数字信号处理应用综述

宽带数字信号处理是电子战研究的主题之一。相对于窄带而言，宽带会导 致数字动态、灵敏度、多信号处理等变差。针对这些问题，结合现代先进的电 子技术，介绍了宽带数字信号处理中的宽带采集、阵列处理、数字信道化以及 数字储频干扰等技术，分析了宽带对这些技术的影响，探讨了宽带数字信号处 理技术在电子战中的应用及发展方向，为研究数字信号处理技术的工程师提供 有益的参考。 作者：党鹏飞，蔡钊 中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)06(a)-0005-)-000501 1 对宽带数字和信号的处理介绍 对宽带数字和信号的处理，有数据采集和信息处理两大部分。其中数 据采集进行信号处理的前提，是后期对信号进行处理时必须先要完成的阶段和 过程。而对于所采集的数据进行处理，可以实现很多不同的功能，本文仅对当 前常用的数字天线、数字信号的干扰和数字侦察等方面加以分析和介绍。 1.1 宽带信号采集 宽带信号的采集就是指在对输入的信号在中频波段附近加以数字量化， 最常用的方法是借助模数变换器，这又可以简称为 ADC。根据奈奎斯特的定理 可以知道，要想不至于发生因信号的频率重叠而产生模糊或失真，ADC 在输入 时的带宽一定要不大于采样频率的 1／2 倍。在工程应用中，采样频率的值一般 为带宽值的 2．3 倍左右。当 ADC 的值增加时，输入带宽的瞬时值则也可以适 当有所提高。 对于宽带采集的方法，最常用的有 3 种：一是 ADC 高速采样；二是利 用示波器进行采样；三是借助于光采样。其中，ADC 高速采样是通过若干个并 行的比较器实现输入信号的离散化，ADC 的位数(b))和比较器数量(Ⅳ))的倍数是 N=2。为了使实现的难度降低，一般要采用级联方式，以便获得较大的 ADC 位 数。例如，当 ADC 为 8 位时，需要的比较器的个数为 256，而如果采用 2 个 4 位的 ADC 进行级联，形成一个 8 位 ADC 时，就可以把比较器的个数减少为 32。一般说来，与高速率采样相比，低速率采样要容易得多。当采样位数和频 率增加时，在硬件角度上实现的难度就会增大。 1.2 宽带数字侦收技术 所谓数字宽带侦收，其目标是为了准时或实时对输入数据进行处理， 对所采用的处理算法来说，最重要的计算速度问题。利用改进算法来提高处理 数据速度的方法大体有以下几种：(1)把大数据率变换成小数据率，例如数字信 道化的形式等；(2)实现快速化的信号处理和算法，例如快速 FFT 方法等。在数 字信道化中，当信道的个数是 M 时，那么单个子信道的数据率值就降为先前的 1／M，这样，就为输入数据的准时或实时处理和计算提供了充足的时间，可是， 当每一个信道都要加以关注时，就要对各个信道进行并行处理，就会在硬件的 设计方面增加难度。在工程应用中，一般是将全部接收的信号利用编码技术， 折合到一部分信道内，从而不去对所有的信道进行关注。对于 N 点的 FFT，在 运算时，可以把呈离散状态的 FFT 的次复数乘法减少到(N／2)log2N 次，当 N 较大时，就会使运算速度明显提高。 1.3 宽带数字射频存储技术 当需要对相参雷达实施数字储频式干扰时，要是不能把频域内出现的 全部信息加以保存，就难以对其进行精确地复制，从而不能实施有效的干扰。 而宽带数字射频，又称为 RF，则可以实现把频域内出现的全部信息进行存储这 一功能。其步骤如下：首先，把输入的信号变换为中频信号，通过快速的 A／D 变换，成为数字式信号，然后再写入相对高速的存储器，同时实施干扰调制。 如果需要把这种信号重新发布时，就可以方便地通过控制器读出，然后再通过 高速 D／A 技术，转换为相应的模拟信号，得到适合射频的输出信号，从而完 成存储和转发整个过程。 宽带数字射频存储技术，又称作 DRFM。其主要功能是依据需要，利用 存储的数据实施干扰调制，然后把调制好的数据借助于高速 D/A 技术，再转换 成相应的干扰模拟信号，从而可以实现在距离、速度两个方面的波门拖引，设 置假目标进行欺骗等方面的干扰作用。为了使这种干扰更加有效，采用的瞬时 带宽要大于雷达信号的带宽。瞬时带宽的值，决定了正常工作时的 ADC 速率以 及 DAC 速率，这种速率越高，对存储器在存储方面的要求就越高，导致对其体 积和功耗就越大，成本也就相应地越高。 2 宽带数字处理应用于电子战的途径 宽带可以改善雷达在距离上的分辨能力；可以增加在通信时传输信息 的容量；在现代电子战中，宽带还有更多的应用，例如，友军的电子支援，敌 我双方的电子对抗，都是最常用的途径和手段。 在电子战中，宽带和灵敏度之间存在着一种矛盾。对于灵敏度，可以 利用如下公式进行计算。 P=-114+F+lgB+D(1) 式中：F 为噪声系数；B 为接收带宽；D 为识别系数。 从公式可以看出，在其余参数不变时，带宽增大，灵敏度就要降低。 当接收带宽条件不变时，可以借助以下两处方法提高其灵敏度：缩小噪声系数， 减少识别系数。对于前者，没有多少潜力可以挖掘，相应地，减少识别系数就 成为最常用的方法。 3 发展趋势 在现代电子战中，对宽带数字和信号的处理技术越来越重要，在各个 军事领域中都有重要的作用，其中以下方面将成为在今后一个时期内的重要发 展方向。在工程应用中，宽带和数据的传输、存储和实时处理的速度方面存在 着一定的矛盾，为了解决这一问题，需要对信号的电光转换和处理进行大力的 研究，才能有所突破。因为利用光信号处理，可以使瞬时带宽加大，加快处理 的速度，比如，利用透镜就可以实现 FFT，其计算的时间甚至可以完全忽略不 计。 4 结语 在现代电子战中，宽带数字式信号的处理是必不要少的方式。本文对 于宽带技术中的信号采集、信号侦收、数字天线、信号储频等几个方面的内容 进行了简单的分析，论述了常用的关键技术以及发展趋势，能够为宽带工程技 术人员提供相应的参考。