数字电视广播外辐射源雷达子带处理方法研究

曾舰+洪升+唐荣欣+严茂松

摘 要： 数字电视广播外辐射源雷达的信号带宽大、基带采样率高，使得该体制雷达面临数据实时传输和处理的困难。针对基于中国移动多媒体广播（CMMB）信号的外辐射源雷达，利用CMMB信号的部分带宽来降低基带采样率，提出一种子带处理方法。其中，重点研究了重采样率设置、参考信号子带提纯和子带匹配问题，并结合多径杂波抑制和匹配滤波处理分析子带宽度和纯度对目标探测性能的影响。仿真和实测数据处理结果验证了所提方法的有效性，为该体制雷达的实时化奠定了基础。

关键词： 数字电视广播外辐射源雷达； CMMB； 子带处理； 多径杂波抑制； 匹配滤波； 实时化

中图分类号： TN958.97?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0057?06

Abstract： The digital television broadcasting?based passive radar is faced with the difficulties of real?time data transmission and processing due to its wide signal bandwidth and high baseband sampling rate. Aiming at the passive radar based on China mobile multimedia broadcasting （CMMB） signal， the part bandwidth of CMMB signal is used to reduce the baseband sampling rate， and a sub?band processing method is proposed. The re?sampling rate setting， reference signal sub?band purification and sub?band matching are researched emphatically. The multi?path clutter suppression and matched filtering are combined to analyze the effect of sub?band width and purity on target detection performance. The results of simulation and real data processing verify that the proposed method is effective， and lays the foundation for the real?time radar system.

Keywords： digital television broadcasting?based passive radar； China mobile multimedia broadcasting； sub?band proces?sing； multi?path clutter suppression； matched filtering； real?time performance

0 引 言

外辐射源雷达是一种利用第三方发射的电磁信号探测目标的双/多基地雷达系统，具有无需频率分配、无辐射、抗摧毁能力强、研制和维护成本低、设备体积小、机动性强等诸多优势[1?3]。随着电子技术的发展和人们对外辐射源雷达优越性认识的加深，利用如电视广播[4]、通信基站[5?6]、导航卫星[7]等外辐射源的非合作式双/多基地雷达系统逐渐受到人们的重视并成为新型探测技术研究的重点。美国的Lockheed Martin公司研制出了多基地外辐射源雷达系統“沉默哨兵”，该系统利用商业调频电台和电视台的连续波信号来实现目标的探测、定位和跟踪，实验证明该系统可在125～136英里的距离上观测到散射面积为10 m2的目标。

随着数字广播信号逐步取代模拟信号，基于数字广播（数字调幅广播DRM、数字音频广播DAB、数字电视广播DVB?T）的外辐射源雷达已成为近年的研究热点与前沿[8?9]。欧洲在数字广播的推广和应用方面走在世界的前列，其利用数字广播的外辐射源雷达研究为我国开展相关研究提供了有益的借鉴。我国数字广播起步较晚，近年来也相继研究出了具有自主知识产权的数字电视广播标准，如CMMB和数字电视地面广播（DTMB）等。其中CMMB已进入商用阶段，截止到2010年底，CMMB信号已实现全国320个主要城市地面覆盖，这为利用CMMB信号探测目标提供了信号基础。

数字电视广播外辐射源雷达信号带宽大、基带采样率高，使得该体制雷达面临数据实时传输和处理的困难。本文针对CMMB外辐射源雷达，提出一种子带处理方法，所提方法以牺牲一定的探测性能为代价，利用CMMB信号的部分带宽来降低基带采样率，但同时给信号处理带来一些新的问题，如重采样率设置、参考信号子带提纯和子带匹配。本文首先介绍了CMMB信号的结构，然后给出整带处理方法，接着阐述了本文所提的子带处理方法，其中重点讨论了重采样率设置、参考信号子带提纯和子带匹配问题，并结合仿真数据从多径杂波抑制和匹配滤波处理方面分析了子带宽度和子带纯度对目标探测性能的影响，最后通过实测数据验证了所提算法的有效性。

1 CMMB信号结构

CMMB信号物理层将来自上层的输入数据流经过前向纠错编码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行OFDM调制。调制后的信号插入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射[10]。CMMB物理层功能框图如图1所示，其中里德?所罗门（RS）编码、字节交织、低密度奇偶校验（LDPC）编码和比特交织共同构成CMMB物理层信道编码，该信道编码是无源探测参考信号在低信噪比下提纯的基础，但要求信号具有完整性。endprint

