(海军工程大学 电子工程学院，武汉 430033)

1 引 言

在电子战中信号的检测速度与截获概率占有非常重要的地位，快速检测与截获是进行瞄准式干扰的前提，尤其是对快速跳频信号实施跟踪瞄准式干扰，搜索截获的速度决定了实施干扰速度和干扰功率进入对方接收机的时间占对方每跳驻留时间的比例，直接影响了干扰的效能。

超外差体制的全景显示搜索接收机接收灵敏度高,但是存在搜索速度、接收灵敏度和频率分辨率之间的固有矛盾，传统的基于色散延迟线等压缩侦察接收机受环境等因素影响较大[1]；传统体制的信道化接收机可以做到全概率接收，但是功率经功率分配器，功率减小，并且体积庞大不便集成，成本高等缺点如文献[2]的信道化IFM接收机中LFM信号的接收；基于多相抽取技术的信道化接收机产生旁瓣，虚警率高，如周欣、吴瑛在文献[3]中对基于多相滤波的宽带接收机信道化算法进行的研究。唐涛、吴瑛的基于直线检测的宽带信源个数估计新方法[4]和马岸英、杨军超的宽带高分辨率无线电信号侦察接收机[5]都无法兼顾搜索速度、频率分辨率和信号接收灵敏度之间的关系。

基于匹配滤波线性调频压缩数字侦察接收机只作为全景搜索显示使用，不作为解调通道使用，可以与监测侦听分析接收机配合使用，把搜索到的对方信号频率提供给监测侦听分析接收机，完成对信号的搜索和分析。基于匹配滤波线性调频压缩数字侦察接收机是通过信号压缩的方式在高速搜索时提高频率分辨率的。脉冲压缩技术是指把扫频搜索形成的线性调频信号通过匹配滤波信号进行信号处理，在保持了很高的分辨率同时也保持了在相同输入信噪比的情况下得到信号具有最大信噪比，同时搜索速度、信号接收灵敏度和频率分辨率之间的矛盾得到改善，性能稳定。

2 压缩接收机对跳频信号的搜索检测过程

跳频信号可以表示为

s(t)=m(t)cos[2π(f0+hnΔf)t+θn],
n=0,1,2,…，N

(1)

式中，Δf为跳频间隔，hn为跳频码，m(t)为信息码，θn为初始相位。

输入接收机的信号可以表示为

x(t)=s(t)+n(t)

(2)

式中，n(t)为高斯白噪声。

本地线性调频信号在一个扫描周期内可以表示为

(3)

(4)

式中，μ是扫描速度。

压缩滤波器的脉冲响应函数当T1

(5)

快速跳频通信中τ是毫秒数量级，在计算中由此引起的相位变化可以忽略，则混频和压缩滤波器输出可以表示为

(6)

式中，T1≤t≤T，t1=max(0,t-T1)，t2=min(t,T1)。当考虑对某一跳进行检测时，设输入信号的持续时间大于T，则可以将信号简化为s(t)=Acos(ωit+θ)，于是相应的输出可以表示为

(7)

其中n′(t)为压缩滤波器输出噪声：

(8)

(9)

(10)

其中nc(t)和ns(t)是相互独立的零均值高斯过程。提取其包络得包络函数：

(11)

由包络函数e(t)取得最大值的条件知，当信号存在时得到包络幅度最大值时刻对应着信号的中心频率，通过提取峰值即可获得跳频信号该跳的中心频率。

在检测过程中，对压缩滤波器输出信号进行包络幅度提取，采样值与某个频率相对应，将采样值与门限进行比较，是否存在信号，如果存在信号记录信号对应的频率、出现时间、驻留时间，连续扫描N个周期进行综合分析是否存在跳频信号。

