漸進(jìn)式流水線脈沖解交織技術(shù)研究

熊朝廷 黎 亮

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，綿陽(yáng) 621000）

無(wú)線電技術(shù)從誕生之日至今，已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，從日常生活中常用的手機(jī)通信、衛(wèi)星廣播到軍事運(yùn)用的一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、無(wú)線電通信導(dǎo)航等，應(yīng)用種類繁多、涉及領(lǐng)域頗廣。其中無(wú)論是哪一種應(yīng)用，都面臨著提高通信質(zhì)量、傳輸帶寬及傳輸效率等需求。根據(jù)這些需求，研究人員又研發(fā)出各種各樣的信息傳輸、信道傳輸、加解密、糾檢錯(cuò)等技術(shù)，以滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求。由于這些技術(shù)需求所產(chǎn)生的無(wú)線電信號(hào)都必須在空間中傳播，因此由反射、折射所產(chǎn)生的多徑信號(hào)或多節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的同步或異步干擾就必然存在；如果多徑信號(hào)或干擾信號(hào)在時(shí)間上能錯(cuò)開(kāi)，在信號(hào)解碼層級(jí)就能進(jìn)行正確的解碼，僅需在數(shù)據(jù)處理層面采用一些手段進(jìn)行剔除；反之如果多徑信號(hào)或干擾信號(hào)在時(shí)間上不能錯(cuò)開(kāi)，就會(huì)存在一定程度的交疊，形成較長(zhǎng)的目標(biāo)脈沖串，對(duì)信號(hào)層級(jí)的解碼能力形成挑戰(zhàn)，這種信號(hào)就被稱為交織信號(hào)。交織信號(hào)在無(wú)線電技術(shù)中經(jīng)常出現(xiàn)，對(duì)于某種應(yīng)用或某個(gè)系統(tǒng)，解交織的能力直接影響系統(tǒng)的性能，值得進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)嚴(yán)重交織信號(hào)的解交織處理展開(kāi)研究，包括脈壓后對(duì)消改進(jìn)、增加對(duì)消峰值的修正處理，以及漸進(jìn)流水線處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1 迭代處理設(shè)計(jì)

對(duì)于二次雷達(dá)系統(tǒng)，典型應(yīng)答信號(hào)由多種編碼不同、幅度相同的擴(kuò)頻脈沖構(gòu)成。多目標(biāo)產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)在空間進(jìn)行合成，在應(yīng)答機(jī)接收端包含多個(gè)來(lái)自不同應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，這些信號(hào)具有不同的幅度、時(shí)延和初始相位。對(duì)于密集應(yīng)答目標(biāo)，各應(yīng)答信號(hào)的脈沖波形普遍存在不同程度的交疊（交織），從而形成一個(gè)復(fù)雜的組合信號(hào)。

二次雷達(dá)系統(tǒng)中詢問(wèn)端對(duì)應(yīng)答端發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行處理，一般的處理方式選擇了無(wú)信號(hào)交織的高斯噪聲背景理想條件下的最優(yōu)檢測(cè)方式。因此，在多目標(biāo)條件下，交織信號(hào)已經(jīng)偏離了傳統(tǒng)處理的假設(shè)條件，使傳統(tǒng)處理性能受到嚴(yán)重影響。

為了使對(duì)消能夠達(dá)到盡可能抑制旁瓣干擾的效果，采用基于CLEAN 算法且由迭代處理構(gòu)成的解交織處理方法，每次迭代包含對(duì)脈沖的檢測(cè)、對(duì)消和修正。每個(gè)檢測(cè)單元上的脈沖壓縮能夠在相鄰距離單元脈沖檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，其基本處理流程如圖1 所示。