图2为CMMB信号的帧结构，其物理层信号每1帧为1 s，划分为40个时隙，每个时隙的长度为25 ms，包括1个信标和53个OFDM符号，信标由发射机标识信号（TxID）和两个同步信号组成。TxID、同步信号和OFDM符号均可表示为：

式中：为子载波序号；为符号子载波数；为符号子载波间隔；为复调制数据；为符号有效部分持续时间；为符号循环前缀持续时间；μs为保护间隔长度。CMMB包括8 MHz和2 MHz两种带宽模式，本文研究8 MHz带宽模式，表1给出了其参数。

2 整带处理方法

CMMB外辐射源雷达的整带处理方法如图3所示，雷达系统将参考天线波束指向发射基站以得到参考信号，将监测阵列天线波束指向监测区域以接收目标回波信号；接收信号经模拟混频、放大滤波输出60 MHz的固定中频信号；采用80 MHz的采样率进行带通采样；对数字信号进行数字下变频（DDC）处理以获得10 MHz采样率的信号。为节约硬件资源采用两级FIR抽取滤波，第一级FIR通带截止频率设置为4 MHz，阻带截止频率设置为10 MHz，抽取4倍；第二级FIR通带截止频率设置为4 MHz，阻带截止频率设置为5 MHz，抽取2倍。10 MHz采样率的多通道数据要求系统具有MB/s的传输和处理能力，其中为通道数，为每个采样点量化的字节数。当时，该体制雷达系统需要320 MB/s的传输和处理能力，这给雷达软硬件提出了很高的要求。由于不便于实时处理，只能将数据直接写入高速磁盘阵列，然后离线处理。

为提取纯净的参考信号，采用文献[11]所提方法进行参考信号重构，该流程主要包括同步、信道估计、信道解码和物理层调制。由于监测通道不可避免地存在多径杂波，杂波旁瓣会使回波谱基底抬高而淹没目标，为抑制多径杂波，可利用多径杂波在相应子载波和累积时间内相干的原理[12]，通过空域子空间投影相消多径杂波，以解决抑制多径杂波自由度不够的问题。互模糊函数运算基于OFDM符号分段相关，由同一距离元作FFT完成，避免了CMMB信号结构中的信标、循环前缀和保护间隔产生的副峰。

3 子带处理方法

为实现该雷达系统的实时传输和处理，本文提出一种子带处理方法，其处理流程如图4所示。较于整带处理方法，不同的是DDC、参考信号提纯和匹配处理。

3.1 重采样率设置

为节约硬件资源，DDC采用积分级联梳状滤波器（CIC）和FIR级联的方式，其中CIC抽取用来降低采样速率，FIR整形滤波用来防止混叠。为保证CMMB信号的OFDM符号有效部分和保护间隔部分包含整数个采样点，最小重采样率设置为1.25 MHz（OFDM符号有效部分512个采样点，保护间隔3个采样点），此时CIC抽取倍数设置为64，FIR阻带截止频率设置为625 kHz，通带截止频率的设置需要综合考虑过渡带宽度、子带提纯和匹配性能损失等。

若進一步降低采样速率，重采样率设置为625 kHz（OFDM符号有效部分256个采样点，保护间隔1.5个采样点），此时CIC抽取倍数设置为128，FIR阻带截止频率设置为312.5 kHz。由于保护间隔有非整数个采样点，会导致相邻OFDM符号存在一个固定的采样偏移，如图5所示，该采样偏移会在频域引入相位旋转其中。此时，在进行处理前需要在相应OFDM符号的频域补偿该采样偏移的影响。

3.2 子带提纯

子带提纯不同于宽带提纯，由于子带处理破坏了信号的完整性，使得信道解码和编码不可实现，导致不能重构出参考信号。为此，本文采用同步、解扰、信道估计、加扰的流程进行子带参考信号提纯。

CMMB信号每个时隙包括两个完全相同的同步信号，两个同步信号经过抽取滤波处理仍具有一致性，可用加窗检测峰值的方法捕获同步信号的粗位置，如下：

式中：为采样点序号；为同步信号的长度；为经抽取滤波的接收信号；为一个时隙的长度，为保证能取得两个完整的同步信号，滑动窗长度设置为。求得同步信号粗起始位置后，采用文献[13]的方法进行频偏估计并补偿。

精同步仍利用本地同步信号训练序列与接收同步信号的相关性，不同的是本地同步信号序列需进行相应抽取滤波预处理，处理方式如下：

式中：为接收同步信号；为原始同步信号训练序列经相应抽取滤波预处理的序列。

经精同步后，取出OFDM符号有效部分并进行FFT获得子载波频域信息。由于CMMB信号在进行OFDM调制之前对OFDM频域信号进行了加扰处理，为获得OFDM子载波频域信号需要分析扰码模式并解扰。本文利用不同OFDM符号连续导频传输数据的一致性，通过子带内的连续导频来穷举扰码模式。

