CN108008359A - 一种基于p波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法 - Google Patents

一种基于p波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达抗有源干扰领域，特涉及一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法。本发明通过将雷达接收的射频回波信号由ADC芯片直接带通采样数字化，采样后的数字信号进行数字下变频，经过数字混频、多级抽取滤波后，得到所需的基带信号，并且不引入频谱混叠，达到高性能数字滤波的带外抑制能力，使得工作频点以外的通信干扰得以滤除，满足目标检测显示的要求。本发明使得雷达副瓣进入的同频段通信干扰可以被有效抑制，提升雷达抗干扰能力，改善录取检测画面。

Description

一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法
技术领域
本发明涉及雷达抗有源干扰领域，特涉及一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法。
背景技术
对抗同频段移动通信干扰是雷达在复杂电磁环境下的现实需求。目前，雷达***通常都采用超外差式中频采样数字接收机，对数字电路要求较低、易于实现。但该方式下需要对信号进行模拟混频、滤波处理，模拟射频前端相对比较复杂，灵活性有限，容易产生模拟电路老化、参数漂移等问题，同时模拟滤波器的窄带信号带外抑制能力也受限于自身性能，一般情况下，工作频点±10MHz以外的抑制能力不小于50dB，综合考虑通信干扰强度、雷达天线副瓣增益、接收机增益、接收机灵敏度等实际情况，难以有效抑制雷达副瓣进入的同频段通信干扰。
P波段雷达的工作频段与移动通讯频段重叠，从而使雷达的目标回波容易受到干扰，采用模拟滤波器时，由于其抑制能力的不足，雷达的总体性能会受到极大影响。以前受限于数字器件的运算能力、采样频率等性能水平，射频信号直接采样数字化处理的应用还比较少，随着高性能数字器件的不断发展，射频采样数字接收机已变为可能，首先通过高性能的ADC芯片将雷达射频回波信号直接带通采样、数字化处理，然后通过高速传输接口将数据传给处理芯片，使用软件完成相关的DDC、抽取滤波算法和功能，该种软件无线电的方式不仅具有高度灵活性、方便设计调试和大大缩短研发周期的优势，而且具有数字滤波更优的窄带信号带外抑制能力，能够有效抑制雷达副瓣进入的同频段通信干扰，提升雷达抗干扰能力。
发明内容
针对背景技术中传统射频信号模拟混频、滤波及中频采样的性能局限性，本发明提出了一种利用射频采样技术的级联数字滤波抗通信干扰方法。本发明通过将雷达接收的射频回波信号由ADC芯片直接带通采样数字化，采样后的数字信号进行数字下变频，经过数字混频、多级抽取滤波后，得到所需的基带信号，并且不引入频谱混叠，达到高性能数字滤波的带外抑制能力，使得工作频点以外的通信干扰得以滤除，满足目标检测显示的要求。本发明使得雷达副瓣进入的同频段通信干扰可以被有效抑制，提升雷达抗干扰能力，改善录取检测画面。
本发明的技术方案是：一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法，顺序包括射频回波信号带通采样步骤、第一次DDC抽取滤波步骤、高速数据传输步骤、第二次DDC级联抽取滤波步骤，其特征在于：
所述的射频回波信号带通采样步骤包括：
1.1射频输入与采样频率产生子步骤；
经过接收前端放大滤波处理的射频回波信号S(t)输入ADC，同时通过全相参直接频率合成器产生所需的采样频率fs；
1.2模数转换子步骤；
在ADC中利用步骤1.1产生的采样频率fs对输入的射频回波信号S(t)进行带通采样，将高频模拟信号转换为数字离散信号；
所述的第一次DDC抽取滤波步骤，使用数字混频技术和2级半带滤波器完成数据下变频和抽取滤波，包括下述子步骤：
2.1混频频率产生子步骤；
根据采样频率fs和载波频率fc计算出频率调谐字，通过频率调谐字和相位偏移字设置ADC芯片的12位NCO，产生混频频率；
2.2数字混频正交处理子步骤；
将步骤1.2产生的数字信号与步骤2.1产生的混频频率进行数字混频，将全频带信号搬移到基带，同时完成数字正交处理，得到I、Q两路正交信号；
2.3数字抽取滤波子步骤；
将步骤2.2中获得的I、Q两路正交数字信号经过2级半带滤波器进行4倍抽取，降低数据率，并完成低通滤波处理；
所述的高速数据传输步骤，使用JESD204B高速串行通信传输协议实现ADC芯片与FPGA芯片之间的高速、大容量数据的稳定传输，包括下述子步骤：
3.1代组码同步子步骤；
首先数据接收端模块发出同步请求，然后数据发射端模块发送K字符，当接收端模块至少正确接收到4个连续K字符时，同步完成；
3.2初始通道对齐子步骤；
在完成步骤3.1后，在下一个多帧时钟边界开始，连续发送4个多帧，R字符表示开始，A字符表示结束；