圖1 基于對(duì)消的解交織算法流程

圖1 中，匹配濾波使用了多種脈壓波形作為參考，對(duì)每種脈沖分別進(jìn)行脈壓處理；經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后，脈沖檢測(cè)對(duì)其中超過(guò)檢測(cè)門限的脈壓峰值進(jìn)行判斷并輸出；檢測(cè)結(jié)果同時(shí)作為先決條件并利用各參考脈壓波形重構(gòu)自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)旁瓣干擾信號(hào)；匹配濾波結(jié)果隨即使用重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行旁瓣對(duì)消，并將對(duì)消后的結(jié)果重新進(jìn)行脈沖檢測(cè)，從而在減少旁瓣干擾的條件下提高已經(jīng)檢測(cè)到的脈沖精度，以及對(duì)之前被旁瓣遮蔽的脈沖峰值的檢測(cè)精度。

基于CLEAN 算法中對(duì)消處理對(duì)識(shí)別信號(hào)具有較強(qiáng)的適用性，該處理是根據(jù)估計(jì)的相關(guān)峰值用參考信號(hào)合成一個(gè)信號(hào)，用于盡可能抵消原始數(shù)據(jù)中與該相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的信號(hào)分量，從而在再次的匹配濾波和峰值檢測(cè)中抑制該信號(hào)對(duì)其他峰值檢測(cè)產(chǎn)生的影響。

2 脈壓后對(duì)消處理算法

脈壓后對(duì)消處理的目的與現(xiàn)有對(duì)消相同，其優(yōu)勢(shì)在于可以在處理流程的循環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)省脈沖壓縮步驟，從而減少系統(tǒng)計(jì)算開(kāi)銷，提高處理速度。

將脈沖信號(hào)s=[s0,s1,…,sN]H表示為一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)為N 的波形，實(shí)際接收信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后可以表示為：

式中，n 表示接收機(jī)噪聲；ai是該接收信號(hào)中第i 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的復(fù)幅度；ti是該脈沖的時(shí)延；s[ti]表示延時(shí)為ti條件下的脈沖波形； 為N 元帶圓圈乘運(yùn)算。原始CLEAN 對(duì)消算法針對(duì)第i 個(gè)脈沖的脈壓前對(duì)消再進(jìn)行匹配濾波的過(guò)程，可以用公式表示為：

用仿真生成某個(gè)包含18 個(gè)時(shí)延相近的應(yīng)答信號(hào)的接收信號(hào)片段，通過(guò)對(duì)比可知解交織處理的性能和效果。其中每個(gè)應(yīng)答信號(hào)由兩個(gè)間隔固定、編碼不同的脈沖組成，因此脈沖檢測(cè)包含兩組結(jié)果。傳統(tǒng)處理的匹配濾波對(duì)兩種脈沖的處理結(jié)果和在此基礎(chǔ)上達(dá)到的脈沖檢測(cè)效果如圖2 所示。其中，黑點(diǎn)表示真實(shí)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)延和幅度，紅線表示基于平均能量的檢測(cè)門限，紅圈表示檢測(cè)到的脈沖。

從匹配濾波輸出可見(jiàn)，脈沖壓縮產(chǎn)生的峰值和旁瓣抬高了檢測(cè)門限，導(dǎo)致在較強(qiáng)信號(hào)附近的脈壓峰值檢測(cè)存在困難。

從脈沖檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，交織引起了明顯的脈沖漏檢測(cè)，脈沖1 漏檢11 個(gè)，約占60%；脈沖2 漏檢5 個(gè)，約占28%，檢測(cè)到的脈沖通過(guò)組合能夠得到的完整應(yīng)答信號(hào)只有6 個(gè)。

圖2 常規(guī)處理結(jié)果

結(jié)合CLEAN 算法的解交織處理結(jié)果如圖3 所示。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，解交織處理明顯改善了應(yīng)答信號(hào)片段中兩種脈沖壓縮的旁瓣影響，使大量小幅度的脈壓峰值也能超過(guò)檢測(cè)門限，從而達(dá)到較好的脈沖檢測(cè)效果。仿真結(jié)果表明，解交織處理具有明顯提高信號(hào)脈沖檢測(cè)性能的作用。

圖3 解交織處理結(jié)果

3 基于最小二乘法的峰值修正方法

峰值矢量修正是利用了最小二乘法原理，對(duì)多個(gè)峰值進(jìn)行進(jìn)一步幅度和相位的校準(zhǔn)，以滿足后續(xù)測(cè)角處理對(duì)脈沖參數(shù)精度的要求。峰值適量修正處于解交織處理流程中對(duì)消環(huán)節(jié)，如圖4 所示。

