數字電視直播衛星信號用于無源雷達性能分析*

王天云,劉冰,凌曉冬,劉勇,陳衛東

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

0 引言

隨著電子技術的快速發展，有源雷達面臨著反輻射彈、電子干擾、低空突防、隱身目標的威脅。無源雷達是一種利用第三方照射源(如調頻廣播電臺、手機/電視基站、導航衛星等)發射的電磁波信號對目標進行探測或成像的雙/多基地雷達系統，具有“四抗”優勢，近年來受到國內外學者的廣泛關注[1-2]。

自1986 年H. D. Griffiths 提出基于電視信號的雙基地雷達[3]和1999 年P.E.Howland 發表有關基于電視信號的無源探測論文[4]以來，基于非合作輻射源的無源雷達技術進入了迅速的發展階段。

2013年萬顯榮等人對基于DRM數字調幅廣播的高頻外輻射源雷達進行實驗研究，證實了數字調幅廣播(digital radio mondiale, DRM)信號實現超視距無源探測技術的可行性[5]。2014年中國科學技術大學的于小飛等人研究了基于數字電視直播衛星的無源成像技術，并提出一種基于Laplace目標先驗的稀疏貝葉斯學習的成像方法[6]，但文中并未對數字電視直播衛星的信號特性進行分析。2015年北京航空航天大學的Hui Ma提出了一種聯合利用Galileo衛星輻射的E5a和E5b信號來提高無源合成孔徑雷達(synthetic aperture radar, SAR)成像方案，實測結果表明了其距離維分辨效果相比僅利用E5b信號提高了3倍[7]。2015年西班牙阿爾卡拉大學的J.-L. Bárcena-Humanes等人研究了利用商用同步衛星作為照射源來實現對海面目標定位和成像的可行性[8]。2016年意大利那不勒斯環境電磁感應研究所的Gianluca Gennarelli等人研究了基于WIFI信號的室內人體動目標定位、跟蹤和成像技術[9]。2017年美國坦普爾大學的Yimin D. Zhang等人研究了基于數字地面電視(digital terrestrial television, DVB-T)外輻射源照射的無源SAR成像技術，構建了基于多頻段的稀疏成像模型，仿真結果表明相比單頻段無源成像，聯合多頻段成像技術具有較大優勢[10]。2017年武漢大學的Yuqi Liu等人則研制了一套基于數字電視信號的多通道無源接收裝置，成功實現了對空中無人機的探測和跟蹤[11]。

當前，隨著通信/導航等新興技術的發展，空間中的電磁信號種類越來越豐富，尤其是以數字信號為代表，具有較好的可用性。本文詳細分析了數字數字電視直播衛星(digital video broadcasting-satellite, DVB-S)信號用于無源雷達的基本性能。首先介紹了DVB-S信號的產生方式，然后分析其頻譜特性、模糊函數特性，接著計算了系統鏈路預算，并研制了一套外場實驗裝置。實測數據的處理結果與理論分析結果的一致性較好，驗證了DVB-S信號用于無源探測的可行性。

1 DVB-S信號特性分析

1.1 信號產生方式

DVB-S信號采用正交相移鍵控(quadrature phase shift keying, QPSK)調制方式，使用的Ku頻帶為12.25～12.75 GHz，產生過程由2部分組成：信源編碼和信道編碼[12]。其中信源編碼采用MPEG-2碼流，具體實現方式為:首先對音頻和視頻進行復用，然后再將多個數字電視節目流進行傳輸復用；信道編碼包括前向糾錯編碼、調制和上變頻3個部分。圖1給出了DVB-S信號產生過程。

據此，得出DVB-S信號數學表達式為

(1)

式中:T為QPSK信號符號率的倒數；g(t)為持續時間為T的脈沖信號，同時也是滾降系數為α的平方根升余弦滾降濾波器的沖激響應；ω0為載波角頻率；φn為第n個符號相位信息，滿足φn∈{π/4,3π/4,5π/4,7π/4}；N為QPSK符號個數。