抽取滤波破坏了原信号的子载波结构，不仅滤除了带外子载波，而且对过渡带的子载波存在调制，但子带通带内的子载波结构不变。信道估计利用子带通带内的离散导频在时域和频域两个方向的排列规律，通过时频二维插值算法估计出通带内数据子载波处的响应，其中正负频域分开插值。为了消除边缘效应，子带通带截止频率的选取以离散导频的位置为基准。再利用式（4）进行均衡处理：

式中：为OFDM符号序号；为子载波序号；为均衡后的数据子载波；为均衡前的数据子载波；为估计的信道频域响应。

3.3 子带匹配

子带匹配仍采用OFDM符号分段相关，同一距离元作FFT完成：

式中：为自模糊函数；为距离元；为多普勒元；为符号序号；为符号数；为符号时域采样序号；为符号时域采样点数，也即符号子载波数；为第个符号，其具体表达式如下：

式中：为子载波序号；为第个符号中第个子载波的复调制数据。将式（6）代入式（5），则有：

式中利用了OFDM符号频域正交性，即。当时，零多普勒截线为：

由于抽取滤波器的非理想性，即存在通带波纹和过渡带，会导致子带内的子载波复调制数据存在调制。由于过渡带很窄，通过对过渡带频域置零可忽略其影响，主要分析通带波纹对匹配性能的影响，假设通带为等波纹，则：endprint

式中：为原复调制数据；为通带波纹幅度；为通带波纹频率；为抽取滤波器数字角频率。则：

其中，假设子载波复调制数据为恒模，即。可见，由于通带波纹导致匹配零多普勒输出在处产生其他的模糊副峰。图6展示了子带匹配的性能，其中图6a）子带抽取滤波存在1 dB的通带波纹，且存在过渡带，可见除了主峰之外，还会产生其他的模糊副峰，影响雷达的探测性能。为消除通带波纹和过渡带对子带匹配性能的影响，一方面设置通带波纹尽量小，另一方面将过渡带频域置零。处理结果如图6b）所示，其中子带抽取滤波设置通带波纹为0.01 dB，在匹配之前将过渡带频域置零，通带波纹和过渡带产生的模糊副峰被有效避免。

3.4 子带处理对探测性能影响的分析

针对前文的子带处理方法，结合多径杂波抑制和匹配滤波处理，分析子带宽度和纯度对探测性能的影响，图7给出了相应的仿真结果。其中图7a）给出了子带宽度对匹配滤波的影响，可见带宽损失一半，相关峰值信噪比约损失3 dB。图7b）展示了子带宽度对多径杂波抑制的影响，其多径杂波抑制采用基于OFDM信号的空频域多径杂波抑制方法，可见子带的子载波数对杂波抑制性能有一定影响，带宽损失小于0.7时，杂波相消比基本不变，带宽损失大于0.7时，杂波相消比开始下降，但只有几个dB的下降。图7c）分析了参考信号纯度对匹配滤波的影响，其中重采样率设置为1.25 MHz，FIR通带截止频率设置为512.7 kHz。接收参考信号信噪比越大，利用本文子带提纯方法提纯的参考信号纯度越高，所以本文用接收参考信号的信噪比表示参考信号的纯度，由图7c）可见接收参考信号信噪比小于5 dB，子带提纯纯度不高，严重影响匹配性能。由此可知，在以上子带带宽设置的基础上，利用本文所提子带提纯方法要求接收参考信号信噪比至少为5 dB。

4 子带处理实测验证

为了用实测数据验证本文所提子带处理方法的有效性，利用某单位研制的基于CMMB的外辐射源雷达实验系统，于机场采集的一组数据进行实测数据处理，该系统采用离线整带处理。由于记录数据的采样率为10 MHz，本文利用FIR抽取滤波器处理实测数据获得经子带处理的实测数据，其中抽取倍数设置为8（重采样率设置为1.25 MHz），阻带截止频率设置为625 kHz，以防止抽取造成的频谱混叠，通带截止频率设置为512.7 kHz（对应载波序号为210的离散导频），以消除信道估计插值边缘效应，通带波纹设置为0.01 dB，以避免通带波纹引起的匹配模糊副峰。图8给出利用本文子带处理方法的实测处理结果，其中图8a）为子带提纯中信道均衡后的星座映射图，可见接收信号为QPSK星座映射，该星座映射点比较聚集，表明其提纯纯度较高。图8b）为多径杂波抑制前的距离多普勒谱，其匹配前将监测信号过渡带子载波频域置零，可见在零多普勒存在较强的多径杂波，由于CMMB系统采用单频网结构，其多径杂波尤为严重。从图8c）可以看出经本文方法抑制多径杂波后，基底降低，目标凸显出来，验证了本文子带处理方法的有效性。