3.3用户数据传输子步骤；
在完成步骤3.2后，ADC芯片便开始用户数据的发送，数据经过封装成帧、编码后传输至FPGA芯片；
所述的第二次DDC级联抽取滤波步骤，使用数字混频校正技术和级联数字滤波处理完成数据下变频和抽取滤波，包括下述子步骤：
4.1数字混频校正子步骤；
利用FPGA芯片的DDS产生混频频率，与步骤3.3送来的数字信号进行数字混频，将窄带信号搬移到基带，同时校正ADC芯片产生的频偏误差；
4.2级联数字抽取滤波子步骤；
对步骤4.1产生的数字信号首先使用高效滤波器进行5倍抽取滤波，再使用偶对称FIR滤波器进行2倍抽取滤波，最后使用高性能整形低通滤波器进行9倍抽取滤波，得到所需的窄带信号。
附图说明
图1为本发明的处理框图。
图2为本发明的第一次DDC抽取滤波原理框图。
图3为本发明的第二次DDC级联抽取滤波原理框图。
图4为级联数字滤波中第一级高效滤波器的输出频谱图。
图5为级联数字滤波中第二级偶对称FIR滤波器的输出频谱图。
图6为级联数字滤波中第三级高性能整形低通滤波器的输出频谱图。
图7为级联数字滤波后的输出频谱图。
图8为实测数据输出结果的脉压图。
具体实施方式
名词解释：
DDC：数字下变频(Digital Down Converter)。
ADC：模数转换器(Analog-to-Digital Converter)。
FPGA：现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array)。
NCO：数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator)。
DDS：直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)。
FIR：有限长单位冲激响应滤波器(Finite Impulse Response)。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法，能够有效抑制雷达副瓣进入的同频段通信干扰。本发明的一个具体实施例，处理框图见图1：
一、射频回波信号采样步骤：
1.1射频输入与采样频率产生子步骤；
经过接收前端放大滤波处理的射频回波信号S(t)输入ADC芯片，同时通过全相参直接频率合成器产生采样频率fs，采样频率fs的选择应避免频谱的混叠；
fs需满足fs≥2B且2fH/(m+1)≤fs≤2fL/m,m＝0,1,2...，其中fH＝f0+B/2,fL＝f0-B/2，fH为雷达工作频段的上截止频率，fL为工作频段的下截止频率，f0为工作频段的中频频率，B为工作频带带宽。
本实施例采用工作频段带宽为120MHz，载频为0.9GHz左右，采样速率720MHz，信号带宽1MHz。
1.2模数转换子步骤；
在ADC中利用步骤1.1产生的采样频率fs对输入的射频回波信号S(t)进行带通采样，将高频模拟信号转换为数字离散信号；
二、第一次DDC抽取滤波步骤，以降低数据率，其原理框图见图2：
2.1混频频率产生子步骤；
通过频率调谐字和相位偏移字设置ADC芯片的12位NCO，产生混频频率。其中频率调谐字NCO_FTW可通过下式计算：
其中：
fs是ADC芯片的采样频率；
fc是所需的载波频率；
Mod()是求余函数；
round()是四舍五入函数。
根据频率调谐字NCO_FTW产生的实际混频频率fc-actual为：
2.2数字混频正交处理子步骤；
将步骤1.2产生的回波数字信号S(n)与步骤2.1产生的混频频率进行数字混频处理，雷达接收到的回波信号S(n)可表示为：
其中：
fc是载频的频率；
a(n)是信号的幅度；
是信号的相位；
Ts是采样时间；
x(n)是S(n)的复包络，包含了S(n)的有用信息；
exp(2πfcnTs)为S(t)的载频，不含有用信息。
将S(n)与exp(-2πfcnTs)相乘，除掉载频分量，变成零频，转为所需的基带信号，其表示形式为：
即得到两路正交的I、Q数字信号，其中I路信号为Q路信号为
2.3数字抽取滤波子步骤；
将步骤2.2中获得的I(n)和Q(n)两路正交数字信号通过ADC芯片的2级半带滤波器进行4倍抽取滤波，半带滤波器是一种抽取因子为2的特殊低通FIR数字滤波器，其相位要求为线性的，具有对称性，即h(n)＝h(N-1-n)，其频率响应可以表示为：则滤波抽取后I(n)和Q(n)两路正交数字信号分别输出为yI1(n)和yQ1(n)，则：
本发明的半带滤波器近一半系数为零，计算量大大减少，具有很高的效率。第一次DDC处理后将全频带信号搬移到基带，数据率降为180MHz，数据率降低4倍，适合后续的FPGA处理。
三、高速数据传输步骤，通过代码传输，可以实现ADC数据与FPGA之间的数据传输。
3.1代组码同步子步骤；
首先数据接收端将ADC芯片的SYNCINB±引脚置为低电平，发出同步请求，然后数据发射端发送K字符，数据接收端使用时钟和数据恢复技术在输入数据流中定位K字符，当接收端模块至少正确接收到4个连续K字符时，发射端解除置位SYNCINB±，代组码同步完成；
