曾艦+洪升+唐榮欣+嚴茂松

摘 要： 數(shù)字電視廣播外輻射源雷達的信號帶寬大、基帶采樣率高，使得該體制雷達面臨數(shù)據(jù)實時傳輸和處理的困難。針對基于中國移動多媒體廣播（CMMB）信號的外輻射源雷達，利用CMMB信號的部分帶寬來降低基帶采樣率，提出一種子帶處理方法。其中，重點研究了重采樣率設置、參考信號子帶提純和子帶匹配問題，并結(jié)合多徑雜波抑制和匹配濾波處理分析子帶寬度和純度對目標探測性能的影響。仿真和實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了所提方法的有效性，為該體制雷達的實時化奠定了基礎。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字電視廣播外輻射源雷達； CMMB； 子帶處理； 多徑雜波抑制； 匹配濾波； 實時化

中圖分類號： TN958.97?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0057?06

Abstract： The digital television broadcasting?based passive radar is faced with the difficulties of real?time data transmission and processing due to its wide signal bandwidth and high baseband sampling rate. Aiming at the passive radar based on China mobile multimedia broadcasting （CMMB） signal， the part bandwidth of CMMB signal is used to reduce the baseband sampling rate， and a sub?band processing method is proposed. The re?sampling rate setting， reference signal sub?band purification and sub?band matching are researched emphatically. The multi?path clutter suppression and matched filtering are combined to analyze the effect of sub?band width and purity on target detection performance. The results of simulation and real data processing verify that the proposed method is effective， and lays the foundation for the real?time radar system.

Keywords： digital television broadcasting?based passive radar； China mobile multimedia broadcasting； sub?band proces?sing； multi?path clutter suppression； matched filtering； real?time performance

0 引 言

外輻射源雷達是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號探測目標的雙/多基地雷達系統(tǒng)，具有無需頻率分配、無輻射、抗摧毀能力強、研制和維護成本低、設備體積小、機動性強等諸多優(yōu)勢[1?3]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們對外輻射源雷達優(yōu)越性認識的加深，利用如電視廣播[4]、通信基站[5?6]、導航衛(wèi)星[7]等外輻射源的非合作式雙/多基地雷達系統(tǒng)逐漸受到人們的重視并成為新型探測技術(shù)研究的重點。美國的Lockheed Martin公司研制出了多基地外輻射源雷達系統(tǒng)“沉默哨兵”，該系統(tǒng)利用商業(yè)調(diào)頻電臺和電視臺的連續(xù)波信號來實現(xiàn)目標的探測、定位和跟蹤，實驗證明該系統(tǒng)可在125～136英里的距離上觀測到散射面積為10 m2的目標。

隨著數(shù)字廣播信號逐步取代模擬信號，基于數(shù)字廣播（數(shù)字調(diào)幅廣播DRM、數(shù)字音頻廣播DAB、數(shù)字電視廣播DVB?T）的外輻射源雷達已成為近年的研究熱點與前沿[8?9]。歐洲在數(shù)字廣播的推廣和應用方面走在世界的前列，其利用數(shù)字廣播的外輻射源雷達研究為我國開展相關(guān)研究提供了有益的借鑒。我國數(shù)字廣播起步較晚，近年來也相繼研究出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電視廣播標準，如CMMB和數(shù)字電視地面廣播（DTMB）等。其中CMMB已進入商用階段，截止到2010年底，CMMB信號已實現(xiàn)全國320個主要城市地面覆蓋，這為利用CMMB信號探測目標提供了信號基礎。

數(shù)字電視廣播外輻射源雷達信號帶寬大、基帶采樣率高，使得該體制雷達面臨數(shù)據(jù)實時傳輸和處理的困難。本文針對CMMB外輻射源雷達，提出一種子帶處理方法，所提方法以犧牲一定的探測性能為代價，利用CMMB信號的部分帶寬來降低基帶采樣率，但同時給信號處理帶來一些新的問題，如重采樣率設置、參考信號子帶提純和子帶匹配。本文首先介紹了CMMB信號的結(jié)構(gòu)，然后給出整帶處理方法，接著闡述了本文所提的子帶處理方法，其中重點討論了重采樣率設置、參考信號子帶提純和子帶匹配問題，并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)從多徑雜波抑制和匹配濾波處理方面分析了子帶寬度和子帶純度對目標探測性能的影響，最后通過實測數(shù)據(jù)驗證了所提算法的有效性。