3 基于线性调频压缩技术的侦察接收机模型

3.1 模拟线性调频压缩技术侦察接收机模型

如图1所示，模拟压缩技术接收机是通过色散延迟线把冲激信号在时域展宽为线性调频信号，再与接收的信号进行混频，通过中频滤波进入压缩滤波器。压缩滤波器同样是由色散延迟线或者叉指换能器来实现频率延迟达到匹配滤波，这种器件形成的线性调频信号会随着环境、温度的变化而变化，因而性能受到影响，并且这些器件通常体积较大，给系统的小型化、集成化带来了挑战。由延迟线或类似延迟线的器件设计的滤波器是基于不同频率信号经过延迟线时延迟时间不同，在输出端压缩成一个射频窄脉冲，再检波得到时域的脉冲包络，根据此包络在时间轴上的位置来计算载频，精度无法保障。

图1 模拟压缩接收机框图Fig.1 Block diagram of analog compression receiver

图中fs(t)为t时刻进入接收机信号的频率，us(t)为进入接收机时的感应电动势，LO为线性调频信号，uI(t)为经过中频滤波器后的中频信号电压，uc(t)为压缩以后输出的信号电压，u0(t)为输出的包络电压。

3.2 基于匹配滤波器的线性调频压缩数字侦察接收机模型

基于时域相位匹配线性调频压缩技术侦察接收机简称数字压缩接收机，该数字压缩接收机的框图模型如图2所示。

图2 数字压缩接收机框图Fig.2 Block diagram of digital compression receiver

图中fs(t)为t时刻进入接收机信号的频率，us(t)为进入接收机时的感应电动势，us(nT)为对接收到的带限信号进行带通采样，u1(nT)为对混频后的信号经中频滤波器后得到的离散电压值，A(nT)为对压缩滤波器输出信号的幅度。

数字压缩接收机的压缩滤波器是对中频输出信号进行压缩，进入中频接收机的信号是线性调频信号，匹配滤波器是使信噪比最大准则设计的滤波器，表示为Kss(T-t)，则要求中频滤波器为线性相位的滤波器，否则信号相位特性会发生畸变，按照线性调频信号设计的滤波器则不是匹配滤波器。按照中频滤波器的通带频段和本振信号的线性调频频率变化率来设计匹配滤波器即压缩滤波器，通过此压缩滤波器的信号输出为时域窄脉冲，不需要再进行检波，直接用来解信号的载频。设计的滤波器各抽头系数可以存入FPGA存储器，方便计算和校正，精度更高。

3.3 信号源的截取与匹配滤波检测

基于压缩技术的数字侦察接收机要在整个频段上进行搜索，本振信号是宽带的线性调频信号，混频结果含有宽带的线性调频信号和一些谐波分量，宽带线性调频信号的一段信号作为信号压缩的信源，截获并区分不同载波频率的信号。在对通信信号进行侦测时，载波频率在一个码元或者脉冲内是不变的。

输入接收机截获的原始信号经过射频选择、混频后的信号为x(n)=s(n)+ε(n)，其中s(n)为宽带线性调频序列，频带宽度与本振相同，ε(n)是均值为零的高斯白噪声，经过中频滤波器后得到xI(n)=sI(n)+εI(n)，滤波器采用的是匹配滤波器，抽头系数表示为Kss(N-n)。

设输出信号为

sout(n)=[sin(2πflownT+πk(nT)2)+ε(t)]·

sin(2πfhighnT-πk(nT)2)

(12)

ε(t)与信号不相关卷积不会出现峰值，还是噪声。截取与滤波器匹配的信号完全进入滤波器前与匹配滤波器延时特性参数相关度较小，在截取的匹配信号完全进入滤波器时会出现陡峭的峰值。

sin(2πflownT+πk(nT)2)}

(13)

4 基于匹配滤波线性调频压缩的数字侦察接收机仿真实验

基于匹配滤波线性调频压缩的数字侦察接收机是特殊体制的超外差接收机，解决了搜索速度、分辨率和灵敏度之间的矛盾，弥补了模拟压缩接收机受环境等因素影响大、体积大、精度不高等缺点。

4.1 中频滤波器和压缩滤波器的设计

在中频滤波器的设计中，为了保证通过滤波器的信号频率不发生相位上的畸变，要求中频滤波器具有线性相位，用窗函数法设计的有限冲激响应滤波器能满足要求。设计的中频滤波器特性如图3所示。

(a)中频滤波器的幅度频率特性

(b)中频滤波器的相位频率特性图3 中频滤波器的幅度频率相位频率特性图Fig.3 Amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic of IF filter