圖4 峰值修正處理與整體流程的關(guān)系

將接收信號(hào)表示成矩陣形式為：

式中，M 為該接收信號(hào)片段中包含的脈沖數(shù)量。當(dāng)獲得了該接收信號(hào)片段中各脈沖時(shí)延估計(jì)后，用代替上式[s[ti],s[t2],…,s[tM]]中的ti，并表示為，則上述方程可以近似為：

因此對(duì)于含有M 個(gè)脈沖相關(guān)峰片段的修正處理，需要進(jìn)行一個(gè)M階矩陣求逆運(yùn)算。

以M=2 為例，仿真對(duì)某信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波檢測(cè)到了兩個(gè)峰值，然后利用對(duì)這兩個(gè)峰值的時(shí)延估計(jì)進(jìn)行修正處理，如圖5 所示。

圖5 峰值矢量修正效果

從仿真結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)修正后，匹配濾波峰值上的誤差減小，與真實(shí)幅度接近，表明了修正處理的有效性。

4 漸進(jìn)流水線處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本技術(shù)研究采用流水線結(jié)構(gòu)替代解交織算法中的整體迭代處理，一種對(duì)3 次迭代的流水線設(shè)計(jì)如圖6 所示。

從圖6 可以看出，沿著脈壓輸出時(shí)間序列上設(shè)計(jì)4 個(gè)并行處理指針并參考波形寬度等間隔分布。其中，每個(gè)處理指針對(duì)所在的脈壓序列單元進(jìn)行相關(guān)峰檢測(cè)和旁瓣對(duì)消，并同步逐個(gè)推進(jìn)采樣單元。處理指針1 所在的脈壓序列單元與處理指針0 進(jìn)行旁瓣對(duì)消的作用范圍相鄰，因此處理指針1 總是對(duì)處理指針0 進(jìn)行了旁瓣對(duì)消后的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，從而可以補(bǔ)充弱相關(guān)峰的檢測(cè)精度或改善強(qiáng)相關(guān)峰的參數(shù)估計(jì)精度。處理指針2 和處理指針3 的原理與之相同，于是每個(gè)脈壓序列會(huì)經(jīng)歷3 次對(duì)消和4 次檢測(cè)，以使其能夠達(dá)到與3 次整體迭代處理相近的效果。基于漸進(jìn)峰值修正處理的流程如圖7 所示。

圖6 流水線處理示意圖

圖7 漸進(jìn)峰值修正處理流程圖

圖8 峰值矢量修正效果

以M=2 為例，仿真對(duì)某信號(hào)經(jīng)過(guò)含有漸進(jìn)峰值修正的對(duì)消處理結(jié)果如圖8 所示。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)處理后，對(duì)脈沖相關(guān)峰峰值的估計(jì)結(jié)果與真實(shí)幅度接近，表明了修正處理的有效性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)嚴(yán)重交織信號(hào)的解交織處理展開(kāi)了研究，包括脈壓后對(duì)消算法的改進(jìn)、增加對(duì)消峰值修正處理算法，以及提出了漸進(jìn)流水線處理結(jié)構(gòu)的技術(shù)。漸進(jìn)流水線處理結(jié)構(gòu)技術(shù)采用的漸進(jìn)峰值修正處理，將原有提高峰值估計(jì)精度的矢量修正處理移動(dòng)到尋找峰值的循環(huán)中簡(jiǎn)化進(jìn)行，是一種利于算法工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化措施。該設(shè)計(jì)可以將涉及復(fù)雜矩陣求逆運(yùn)算的矢量修正處理過(guò)程轉(zhuǎn)化為迭代形式的簡(jiǎn)單處理，從而達(dá)到減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度的目的。但若要將該技術(shù)在工程上實(shí)現(xiàn)，還需要在現(xiàn)有技術(shù)水平上，細(xì)化仿真分析、歸納多種條件下的處理性能、優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮實(shí)裝設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性的要求及硬件資源受限等限制條件。