1 CMMB信號結(jié)構(gòu)

CMMB信號物理層將來自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過前向糾錯編碼、交織和星座映射后，與離散導頻和連續(xù)導頻復接在一起進行OFDM調(diào)制。調(diào)制后的信號插入幀頭后形成物理層信號幀，再經(jīng)過基帶至射頻變換后發(fā)射[10]。CMMB物理層功能框圖如圖1所示，其中里德?所羅門（RS）編碼、字節(jié)交織、低密度奇偶校驗（LDPC）編碼和比特交織共同構(gòu)成CMMB物理層信道編碼，該信道編碼是無源探測參考信號在低信噪比下提純的基礎，但要求信號具有完整性。endprint

圖2為CMMB信號的幀結(jié)構(gòu)，其物理層信號每1幀為1 s，劃分為40個時隙，每個時隙的長度為25 ms，包括1個信標和53個OFDM符號，信標由發(fā)射機標識信號（TxID）和兩個同步信號組成。TxID、同步信號和OFDM符號均可表示為：

式中：為子載波序號；為符號子載波數(shù)；為符號子載波間隔；為復調(diào)制數(shù)據(jù)；為符號有效部分持續(xù)時間；為符號循環(huán)前綴持續(xù)時間；μs為保護間隔長度。CMMB包括8 MHz和2 MHz兩種帶寬模式，本文研究8 MHz帶寬模式，表1給出了其參數(shù)。

2 整帶處理方法

CMMB外輻射源雷達的整帶處理方法如圖3所示，雷達系統(tǒng)將參考天線波束指向發(fā)射基站以得到參考信號，將監(jiān)測陣列天線波束指向監(jiān)測區(qū)域以接收目標回波信號；接收信號經(jīng)模擬混頻、放大濾波輸出60 MHz的固定中頻信號；采用80 MHz的采樣率進行帶通采樣；對數(shù)字信號進行數(shù)字下變頻（DDC）處理以獲得10 MHz采樣率的信號。為節(jié)約硬件資源采用兩級FIR抽取濾波，第一級FIR通帶截止頻率設置為4 MHz，阻帶截止頻率設置為10 MHz，抽取4倍；第二級FIR通帶截止頻率設置為4 MHz，阻帶截止頻率設置為5 MHz，抽取2倍。10 MHz采樣率的多通道數(shù)據(jù)要求系統(tǒng)具有MB/s的傳輸和處理能力，其中為通道數(shù)，為每個采樣點量化的字節(jié)數(shù)。當時，該體制雷達系統(tǒng)需要320 MB/s的傳輸和處理能力，這給雷達軟硬件提出了很高的要求。由于不便于實時處理，只能將數(shù)據(jù)直接寫入高速磁盤陣列，然后離線處理。

為提取純凈的參考信號，采用文獻[11]所提方法進行參考信號重構(gòu)，該流程主要包括同步、信道估計、信道解碼和物理層調(diào)制。由于監(jiān)測通道不可避免地存在多徑雜波，雜波旁瓣會使回波譜基底抬高而淹沒目標，為抑制多徑雜波，可利用多徑雜波在相應子載波和累積時間內(nèi)相干的原理[12]，通過空域子空間投影相消多徑雜波，以解決抑制多徑雜波自由度不夠的問題?；ツ：瘮?shù)運算基于OFDM符號分段相關(guān)，由同一距離元作FFT完成，避免了CMMB信號結(jié)構(gòu)中的信標、循環(huán)前綴和保護間隔產(chǎn)生的副峰。

3 子帶處理方法

為實現(xiàn)該雷達系統(tǒng)的實時傳輸和處理，本文提出一種子帶處理方法，其處理流程如圖4所示。較于整帶處理方法，不同的是DDC、參考信號提純和匹配處理。

3.1 重采樣率設置

為節(jié)約硬件資源，DDC采用積分級聯(lián)梳狀濾波器（CIC）和FIR級聯(lián)的方式，其中CIC抽取用來降低采樣速率，F(xiàn)IR整形濾波用來防止混疊。為保證CMMB信號的OFDM符號有效部分和保護間隔部分包含整數(shù)個采樣點，最小重采樣率設置為1.25 MHz（OFDM符號有效部分512個采樣點，保護間隔3個采樣點），此時CIC抽取倍數(shù)設置為64，F(xiàn)IR阻帶截止頻率設置為625 kHz，通帶截止頻率的設置需要綜合考慮過渡帶寬度、子帶提純和匹配性能損失等。