5 结 论

针对数字电视广播外辐射源雷达信号带宽大、基带采样率高，不便于实时化的问题，本文重点研究了CMMB外辐射源雷达的一种子带处理方法。该方法利用部分带宽以降低基带采样速率，同时给信号处理带来一些新的问题。本文重点研究了重采样率设置、参考信号子带提纯和子带匹配问题，同时分析了子带宽度和纯度对目标探测性能的影响。所提方法虽然牺牲了一定的匹配性能和距离分辨率，但在接收参考信号信噪比较高时不影响子带提纯性能，同时子带宽度对多径杂波抑制影响不大。实测数据验证了所提子带处理方法的有效性，为该体制雷达实时化奠定了一定的基础。

参考文献

[1] HOWLAND P E， GRIFFITHS H D， BAKER C J. Passive bistatic radar [M]. US： Emerging Technology Wiley， 2008： 247?311.

[2] 杨金禄，单涛，陶然.数字电视辐射源雷达的相参积累徙动补偿方法[J].电子与信息学报，2011，33（2）：407?411.

YANG Jinlu， SHAN Tao， TAO Ran. Method of migration compensation in coherent integration for digital TV based passive radar [J]. Journal of electronics & information technology， 2011， 33（2）： 407?411.

[3] 蒋柏峰，吕晓德，赵耀东，等.一种基于DTTB信号的无源相干雷达模糊函数快速算法[J].电子与信息学报，2013，35（3）：589?594.

JIANG Baifeng， L? Xiaode， ZHAO Yaodong， et al. A fast algorithm of ambiguity function for passive coherent radar based on DTTB signal [J]. Journal of electronics & information technology， 2013， 35（3）： 589?594.

[4] HOWLAND P E， MAKSIMIUK D， REITSMA G. FM radio based bistatic radar [J]. IEE proceedings radar， sonar and navigation， 2005， 152（3）： 107?115.

[5] WANG Haitao， WANG Jun， LI Hongwei. Target detection using CDMA based passive bistatic radar [J]. Journal of systems engineering and electronics， 2012， 23（6）： 858?865.endprint

[6] KRYSIK P， SAMCZYNSKI P， MALANOWSKI M， et al. Velocity measurement and traffic monitoring using a GSM passive radar demonstrator [J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine， 2012， 27（10）： 43?51.

[7] SUBERVIOLA I， MAYORDOMO I， MENDIZABAL J. Experimental results of air target detection with a GPS forward scatte?ring radar [J]. IEEE geoscience and remote sensing letters， 2012， 9（1）： 47?51.

[8] COLEMAN C J， WATSON R A， YARDLEY H. A practical bistatic passive radar system for use with DAB and DRM illuminators [C]// Proceedings of 2008 IEEE Radar Conference. Rome： IEEE， 2008： 1?6.

[9] CONTI M， BERIZZI F， MARTORELLA M， et al. High range resolution multichannel DVB?T passive radar [J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine， 2012， 27（10）： 37?42.

[10] 国家广播电影电视总局.GY/T 220.1?2006 移动多媒体广播第l部分：广播信道帧结构、信道编码和调制[S].北京：国家广播电影电视总局，2006.

SARFT. GY/T 220.1?2006， mobile multimedia broadcasting part I： framing structure， channel coding and modulation for broadcasting channel [S]. Beijing： SARFT， 2006.

[11] 万显荣，岑博，易建新，等.CMMB外辐射源雷达参考信号获取方法研究[J].电子与信息学报，2012，34（2）：338?343.

WAN Xianrong， CEN Bo， YI Jianxin， et al. Reference signal extraction methods for CMMB?based passive bistatic radar [J]. Journal of electronics & information technology， 2012， 34（2）： 338?343.

[12] POULLIN D. Passive detection using digital broadcasters （DAB， DVB） with COFDM modulation [J]. IEE proceedings radar， sonar and navigation， 2005， 152（3）： 143?152.

[13] 黄谢学，林平分.CMMB接收机中的粗载波频偏估计[J].电视技术，2009，33（z2）：14?16.

HUANG Xiexue， LIN Pingfen. Coarse carrier frequency offset estimation in CMMB receiver [J]. Video engineering， 2009， 33（S2）： 14?16.endprint