3.2初始通道对齐子步骤；
在完成步骤3.1后，在下一个多帧时钟边界开始，连续发送4个多帧，第一个多帧从发送R字符开始，然后发送一个多帧的0至255斜坡数据，以A字符结束；第二个多帧中发送链路配置数据，以R字符开始，接着是Q字符，然后时14个配置8位字的链路配置参数，最后以A字符结束；第三、四个多帧均以R字符开始，以A字符结束；
3.3用户数据传输子步骤；
在完成步骤3.2后，即可进行用户数据的传输。将ADC采样后的数据按帧格式进行封装，其中有效位14位，并对2个结束位填充；同时完成数据的8B/10B编码和并串转换后进行传输；
四、第二次DDC级联抽取滤波步骤,原理框图见图3：
4.1数字混频校正子步骤；
利用FPGA芯片的DDS产生混频频率，与步骤3.3送来的数字信号yI1(n)和yQ1(n)进行混频，并通过DDS的48位NCO有效校正ADC芯片产生的频偏误差，同时将窄带信号搬移到基带，得到两路数字信号yI1'(n)和yQ1'(n)；
4.2级联数字抽取滤波子步骤；
首先使用高效滤波器进行5倍抽取滤波，再使用偶对称FIR滤波器进行2倍抽取滤波，最后使用高性能整形低通滤波器进行9倍抽取滤波。
对步骤4.1产生的数字信号yI1'(n)和yQ1'(n)首先第一级使用累加器、抽取器和减法器组合的高效滤波处理，累加器的状态方程为y(n)＝y(n-1)+x(n),其传输函数为减法器的状态方程为y(n)＝x(n)-x(n-D)(D为抽取因子)，其传输函数为h2(z)＝1-z-D。则通过5级累加器、5倍抽取器和5级减法器组合的高效滤波器进行抽取滤波处理后得到两路数字信号分别yI2'(n)和yQ2'(n)，其中 同时数据率降为36MHz，其输出频谱图见图4。
再使用第二级偶对称FIR滤波器，进行2倍抽取滤波，将数据率降为18MHz，得到两路数字信号分别yI3'(n)和yQ3'(n)，其输出频谱图见图5；
最后针对前两级滤波的过渡带对干扰抑制不够的情况，使用第三级高性能整形低通滤波器，将低通滤波器和抽取器结合在一起对输入信号yI3'(n)和yQ3'(n)进行抽取整形滤波，设滤波器的冲击响应为h(n)，则其Z域变换当抽取因子为D时，滤波器的传递函数H(z)可表示为：
令
则
最终输入信号yI3'(n)和yQ3'(n)通过传递函数H(z)的9倍抽取滤波会后输出信号为yI4'(n)和yQ4'(n)，同时将数据率降为2MHz，其输出频谱图见图6。
级联数字滤波后的输出频谱图见图7。
利用实际数据的输出结果进行脉压处理，见图8，与理论分析相同，证明了方法的正确性。
本发明步骤中，可替代的方案是：在步骤1.1、1.2中，如采用更高的采样频率，也可实现射频信号的带通采样，但对于ADC芯片、FPGA芯片及数据传输均有更高的性能要求，会出现工程实现复杂、难度大和成本较高的问题。步骤4中除了FPGA处理芯片外，还可采用DSP、ASIC、CPU等处理芯片，综合通用性、灵活性、实时性、处理能力、成本等因素考虑，本发明中FPGA处理芯片更具有优势。
本发明的有益效果是：在步骤2、步骤4的下变频方法不同于以往的射频模拟下变频方法，模拟下变频相对复杂，灵活性不强，容易出现老化和参数漂移等问题，并且模拟滤波器性能有限，难以有效抑制副瓣进入的同频段通信干扰。使用数字下变频简化了射频前端，可以用数字方法实现对不同工作频点上窄带信号的选择，最大程度地使用了数字方法处理信号，具有更好的灵活性和性能。
在步骤4.2的级联数字滤波算法中第一级采用多级累加器、抽取器和减法器的组合高效滤波器，适合高采样率的情况，其结构简单、节省资源，通过多级设计能够降低旁瓣电平，增大阻带衰减，减少混叠影响；第二级采用偶对称FIR滤波器，运算量大幅减少，降低采样率的同时确保通带内不会引入频谱混叠；前两级抽取滤波后过渡带较宽，难以满足窄带信号的滤波要求，因此第三级在较低采样率下采用高阶整形低通滤波器，满足通带纹波小、过渡带窄、带外抑制大的滤波需求。如果只用一级低通滤波器，不仅阶数非常高，而且性能不易满足，难以设计实现，通过采用级联数字滤波不但可以满足资源和速度的要求，实现也较为方便，而且还能满足高性能的滤波要求，采用本发明的方法，工作频点±5MHz以外的抑制能力不小于90dB，能够达到有效滤除副瓣进入的同频段通信干扰的目的。

Claims (2)

1.一种基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、射频回波信号采样步骤，包括以下子步骤：
1.1射频输入与采样频率产生子步骤：经过接收前端放大滤波处理的射频回波信号S(t)输入ADC芯片，同时通过全相参直接频率合成器产生采样频率fs；其中fs需满足fs≥2B且2fH/(m+1)≤fs≤2fL/m,m＝0,1,2...，fH＝f0+B/2,fL＝f0-B/2，fH为雷达工作频段的上截止频率，fL为工作频段的下截止频率，f0为工作频段的中频频率，B为工作频带带宽，m为自然数；