匹配压缩滤波器的设计满足以下条件：

(1)与线性调频本振信号具有相反斜率特性的线性调频滤波器；

(2)与中频滤波器输出信号带宽对应，与中频滤波器输出信号匹配。设计此滤波器具有线性调频正弦特性，如图4所示。

图4 压缩滤波器时域延时特性图Fig.4 Latency characteristic of compression filter

4.2 基于匹配滤波器的线性调频压缩数字侦察接收机的仿真

假定数字压缩接收机在4～6 MHz范围内进行搜索，有两个跳频电台在频点分别为4.13 MHz和4.2 MHz上工作同时进入接收机，在4～6 MHz频率范围内搜索所用的时间为0.25×10-3s，信号的幅度为1，采用点数为1 000，采样频率为4 MHz，两个正弦波信号经过射频选频后进入接收机，经过混频滤波以后的信号其信号特性如图5所示。

(a)信噪比为20 dB时时域信号

(b)信噪比为0 dB时时域信号

(c)信噪比为0 dB时频谱图5 进入压缩滤波器前的信号Fig.5 Signal before compression

压缩接收机以8 GHz/s的速度进行对相隔70 kHz的信号搜索，在输入信号信噪比分别为20 dB和0 dB时，接收机末端输出信号的波形分别如图6(a)、(b)所示。

(a)输入信噪比为20 dB时压缩接收机输出时域脉冲

(b)输入信噪比为0 dB时压缩接收机输出时域脉冲图6 输入信噪比为20 dB和0 dB信号时接收机时域信号输出Fig.6 Output signal against input for SNR=0 and SNR=20 dB

4.3 搜索速度、频率分辨率矛盾得到解决

常规外差接收机在高速搜索的时候中频滤波器的性能会迅速下降主要表现在频率分辨率下降，接收机采用了压缩技术，压缩滤波器特性与信号在混频和中频滤波后形成的线性调频信号匹配，压缩得到窄脉冲，由图6可知接收机在输入信号信噪比为0 dB时以8 GHz/s的速度在频段上搜索时，仍然能够很好地将相隔70 kHz的信号区分开来。

4.4 压缩接收机灵敏度高

通过对数字压缩接收机搜索信号的过程进行仿真可知接收机的灵敏度没有下降，数字压缩接收机输入接收机信噪比与输出信号的信噪比的统计关系如图7所示。

图7 输入信噪比与输出的信噪比关系Fig.7 SNR relation between input and output

搜索速度以8 GHz/s和9.6 GHz/s进行搜索，在延时时间一定时，以9.6 GHz/s进行搜索的频率范围大，压缩增益高一些，压缩接收机对中频滤波频带要求较宽，通过压缩给输出信号增加了压缩增益，所以数字压缩接收机灵敏度高。

5 结束语

本文对压缩技术在数字侦察接收机中的应用原理和模拟压缩接收机进行了分析，提出了基于匹配滤波器线性调频压缩技术的数字全景接收机，并设计了具体的器件对基于压缩接收技术的接收机同时接收跳频网台的两个信号进行了仿真，仿真结果表明该接收机模型性能稳定可靠，能根据搜索的顺序及时间确定跳频信号截获的跳频周期等参数，具有很好的应用前景。下一步可以根据所提出的模型，结合可编程器件FPGA的内部结构和特点进行试制模型机进一步的试验。

参考文献：

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[3] 周欣,吴瑛.基于多相滤波的宽带接收机信道化算法研究[J].现代雷达,2006,28(11):71-74.

ZHOU Xin,WU Ying.A Study on Broad-band Channelized Receiver Algorithm Based on Polyphase Filters[J]. Modern Radar，2006,28(11):71-74. (in Chinese)

[4] 唐涛,吴瑛.基于直线检测的宽带信源个数估计新方法[J].系统工程和电子技术,2009,31(8):1878-1881.

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MA An-ying,YANG Jun-chao,SI Xin-lu. Wideband Radio Signal Reconnaissance Receiver with High Resolution[J]. Journal of Detection & Control, 2005,27(2):1-4. (in Chinese)