其中g(t)頻率傳輸函數如下

(2)

為后續分析方便，將式(1)寫成復指數形式為

s(t)=Re{u(t)ejω0t}，

(3)

1.2 信號頻譜特性分析

對式(3)作Fourier變換，可以得出DVB-S信號頻譜為

[exp(-jπfNT)NTsinc(πfNT)]·

(4)

容易看出U(f)是Sinc函數與H(f)卷積的結果，可以預計其中間部分較為平坦，體現出H(f)的特性，兩邊部分則呈現Sinc函數的旁瓣特性。

以我國中星九號的數字直播衛星信號作為仿真對象。假設已經過正交下變頻處理獲得基帶信號。參數如下：碼速率28.8 MHz，采樣速率為碼速率的3倍，升余弦濾波器參數為0.25，觀察時間為0.174 ms。由圖2看出仿真結果與理論分析基本一致。

1.3 自模糊函數特性分析

假設相干積累時間T0=NT，自模糊函數通過計算得出

[ej2πfdmTH(-fd))*[ej2πfd(nT-τ)H*(fd)]*

[ejπfdNTNTsinc(πfdNT)].

(5)

(1) 令τ=0，忽略g(t)的影響，可以得到

NT|sinc(πfdNT)|.

(6)

其中sinc函數主瓣寬度為2/NT，極小值位于p/NT(p為非0整數)處，極大值應位于(1/2+q)/NT(q為整數且q≠0,-1)處。此時式(6)與線性調頻信號模糊函數的多普勒維完全一致[13]。

(2) 令fd=0，經推導得出

(7)

隨著|τ|的增加，在0～NT內的碼元個數不斷減少，模糊函數的模值也不斷減小。同時由于升余弦濾波器的沖擊響應主瓣寬度為2T，所以當|τ|=kT時，會出現一個極小值。

一般情況下，N較大而時延維相對于T很大，仿真生成的模糊函數圖幾乎看不到時延維的旁瓣，且其迅速降至噪聲基底水平，此時對目標的探測影響便很小。

圖3給出了DVB-S信號自模糊函數的仿真結果。可以看出其呈圖釘形狀，具有良好的時延及多普勒分辨特性。為進一步深入分析，選取自模糊函數在τ=0及fd=0處的自模糊函數截面圖，如圖4所示。

第一，絕大多數人不可避免地失業。無論地球上的所有人多么努力，并且，無論每個人多么聰明，絕大多數人都會失業，因為崗位非常有限。眾人皆聰明、努力，只會提高就業門檻，并不會增加就業機會。此點幾乎是剛性的，也是最重要的，它使絕大多數人即便終生學習也無法改變命運。

可以看出，極小值對應的多普勒為8.64 kHz，極大值對應多普勒為12.96 kHz。根據碼速率28.8 MHz，采樣率86.4 MHz得出積分時間NT=10 000×(28.8×3×106)-1=8 640-1s。則8 640=1/NT，12 960=(1/2+1)/NT與前文中理論分析一致。

另外，圖4中的極小值橫坐標分別為0.034 72，0.069 44，0.104 2 μs。又仿真中T=1/28.8=0.034 7 μs，因此極小值的橫坐標分別是T的1～3倍，這與上文的理論分析一致。

1.4 系統鏈路預算

(1) 信號頻率。 DVB-S信號工作頻段為11.7～12.75 GHz，這里選取f=12.5 GHz，即工作波長λ=2.4 cm。

(2) 接收機等效帶寬B。典型帶寬為36，54及72 MHz幾種。這里選擇MCPC制式的DVB-S信號作為照射源，可取接收機帶寬B=40 MHz。

(3) 衛星EIRP值。我國Ku頻段數字電視直播衛星EIRP典型值為49～58 dBW；這里取EIRP=56 dBW。

(4) 地球同步軌道高度為35 841 km，地球半徑為6 371 km，標準室溫T0取290 K，玻爾茲曼常數k=1.38×10-23 J/k。

(5) 接收天線口徑D。選用直徑D=1 m的Ku天線，天線效率η=70%，則接收天線增益Gr=η(4π2/λ2)(D/2)2=40.79 dB。

(7) 系統損耗設為1 dB，系統噪聲系數1.5 dB。

據此，可計算出直達波達到地面的功率

(8)

式中：R為衛星到地面接收機的距離，約為37 521 km。

噪聲功率

Pnoise=kT0B=-127.96 dBW.