若進一步降低采樣速率，重采樣率設置為625 kHz（OFDM符號有效部分256個采樣點，保護間隔1.5個采樣點），此時CIC抽取倍數(shù)設置為128，F(xiàn)IR阻帶截止頻率設置為312.5 kHz。由于保護間隔有非整數(shù)個采樣點，會導致相鄰OFDM符號存在一個固定的采樣偏移，如圖5所示，該采樣偏移會在頻域引入相位旋轉(zhuǎn)其中。此時，在進行處理前需要在相應OFDM符號的頻域補償該采樣偏移的影響。

3.2 子帶提純

子帶提純不同于寬帶提純，由于子帶處理破壞了信號的完整性，使得信道解碼和編碼不可實現(xiàn)，導致不能重構(gòu)出參考信號。為此，本文采用同步、解擾、信道估計、加擾的流程進行子帶參考信號提純。

CMMB信號每個時隙包括兩個完全相同的同步信號，兩個同步信號經(jīng)過抽取濾波處理仍具有一致性，可用加窗檢測峰值的方法捕獲同步信號的粗位置，如下：

式中：為采樣點序號；為同步信號的長度；為經(jīng)抽取濾波的接收信號；為一個時隙的長度，為保證能取得兩個完整的同步信號，滑動窗長度設置為。求得同步信號粗起始位置后，采用文獻[13]的方法進行頻偏估計并補償。

精同步仍利用本地同步信號訓練序列與接收同步信號的相關(guān)性，不同的是本地同步信號序列需進行相應抽取濾波預處理，處理方式如下：

式中：為接收同步信號；為原始同步信號訓練序列經(jīng)相應抽取濾波預處理的序列。

經(jīng)精同步后，取出OFDM符號有效部分并進行FFT獲得子載波頻域信息。由于CMMB信號在進行OFDM調(diào)制之前對OFDM頻域信號進行了加擾處理，為獲得OFDM子載波頻域信號需要分析擾碼模式并解擾。本文利用不同OFDM符號連續(xù)導頻傳輸數(shù)據(jù)的一致性，通過子帶內(nèi)的連續(xù)導頻來窮舉擾碼模式。

抽取濾波破壞了原信號的子載波結(jié)構(gòu)，不僅濾除了帶外子載波，而且對過渡帶的子載波存在調(diào)制，但子帶通帶內(nèi)的子載波結(jié)構(gòu)不變。信道估計利用子帶通帶內(nèi)的離散導頻在時域和頻域兩個方向的排列規(guī)律，通過時頻二維插值算法估計出通帶內(nèi)數(shù)據(jù)子載波處的響應，其中正負頻域分開插值。為了消除邊緣效應，子帶通帶截止頻率的選取以離散導頻的位置為基準。再利用式（4）進行均衡處理：

式中：為OFDM符號序號；為子載波序號；為均衡后的數(shù)據(jù)子載波；為均衡前的數(shù)據(jù)子載波；為估計的信道頻域響應。

3.3 子帶匹配

子帶匹配仍采用OFDM符號分段相關(guān)，同一距離元作FFT完成：

式中：為自模糊函數(shù)；為距離元；為多普勒元；為符號序號；為符號數(shù)；為符號時域采樣序號；為符號時域采樣點數(shù)，也即符號子載波數(shù)；為第個符號，其具體表達式如下：

式中：為子載波序號；為第個符號中第個子載波的復調(diào)制數(shù)據(jù)。將式（6）代入式（5），則有：

式中利用了OFDM符號頻域正交性，即。當時，零多普勒截線為：

由于抽取濾波器的非理想性，即存在通帶波紋和過渡帶，會導致子帶內(nèi)的子載波復調(diào)制數(shù)據(jù)存在調(diào)制。由于過渡帶很窄，通過對過渡帶頻域置零可忽略其影響，主要分析通帶波紋對匹配性能的影響，假設通帶為等波紋，則：endprint

