基于数字调制解调的GSM外辐射雷达信号处理方法

摘要

本发明公开了一种基于数字调制解调的GSM外辐射雷达信号处理方法，主要解决了基于数字调制解调的外辐射源系统的参考信号纯化处理问题。其实现步骤为：对参考信道的信号做调制解调处理得到纯净的发射信号；利用本地再生的纯净发射信号做杂波对消，距离-多普勒检测，完成运动目标的检测和位置信息提取。本发明核心部分处理是通过对参考通道中的参考信号进行纯化，去掉参考信号中的多径和噪声影响，提高与回波通道中目标回波信号的相关性，提高系统的探测威力。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，主要涉及全球移动通信(global system for  mobile communication GSM)信号的调制与解调技术与雷达信号处理技术的综合利 用，具体来说就是一种利用数字调制解调技术对信号处理方法，提高无源雷达的探测 性能。可在数学仿真软件MATLAB上，进行仿真测试验证。

背景技术

外辐射源雷达系统属于非合作发射、收发分置的双（多）基地雷达系统，通过接 收来照射源的直达波和经目标反射的回波，经过相关的外辐射技术处理，能够实现对 目标的探测和跟踪。外辐射雷达系统采用分布广泛的非合作式的民用机会照射源，面 对“四大威胁”时有良好的对抗性，提高了系统的战场生命力，成为近年来雷达领域研究 的热点。然而由于外辐射源具有非协作、不可控、不可预知的特性，相比于有源雷达 探测性能有所下降。主要有以下原因：①发射功率低；②无法获得纯净的发射信号。

相比于发射功率低，无法获得纯净的发射信号对系统的影响更大，主要由于后面 信号处理系统中的杂波对消和匹配滤波处理都需要纯净的发射信号。以往的无源雷达 处理系统都直接用接收到的照射源的直达波作为纯净的发射信号，进行后面的信号处 理。由于接收到的照射源的直达波受噪声和无线信道的影响，较纯净的发射信号相差 很大，对系统的探测性能影响很大。

GSM信号是一种分布极其广泛的数字信号，采用GMSK调制方式对发送码元序 列进行数字调制，易于在本地调制和解调。利用GSM信号的外辐射源雷达成为目前 各国一直致力于的研究课题之一，如新加坡南洋理工大学利用GSM信号构建了简单 的无源雷达系统，和德国的Ulrich Nickel等研究了基于GSM信号的无源雷达系统。 但这些GSM信号的无源雷达系统都没有对参考信道中参考信号进行纯化处理，为了 提高参考信号的信噪比都需要把就收机放在发射基站附近位置，而且受参考信号信噪 比的影响探测距离都比较短，新加坡南洋理工大学GSM无源雷达系统对海上船只的 检测距离1千米，德国Ulrich Nickel的GSM信号的无源雷达系统对运动小车检测距 离为2.3千米。

发明内容

本发明的目的在于针对目前基于外辐射雷达双基地系统的不足和GSM可以方便 进行数字调制和解调的特性，提出一种基于数字调制解调的GSM外辐射雷达信号处 方法，相比以前的GSM外辐射雷达系统，增加对参考通道的参考信号纯化处理过程， 通过纯化处理获取纯净的发射信号，增加系统的探测性能。

本发明的技术原理是：利用数字调制解调方法对参考通道接收到的GSM信号做纯 化处理，再用纯化后的参考信号与回波通道中的目标回波信号进行数据处理。

为实现上述目的，本发明的技术方法包括如下步骤：

(1)对接收的GSM参考信号纯化处理

(1a)接收参考信道复基带信号

在接收端，将接收到的参考信道中复基带信号送到码元同步器和载波估计器，用 于码元同步和载波频率估计；

(1b)SB突发粗同步

将接收到的参考信号进行频率校正突发FB搜索，初步估计频率校正突发FB的 起始位置，根据频率校正突发FB和同步突发SB的位置关系，初步计算出同步突发 SB的起始位置；

(1c)频率估计

利用突发粗同步的结果，对突发FB进行频率估计，对突发FB发送的148个全0 比特序列，经过GMSK调制成高于载波频率67.708KHZ的正弦波，利用LR频率估 计方法，得到参考信道接收到的FB突发实际频率：

