数字信道化及虚假信号问题研究

桂佑林，王本君

(南京电子技术研究所, 南京 210039)



·信号处理·

数字信道化及虚假信号问题研究

桂佑林，王本君

(南京电子技术研究所, 南京 210039)

介绍了基于多相滤波的数字信道化接收机及其实现方法，讨论了跨信道信号、“兔耳效应”和重复信号等虚假信号的场景。针对每一种虚假信号，都进行了相应的仿真，给出了详细的说明。在介绍三种虚假信号特征的基础上，提出了消除虚假信号的方法，并提供了完整的处理流程。最后，通过MATLAB仿真结果验证了方法的有效性。

多相滤波；数字信道化；虚假信号

0 引 言

在现代电子战中，雷达侦查设备需要获取敌方雷达信号的技术参数、位置、类型等情报，为制定雷达对抗作战计划提供依据。由于敌方雷达信号是非合作设备，且有可能是多部辐射源同时存在，因此侦收设备的侦收带宽必须尽可能大，以达到同时覆盖多部辐射源、提高雷达截获概率的目的。

由于无源侦收设备接收到的信号带宽较大，如果直接对其进行处理，对信号处理设备的要求比较高，现有的处理平台可能无法完成，这种情况下就需要采用数字信道化处理[1-3]。

基于多相滤波的信道化接收机的主要原理是把频带均匀划分成若干信道，将各个信道的频谱搬移到零中频，经过低通滤波器后再进行信号的检测、频率等参数估计。通过信道化处理，原本的宽带信号被划分成多个信道，每个信道都是窄带信号，可以对每个信道的信号并行进行包络检波和参数测量，这样大大减少了信号处理平台的吞吐压力，使得宽带信号处理成为可能。

但是信道化也会带来一些问题，尤其是会在相邻信道造成虚假信号[4-5]，本文首先讨论了多相滤波信道化体制，以及该体制下造成的宽带信号分裂和相邻信道虚信号等问题，然后研究了相邻信道虚假信号消除技术，并通过Matlab仿真验证了算法的有效性。

1 多相滤波信道化的实现

多相滤波信道化接收机是一种利用相互邻接的窄带滤波器组实现多频道精确频率测量的侦查接收设备。多相滤波信道化通过一组覆盖整个频段的滤波器将频段划分为若干个子频段(信道)，每个滤波器的输出就是一个信道输出，示意图如图1所示。

图1 频率信道化的多相滤波实现

其中，hp(m)=hLP(mD+p)，是低通滤波器的多相实现的各分支滤波器的系数。

定义h(n)=hLP(n)，第k路的信道输出如下

xp(m)=Sp(m)*hP(m), p=0,1,…,D-1

为消除信道间的侦收盲区，实际应用信道化时，抽取倍数可设为2/D，这样通过多相滤波信道化处理，一个宽带接收信号转化成D个窄带信号，每个信道的采样带宽为侦收带宽的2/D倍，这为后续实时信号处理提供基础。

2 信道化的优缺点

相对于非信道化体制接收机，信道化接收机具有以下优点：

1) 可以降低信号处理平台的处理压力

对于一部侦收带宽较大的侦收设备，例如频率覆盖2 GHz范围，如果不通过信道化降低信号采样率，信号处理平台的处理通过率必须达到2 GHz，这对现有的信号处理平台是难以实现的。但通过信道化处理后，2 GHz的带宽被分到D个信道，每个信道的带宽可以降到原来的2/D，则单个信号处理平台的处理能力只需要达到2/D×2 GHz就可以满足要求了。实际系统中可以根据信号处理平台的能力和侦收带宽灵活设计子信道的带宽。

2) 可以处理同时到达的不同频率的信号

在侦收设备的侦收带宽内，有时存在不止一部雷达辐射源，且这些辐射源会同时进入侦收设备。此时虽然各辐射源信号的频率不同，但在时域进行包络检波时无法将多个信号区分开来。而通过信道化处理后，由于子信道带宽较窄，不同频率的辐射源信号出现在不同的子信道中，可以有效地将信号区分开。