式中：為原復調(diào)制數(shù)據(jù)；為通帶波紋幅度；為通帶波紋頻率；為抽取濾波器數(shù)字角頻率。則：

其中，假設子載波復調(diào)制數(shù)據(jù)為恒模，即。可見，由于通帶波紋導致匹配零多普勒輸出在處產(chǎn)生其他的模糊副峰。圖6展示了子帶匹配的性能，其中圖6a）子帶抽取濾波存在1 dB的通帶波紋，且存在過渡帶，可見除了主峰之外，還會產(chǎn)生其他的模糊副峰，影響雷達的探測性能。為消除通帶波紋和過渡帶對子帶匹配性能的影響，一方面設置通帶波紋盡量小，另一方面將過渡帶頻域置零。處理結(jié)果如圖6b）所示，其中子帶抽取濾波設置通帶波紋為0.01 dB，在匹配之前將過渡帶頻域置零，通帶波紋和過渡帶產(chǎn)生的模糊副峰被有效避免。

3.4 子帶處理對探測性能影響的分析

針對前文的子帶處理方法，結(jié)合多徑雜波抑制和匹配濾波處理，分析子帶寬度和純度對探測性能的影響，圖7給出了相應的仿真結(jié)果。其中圖7a）給出了子帶寬度對匹配濾波的影響，可見帶寬損失一半，相關(guān)峰值信噪比約損失3 dB。圖7b）展示了子帶寬度對多徑雜波抑制的影響，其多徑雜波抑制采用基于OFDM信號的空頻域多徑雜波抑制方法，可見子帶的子載波數(shù)對雜波抑制性能有一定影響，帶寬損失小于0.7時，雜波相消比基本不變，帶寬損失大于0.7時，雜波相消比開始下降，但只有幾個dB的下降。圖7c）分析了參考信號純度對匹配濾波的影響，其中重采樣率設置為1.25 MHz，F(xiàn)IR通帶截止頻率設置為512.7 kHz。接收參考信號信噪比越大，利用本文子帶提純方法提純的參考信號純度越高，所以本文用接收參考信號的信噪比表示參考信號的純度，由圖7c）可見接收參考信號信噪比小于5 dB，子帶提純純度不高，嚴重影響匹配性能。由此可知，在以上子帶帶寬設置的基礎上，利用本文所提子帶提純方法要求接收參考信號信噪比至少為5 dB。

4 子帶處理實測驗證

為了用實測數(shù)據(jù)驗證本文所提子帶處理方法的有效性，利用某單位研制的基于CMMB的外輻射源雷達實驗系統(tǒng)，于機場采集的一組數(shù)據(jù)進行實測數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)采用離線整帶處理。由于記錄數(shù)據(jù)的采樣率為10 MHz，本文利用FIR抽取濾波器處理實測數(shù)據(jù)獲得經(jīng)子帶處理的實測數(shù)據(jù)，其中抽取倍數(shù)設置為8（重采樣率設置為1.25 MHz），阻帶截止頻率設置為625 kHz，以防止抽取造成的頻譜混疊，通帶截止頻率設置為512.7 kHz（對應載波序號為210的離散導頻），以消除信道估計插值邊緣效應，通帶波紋設置為0.01 dB，以避免通帶波紋引起的匹配模糊副峰。圖8給出利用本文子帶處理方法的實測處理結(jié)果，其中圖8a）為子帶提純中信道均衡后的星座映射圖，可見接收信號為QPSK星座映射，該星座映射點比較聚集，表明其提純純度較高。圖8b）為多徑雜波抑制前的距離多普勒譜，其匹配前將監(jiān)測信號過渡帶子載波頻域置零，可見在零多普勒存在較強的多徑雜波，由于CMMB系統(tǒng)采用單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其多徑雜波尤為嚴重。從圖8c）可以看出經(jīng)本文方法抑制多徑雜波后，基底降低，目標凸顯出來，驗證了本文子帶處理方法的有效性。

5 結(jié) 論

針對數(shù)字電視廣播外輻射源雷達信號帶寬大、基帶采樣率高，不便于實時化的問題，本文重點研究了CMMB外輻射源雷達的一種子帶處理方法。該方法利用部分帶寬以降低基帶采樣速率，同時給信號處理帶來一些新的問題。本文重點研究了重采樣率設置、參考信號子帶提純和子帶匹配問題，同時分析了子帶寬度和純度對目標探測性能的影響。所提方法雖然犧牲了一定的匹配性能和距離分辨率，但在接收參考信號信噪比較高時不影響子帶提純性能，同時子帶寬度對多徑雜波抑制影響不大。實測數(shù)據(jù)驗證了所提子帶處理方法的有效性，為該體制雷達實時化奠定了一定的基礎。

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