$z\left(i\right)=\frac{1}{N-i}\underset{n=0}{\overset{N-1-i}{\Sigma }}{x}^{*}\left(n\right)x(n+i)$

$f=\frac{1}{\mathrm{\pi T}(M+1)}\mathrm{angle}\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}z\left(i\right)\right)$

其中，f表示频率的估计值，π表示圆周率，T表示接收信号的码元周期，angle 表示求幅角函数，∑表示求和符号，M表示FB突发相关值的长度，取M=10，x(n) 表示FB突发第n个信号值，N为FB突发的总长度，z(i)表示FB突发相关值的第i个 值，^*表示共轭符号；

(1d)频率校正

利用复共轭相乘的方法，将步骤(1c)估计的频率f与67.708KHZ的差值频率补偿 到参考信号，得到频率校正后的参考信号；

(1e)SB突发准确同步

利用步骤(1b)初步估计SB突发的起始位置，对经过步骤(1d)频率校正的参考信号 中的SB突发数据与本地训练序列的GMSK基带调制信号做时域滑动相关运算，由相 关值最大点确定SB突发的准确起始位置；

(1f)解旋转，

对SB突发序列的每个码元对应乘以j^-k，k=1,2,3…..148，j为复数单位，消 除GMSK近似线性调制时引入的相位旋转；

(1g)信道估计

利用本地训练序列和解旋转后的SB突发数据，按最小二乘准则估计无线信道的 冲激响应值；

(1h)匹配滤波

利用步骤(1g)估计出的信道冲激响应值与解旋转的突发数据进行匹配滤波，使输 出的信噪比最大，并将匹配滤波后的信号送入MVA处理器进行序列估计；

(1i)MVA处理器

MVA处理器采用MVA算法，利用估计的信道冲激响应值的自相关结果和匹配 滤波后的信号寻找发送序列，获取移动台发射的发送序列；

(1j)GMSK调制

利用步骤(1i)得到的发送序列，经过GMSK调制，得到纯净的发射信号；

（2）参考信号与目标回波信号数据处理

(2a)杂波对消

利用步骤(1j)得到的纯化的参考信号与回波通道中的目标回波信号进行自适应 杂波对消，杂波对消采用矩阵求逆运算，滤除目标回波数据中的GSM基站直达波、 多径杂波和噪声分量，得到对消后的回波数据；

(2b)距离-多普勒检测

利用步骤(2a)杂波对消后得到的回波数据与步骤(1j)GMSK调制得到的纯化的 参考信号进行距离-多普勒二维相关运算，依次对每路对消数据进行脉压、抽取滤波、 快速傅里叶变换、移位fftshift和求模运算，获得距离-多普勒矩阵形式的检测单元。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明把通信中信号处理的方法引用到无源雷达信号处理中，扩宽了思路， 为以后利用数字资源进行无源探测奠定了基础。

2)本发明中的核心是对参考通道的参考信号进行纯化处理，去掉参考信号中的 噪声和多径影响，提高参考信号与回波信号的相关性。从图3的距离维效果图中的(a) 与（b）对比可以看出，本发明对参考信号纯化后的距离维效果图有很低的旁瓣，从 而提高了系统对弱目标和远距离目标距离信息的检测能力。同样从图4的多普勒维效 果图中的(a)与（b）对比可以看出，本发明对参考信号纯化后的多普勒维效果图有很 低的旁瓣，从而提高了系统对弱目标和远距离目标多普勒的检测能力。

3)本发明的进行参考信号纯化的方法对参考通道中的信噪比要求比较低，从图 3与图4中的（a）可以看出在35db的信噪比的情况下就能取得很好的效果。

附图说明

图1是本发明信号处理流程图；

图2GSM控制信道帧结构图；

图3是采用本发明信号处理方式距离维效果对比图，其中（a）是对参考信号进 行了纯化处理的距离维效果图，（b）是没有参考信号进行了纯化处理的距离维 效果图；

图4是采用本发明信号处理方式多普勒维效果对比图，其中（a）是对参考信号 进行了纯化处理的多普勒维效果图，（b）是没有参考信号进行了纯化处理的多 普勒维效果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选的实施方式做进一步的描述。