但由于信道化本身的特点，信道化也会带来一些问题：

1) 跨信道信号分裂

对于宽带信号如线性调频信号(LFM)等，当信号横跨两个甚至更多子信道时，同一个信号会出现在两个或更多个信道中，最终通过包络检波会检出多个脉冲信号[6]。

2) 兔耳效应

对于矩形脉冲信号，在其上升沿和下降沿处，由于存在信号幅度、相位突变，信道化会将信号的能量扩散到与信号真实频率所在信道相邻的多个信道中，在多个信道产生暂态输出，这种现象叫做“兔耳效应”[7-8]。

3) 过渡带重复信号

当信号频率位于相邻两个信道交叠处或交叠处附近时，由于过渡带的存在，该信号可能同时出现在两个信道中，造成重复信号。

3 信道化后造成的虚假信号特征分析

本节主要分析信道化造成虚假信号的各种场景，为之后研究如何消除虚假信号提供依据。

1) 跨信道信号分裂

如图2所示为一个宽带LFM信号分裂到4个信道的情况。

图2 场景1：跨信道信号的分裂

真实的信号只有1个，但从图中可以看出，在4个信道中都有信号，且任意两个相邻信道中的信号在时域上和频域上都存在交叠。

在实际工作中，有时会遇到大带宽的合成孔径雷达(SAR)信号，其带宽可达1 GHz，可能跨多个信道，如不加以处理，在后续的分选处理中可能会出现多个虚假信号，造成增批。

2) 兔耳效应

兔耳效应是一种相邻信道的暂态输出现象，如下图所示为通过信道化接收机输出信号的包络，信道1为信号所在的主信道，信道 0、2 和信道 1相邻。如图3所示，可以看到信道1是主信道输出，信号幅度最大，包络为梯形；信道 0、2 本来无信号输出，但实际会在脉冲起止附近出现两个虚假窄脉冲，形状像兔子的两只耳朵，这就是“兔耳效应”。在距离主信道稍远的信道3中，仍然有兔耳脉冲的存在。

图3 场景2：普通的兔耳效应

从图中可以看出，兔耳脉冲出现在和主信道相邻的多个信道中，从时域上看分别出现在信号起始位置和结束位置附件，且脉宽远小于主信号；从幅度上看，兔耳脉冲的幅度小于主信号幅度，且有离主信道越远兔耳幅度越小的规律。

在实际电子战中，复杂信号如二相编码信号(BPSK)、频移键控信号(FSK)、四相编码信号(QPSK)等大量存在，这会令虚假信号更加复杂。例如在侦收相位编码信号时，由于在信号码片结合处存在着频率跳变，这同样会造成一种暂态冲击，从而在相邻信道形成兔耳，图4所示就是BPSK信号的信道化输出包络。

图4 场景3：出现在信号包络中间的兔耳效应

从图中可以看出，在主信号起始和结束位置的兔耳脉冲，其特征和场景2中的兔耳脉冲相同；不同的是，在真实信号包络内部，也出现了一些“兔耳”，这些兔耳脉冲除了出现位置在真实信号包络内部之外，其幅度和脉宽特征与一般兔耳脉冲特征相同。

3) 过渡带重复信号

当真实信号的频率刚好处于信道过渡带中时，会在这两个相邻信道中形成重复信号。从理论上来讲，两个信号都是真实信号在两个信道中的响应，但真实的信号只有一个，重复信号对后续的分选是不利的。图5所示为一个过渡带信号形成的重复信号。

图5 场景4：过渡带重复信号

从图中可以看出，在信道1和信道2中，都形成了有效的信号，这两个信号的频率、脉宽、起始和结束时间等参数都非常接近，本质上是同一个信号。在0、3信道中，还有幅度较小的兔耳脉冲。

