和劃分子帶的個(gè)數(shù)，以期達(dá)到抑制干擾、檢測信號(hào)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012（09）.

[2]Brookner E.Phased-array radar[J] Scientific American，1985，252（02）：94-102.

[3]李會(huì)勇.基于L波段相控陣?yán)走_(dá)的旁瓣對(duì)消算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013：20-23.

[4]曹運(yùn)合，齊飛林.寬帶相控陣子陣劃分及自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2010（04）：337.

作者簡介

萬衛(wèi)華（1979-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理和電子對(duì)抗信號(hào)處理。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽省合肥市 230088