参照附图1，本发明应用的信号处理是基于双通道实现的，其中一个通道为回波 通道，接收的信号包括目标信号、直达波干扰信号、多径杂波信号和噪声信号，另一 个为参考通道，接收的信号包括直达波信号和噪声信号。回波通道和参考通道中的杂 波信号必须相关才可以进行杂波对消，在对消前，对参考通道中参考信号做纯化处理， 得到纯净的发射信号，提高与回波通道中直达波干扰信号的相关性，增强对消和距离 -多普勒检测效果。

参照附图2，为本实施例用的GSM控制信道数据帧结构图，即以51TDMA帧（时 分多址帧结构）重复，每一个TDMA帧包含8个突发，每个突发含有148比特序列。 在0，10，20，30，40号帧的第0个突发为FB突发，在1，11，21，31，41号帧的 第0个突发为SB突发。

参照附图1，对本发明的信号处理方法做进一步描述

(1)接收参考信道复基带信号

在接收端，将接收到的参考信道中复基带信号x(k)送到码元同步器和载波估计 器，用于码元同步和载波频率估计。

(2)SB突发粗同步

2a)将接收到的参考信道中复基带信号x(k)，取连续的12帧信号并把的采样 率转化为270.833kHz/s(与GSM信号的码元数率一样，一个码元采样一次)记为 r(k)，长度为A，k=1,2,3......A。设置步长变量B，初始化为16，设置检测门限 threshold，初始化为0。设置中间变量y(k)，长度为A，k=1,2,3......A，初始化为 [0,0,0...0]。

2b)按公式y(k-1)=r(k)-r(k-B)-j*y(k)更新y向量。k的初始值为A，按 k=k-1更新。

2c)计算中间变量p(k)，长度为A，k=1,2,3......A，初始化为[0,0,0...0]。按如下 方式更新p(k)=y(k)^2，k=1,2,3......A，把检测门限threshold更新为p的平均值；

2d)搜索p的值，当寻找连续的132个的p值均大于threshold时，这132点开 始的位置，即为FB突发的起始位置。

2e)利用2d)搜索到的FB突发的起始位置和SB突发在FB突发后面8个突发序 列的信息，可以初步确定SB突发的位置，粗同步完成。

(3)频率估计

利用突发粗同步的结果，对FB突发做频率估计。由于FB突发发送的是148个全 0的比特序列，经过GMSK调制后，为频率67.708KHZ的正弦波。由于接收机的影响， 参考信道接收到的FB突发的频率可能高于或低于这个值，利用LR频率估计方法，得 到参考信道中接收到的FB突发实际频率：

$z\left(i\right)=\frac{1}{N-i}\underset{n=0}{\overset{N-1-i}{\Sigma }}{x}^{*}\left(n\right)x(n+i)$

$f=\frac{1}{\mathrm{\pi T}(M+1)}\mathrm{angle}\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}z\left(i\right)\right)$

其中，f表示频率的估计值，π表示圆周率，T表示接收信号的码元周期，angle 表示求幅角函数，∑表示求和符号，M表示FB突发相关值的长度，一般取M=10， x(n)表示FB突发第n个信号，N为FB突发的长度，z(i)表示FB突发相关值的第i个 值，^*表示共轭符号。

(4)频率校正

利用复共轭相乘的方法，将步骤(3)估计的频率f与67.708KHZ的差值频率补偿 到参考信号上，得到频率校正后的参考信号。

(5)SB突发准确同步

5a)对SB突发的64比特训练序列按GMSK近似线性调制方式调制，取中间54 比特的值，记为coff。

5b)利用5a)得到的coff与一段包含SB突发的数据做滑动相关，找到滑动相关 值的最大值所在的位置为m，则突发的起始位值为m-(3+39+5)*sample，sample为 每个码元的采样点数，一般需大于4。突发准确同步完成。