如果不处理虚假信号，对上述4种场景的包络检测结果直接进行分选处理，则得到如表1所示的结果。其中RF为信号起始频率，BW为信号带宽，PW为信号脉宽，PRT为信号重复周期。

表1 不处理虚假信号的分选结果

从上表可以看出，对上述4种场景的直接分选结果，都出现了增批，这会对我方电子战的决策造成困扰。

4 虚假信号消除方法

根据上一节分析的3种虚假信号的特点，分别考虑消除虚假信号的方法如下：

1) 场景1

依次对相邻信道的包络检测结果进行比对，寻找是否存在时域和频域都有交叠的包络，如果存在，则将这两个包络进行拼接、合并[9-10]，新包络的起始时间、结束时间和起始频率、结束频率这4个参数，都取两个旧包络响应参数的极值，脉宽、带宽则根据4个新参数重新计算。场景1如图6所示。

图6 场景1 跨信道示意图

2) 场景2

依次对相邻信道的包络检测结果进行比对，寻找满足如下条件的包络：

(1) 脉宽非常小(小于相邻信道信号脉宽，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相邻信道信号；

(3) 起始、结束时间都在相邻信道信号的上升沿或下降沿附近。

如果找到这种信号，则将该信号剔除。场景2如图7所示。

图7 场景2兔耳脉冲示意图

3) 场景3

依次对相邻信道的包络检测结果进行比对，寻找满足如下条件的包络：

(1) 脉宽非常小(小于相邻信道信号脉宽，一般小于0.5 μs)；

(2) 幅度小于相邻信道信号；

(3) 信号包络可被相邻信道信号的包络完全包含。

如果找到这种信号，则将该信号剔除。场景3如图8所示。

图8 场景3兔耳脉冲示意图

4) 场景4

依次对相邻信道的包络检测结果进行比对，寻找满足如下条件的包络：

(1) 幅度小于相邻信道信号；

(2) 信号包络与相邻信道信号的包络在时域上几乎相同；

(3) 频率处于过渡带内且与相邻信道信号的频率非常接近。

如果找到这种信号，则将该信号剔除。场景4如图9所示。

图9 场景4重复信号示意图

在综合考虑上述清除几种虚假信号的方法的基础上，得到如图10的处理流程。

图10 信道化及消除虚假信号流程图

对上述几种场景，经过消除虚假信号处理后再进行分选，得到如表2所示的结果。

表2 消除虚假信号后的分选结果

可见，对4种场景，在消除虚假信号后再进行分选，得到的结果与真实信号基本吻合。

5 结束语

本文讨论了数字信道化后形成虚假信号的几种场景，通过对每种场景进行仿真分析，得出虚假信号时域、频域的参数特征，根据这些特征提出了相应的消除虚假信号的方法和处理流程。按照本文提出的方法分别处理4种场景的虚假信号，都取得了理想的分选结果，与真实信号基本一致，这证明了方法的有效性。由于多相滤波信道化存在虚假信号的问题，对侦收信号分段作快速傅里叶变换然后进行检波和参数测量是另一种可行方法。

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桂佑林 男，1977年生，硕士研究生，高级工程师。研究方向为雷达信号处理。

王本君 男，1987年生，硕士研究生，工程师。研究方向为雷达信号处理。

A Study on Digital Channelization and False Signals

GUI Youlin，WANG Benjun

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At first，the digital channelization receiver based on the polyphase filter and its realization are introduced briefly.Then the scenes of false signals such as cross channel、“rabbit ear effect”and duplicate signals are discussed.For every false signal，the detailed explanation is provided after simulation. Based on the features of the three false signals,the methods of false signals elimination are proposed.The integrated process flow is also offered.At last，the availability of the methods is proved through the result of MATLAB simulations.

polyphase filter；digital channelization；false signals

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.005

桂佑林 Email：guiyl@163.com

2015-10-22

2015-12-23

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0023-05