1.2模数转换子步骤：在ADC芯片中利用步骤1.1产生的采样频率fs对输入的射频回波信号S(t)进行带通采样，将高频模拟信号转换为数字离散信号；
步骤二、第一次DDC抽取滤波步骤，包括以下子步骤：
2.1混频频率产生子步骤：通过频率调谐字和相位偏移字设置ADC芯片的12位NCO，产生混频频率，频率调谐字NCO_FTW为：
<mrow> <mi>N</mi> <mi>C</mi> <mi>O</mi> <mo>_</mo> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mn>2</mn> <mn>12</mn> </msup> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mi>o</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：fc是所需的载波频率；Mod()是求余函数；round()是四舍五入函数；
根据频率调谐字NCO_FTW产生的实际混频频率fc-actual为：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>-</mo> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mi>u</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <mi>C</mi> <mi>O</mi> <mo>_</mo> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mi>W</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <msup> <mn>2</mn> <mn>12</mn> </msup> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
2.2数字混频正交处理子步骤；
将步骤1.2产生的回波数字信号S(n)与步骤2.1产生的混频频率进行数字混频处理，雷达接收到的回波信号S(n)表示为：
其中：a(n)是信号的幅度；是信号的相位；Ts是采样时间；x(n)是S(n)的复包络，包含了S(n)的有用信息；
将S(n)与exp(-2πfcnTs)相乘，除掉载频分量，变成零频，转为所需的基带信号，其表示形式为：
即得到两路正交的I、Q数字信号，其中I路信号为Q路信号为
2.3数字抽取滤波子步骤；
滤波抽取后I(n)和Q(n)两路正交数字信号分别输出为yI1(n)和yQ1(n)，则：
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h(n)为滤波器的冲击响应，N为滤波器的节数；
步骤三、高速数据传输步骤，进行ADC芯片数据与处理芯片数据之间传输；
步骤四、第二次DDC级联抽取滤波步骤：
4.1数字混频校正子步骤；
利用处理芯片产生混频频率，与步骤3.3送来的数字信号yI1(n)和yQ1(n)进行混频，并通过处理芯片的48位NCO有效校正ADC芯片产生的频偏误差，同时将窄带信号搬移到基带，得到两路数字信号yI1'(n)和yQ1'(n)；
4.2级联数字抽取滤波子步骤；
对步骤4.1产生的数字信号yI1'(n)和yQ1'(n)首先第一级使用累加器、抽取器和减法器组合的高效滤波处理，累加器的状态方程为y(n)＝y(n-1)+x(n),其传输函数为减法器的状态方程为y(n)＝x(n)-x(n-D)，D为抽取因子，其传输函数为h2(z)＝1-z-D；通过5级累加器、5倍抽取器和5级减法器组合的高效滤波器进行抽取滤波处理后得到两路数字信号分别yI2'(n)和yQ2'(n)，其中
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使用第二级偶对称FIR滤波器，进行2倍抽取滤波，将数据率降为18MHz，得到两路数字信号分别yI3'(n)和yQ3'(n)；
将低通滤波器和抽取器结合在一起对输入信号yI3'(n)和yQ3'(n)进行抽取整形滤波，设滤波器的冲击响应为h(n)，则其Z域变换H(z)为当抽取因子为D时，滤波器的传递函数H(z)可表示为：
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令
则
输入信号yI3'(n)和yQ3'(n)通过传递函数H(z)的9倍抽取滤波会后输出信号为yI4'(n)和yQ4'(n)。
2.根据权利要求1所述的基于P波段射频采样的级联数字滤波抗通信干扰方法，其特征在于：步骤三包括以下步骤，3.1代组码同步子步骤；3.2初始通道对齐子步骤；3.3用户数据传输子步骤。
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