(6)解旋转

对突发序列的每个码元对应乘以j^-k，k=1,2,3…..148。消除GMSK近似线性调 制时引入的相位旋转。

(7)信道估计

利用训练序列和解旋转后的突发数据，按最小二乘准则估计无线信道的冲激响 应。

7a)设H_L=[h₀,h₁,...h_L]^T为所求的信道冲激响应，L为信道弥散长度，2≤L≤5；

7b)设A_L(k)=[a_k,a_k-1,...,a_k-L]^T，其中{a_k;k=-5,-4,...,58}是64位训练比特，且 a_k=±1；

7c)计算式中{v_k;k=0,1,...,53}是步骤（6）解旋转后突发 中间的54比特数据；

(8)匹配滤波

利用步骤(7)估计出的信道冲激响应与解旋转后的突发数据做匹配滤波，使其输出 的信噪比最大，并将匹配滤波后的信号送入MVA处理器进行序列估计。

(9)MVA处理器

MVA处理器通过MVA算法实现，利用信道冲激响应的估计和匹配滤波后的信 号寻找最有可能的发送序列，获取移动台发射的码元序列。

(9a)根据信道弥散长度，设置状态转换关系，前一状态和下一状态转换表，和初 始状态。

(9b)按$J_k\left(S_k\right)=J_{k-1}\left(S_{k-1}\right)+\mathrm{Re}\left[{I_k}^{*}({2y}_k-2\underset{m\le k-1}{\Sigma }{I}_m{x}_{k-m})\right]$计算路径度量值， k=1,2,3,...148。S_k-1为前一时刻的路径度量，S_k为当前时刻的路径度量，I_k为当前 时刻的码元序列，y_k为当前时刻的匹配滤波输出，x_k为估计的信道冲激响应的自相关 值。

(9c)根据路径度量列表和状态转移列表回溯生成译码输出。首先，在路径度量列 表中找到最大值对应的末状态，作为回溯的起始状态。其次，回溯过程从状态转移列 表的最后一步开始，根据回溯的起始状态向前推导出幸存路径，并且幸存路径中每一 步状态对应的第一个符号。

(10)GMSK调制

利用步骤(9)MVA处理器处理后得到的发送序列，再把得到的发送序列经过 GMSK调制，得到纯净的发射信号。

(11)杂波对消

利用步骤(10)GMSK调制后得到的纯化后的参考信号与回波通道中的目标回波信 号进行自适应杂波对消，杂波对消采用矩阵求逆运算，滤除目标回波数据中的GSM 基站直达波、多径杂波和噪声分量，得到对消后的回波数据。

(12)距离-多普勒检测

利用步骤(12)杂波对消后得到的杂波对消后获得回波数据与步骤(10)GMSK调 制后得到的纯化后的参考信号进行距离-多普勒二维相关运算，依次对每路对消数据 进行脉压、抽取滤波、快速傅里叶变换、移位fftshift和求模运算，获得距离-多普勒 矩阵形式的检测单元；

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1）实验条件：

实验采用50帧GSM外辐射源雷达仿真数据，其中回波通道中包括一个目标信号、 直达波干扰信号、多径信号和噪声信号。参考通道中包括直达波信号和噪声信号，信 噪比为35db。目标的双基地距离为4154米，目标的多普勒为900Hz。

2）实验内容及结果：

采用本发明提出的方法，先对参考通道接收的信号做纯化处理，在对参考信道信 噪比为35db的情况下，对外辐射源雷达的仿真数据进行距离多普勒检测，实验结果 对比如图3、图4。首先可以看到，两种方法都能正确的检测到目标。然后，从图3 的距离维效果图(a)与（b）对比可以看出，对参考信号纯化后的距离维效果图有很 低的旁瓣，比常规检测方法的旁瓣要低20db，从而提高了系统对弱目标和远距离目标 距离信息的检测能力。同样从图4的多普勒维效果图(a)与（b）对比可以看出，对参 考信号纯化后的多普勒维效果图有很低的旁瓣，比常规检测方法的旁瓣要低25db，从 而提高了系统对弱目标和远距离目标多普勒的检测能力。综合以上情况，我们可以看 到本发明对弱目标和远距离目标的检测性能要比以往的常规方法要好。

由图3、图4可见，使用本发明提出的方法进行信号处理效果要好于没有做参考 信号纯化时的方案，验证了本发明提出的方法能增强探测威力。