(9)

根據雷達方程，直達波信噪比為

SNRdirect=EIRP+Gr+
10 lg[λ2/[(4π)2R2kT0B]]-Lr-Ls=15.88 dB.

(10)

同理，可得回波信噪比為

(11)

在上述系統參數下，容易計算出系統鏈路預算。表1給出了不同距離下的直達波和回波信號信噪比以及相關積累時間。

表1 系統鏈路預算舉例

可見基于DVB-S信號對近距離目標的無源探測是可行的。但欲探測150 km處目標，所需相干積累時間為2 529.90 s。此時目標會存在越距離單元和越多普勒單元，加上散射回波信號非常微弱，遠低于現有的接收機靈敏度。目前可行的方法就是增大接收天線口徑或者使用陣列信號處理方法，來提高系統整體接收增益[14]。

2 實測數據采集及分析

DVB-S信號接收方案如圖5所示。

選用南京中衛1 m口徑的Ku衛星天線，美國ASK高頻頭，Mini-Circuits的ZRL-2150+低噪聲放大器，VBFZ-1065-S+帶通濾波器，數據高速采集與存儲設備可選用數字存儲示波器或者高速數據采集板。其中數字存儲示波器采用安捷倫公司的Agilent Infiniium DSO 80000示波器，它具有多通道幅度相位誤差校正功能保證良好的通道一致性，具有13 GHz實時帶寬和40 GSa/s最大采樣率，內部存儲器可一次性存儲1 ms長度的時域波形，利用前面板USB主機端口，可實現快速存儲和波形傳遞功能。圖6展示出圖5對應的部分硬件實物。

根據圖5信號接收方案，數據由中心計算機完成進行脫機信號處理，具體包括2部分：首先回波通道信號經過提純后進行數字下變頻(DDC)處理，以獲取某一通道的DVB-S基帶信號,同時為了進一步提高相干檢測的性能，對直達波通道信號可根據DVB-S信號調制原理進行反重構處理[15]；接著利用純凈的直達波和預處理后的回波信號進行互模糊函數分析。圖7給出DVB-S信號數據采集實驗場景圖。

圖8給出中星9號某個通道實測數據獲取的信號頻譜。

與圖2相比，由于實測數據經過帶通濾波、正交下變頻和梳狀濾波處理的緣故，左右兩邊的旁瓣較低，但10 dB以上的信號頻譜形狀大致相同。接著，進行自模糊函數處理，相干積累時間為1 ms，結果如圖9所示。可以看出，自模糊函數與仿真結果類似，亦成圖釘型，與前文理論分析結果較為吻合。

最后進行外場實驗，見圖10，使用1 m×1 m的鋁板作為待探測目標，實驗過程中不斷移動鋁板，對回波及直達波信號同時采集并處理，表2給出了目標探測結果。

這里數據處理所得的距離是指圖11中2個時延距離和。進一步將表2的實測數據處理結果用圖12表示，可以看到利用實測數據處理所得的目標距離與理論值基本保持一致，驗證了DVB-S信號用于目標探測的可行性。

目標距回波天線距離/m515253540實際數據處理結果/m10.5628.7445.0665.6477.76

3 結束語

本文對DVB-S信號特性進行了分析，包括信號產生機理，信號頻譜特性，自模糊函數特性，系統鏈路預算。另外研制了相應的外場實驗裝置，通過對實測數據進行處理，驗證了DVB-S無源雷達用于近距離目標探測的有效性。下一步將重點研究針對遠距離目標探測涉及的關鍵技術。

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