空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：空間譜估計(jì)測(cè)向是一種以多元天線陣結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的新型測(cè)向技術(shù)。針對(duì)空間譜估計(jì)中的典型算法——MUSIC算法，在研究超分辨測(cè)向系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和硬件實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上．提出了一種實(shí)現(xiàn)MU-SIC算法的并行處理方案。
關(guān)鍵詞：空間譜估計(jì)；多元天線陣；MUSIC算法；超分辨測(cè)向；并行處理

1 引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子對(duì)抗在武器系統(tǒng)中扮演著重要角色，電子對(duì)抗體系向多樣化發(fā)展，諸如利用電子干擾設(shè)備直接干擾對(duì)方電子系統(tǒng)正常工作的電子對(duì)抗方法；利用武器彈藥系統(tǒng)攻擊對(duì)方電子設(shè)備。無(wú)論采用哪種方法贏得戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)，其前提條件是要知道對(duì)方通訊設(shè)備、無(wú)線電通信以及其他發(fā)射無(wú)線電信號(hào)的電子設(shè)備的方位。此外，為了實(shí)施對(duì)多源(如多發(fā)引信、多臺(tái)通信機(jī)或干擾機(jī))的干擾，需有效利用我方干擾機(jī)的功率資源，確定發(fā)射源的方位，可采用轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線的角度確定發(fā)射源方位。但這種方法存在測(cè)角精度和測(cè)量速度的矛盾，難以滿足空間存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，確定各目標(biāo)方位的要求。而空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)空域中多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)超分辨測(cè)向，因此，這里給出空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 空間譜估計(jì)測(cè)向原理
    空間譜估計(jì)測(cè)向是一種以天線陣輸出信號(hào)的空間相關(guān)特性為基礎(chǔ)的超分辨譜估計(jì)方法。MUSIC算法是基于特征結(jié)構(gòu)分析的空間譜估計(jì)方法，其測(cè)向原理引是根據(jù)矩陣特征分解理論，對(duì)陣列輸出協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，將信號(hào)空間分解為噪聲子空間ENH和信號(hào)子空間EHS，利用噪聲子空間ENH與陣列的方向矩陣的列矢量正交的性質(zhì)，構(gòu)造空間譜函數(shù)P(θ)并進(jìn)行譜峰搜索，從而估計(jì)出波達(dá)方向信息。圖1給出采用MUSIC算法進(jìn)行空間譜估計(jì)技術(shù)仿真測(cè)得的信號(hào)源方向消息，其信號(hào)源方向分別為45°，30°，一18°，25°。根據(jù)圖1 MUSIC算法仿真結(jié)果可以看出，該算法可精確確定信號(hào)源方向信息。

3 空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)要具備物理支持(天線陣列和數(shù)字接收機(jī))和軟件系統(tǒng)支持。這兩者是相輔相成的，其硬件的高性能、一致性使采樣數(shù)據(jù)誤差減小，從而充分表現(xiàn)譜估計(jì)軟件的超分辨性能；譜估計(jì)算法的高速、高穩(wěn)定性降低了硬件成本要求。
3．1 空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)構(gòu)成
    空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如圖2所示。由圖可見(jiàn)，該測(cè)向系統(tǒng)由多元天線陣，多信道接收機(jī)，轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理終端構(gòu)成。要想使空間譜估計(jì)算法的優(yōu)良性能在測(cè)向中得到很好體現(xiàn)，就需解決好相應(yīng)組成部分的技術(shù)問(wèn)題。

3．1．1 多元天線陣
    多元天線陣是對(duì)空間信號(hào)采集的傳感器，各天線陣元接收到的信號(hào)幅度、相位與信號(hào)間的關(guān)系，以及信號(hào)到達(dá)方向有關(guān)。從原理上說(shuō)，天線陣可以布置成任意形式，各天線陣元的特性也都不相同。在空間譜估計(jì)測(cè)向中，將具有相同特性的各陣元設(shè)為全向天線陣元，各陣元均勻等距地分布在一直線上，陣元間隔一般取為二分之一工作波長(zhǎng)，這種陣通常稱為均勻線陣。多元天線陣的各個(gè)陣元，要求機(jī)械定位精度高，各陣元的方向圖要盡可能的保持一致，各陣元之間的互耦也要盡量小。
3．1．2 多信道接收機(jī)
    每一天線陣元的輸出送至各自的接收機(jī)輸入端。如N個(gè)天線陣元，就有N個(gè)完全相同的接收機(jī)。接收機(jī)將信號(hào)放大、變頻到適合A／D轉(zhuǎn)換的頻率，從而輸出中頻信號(hào)。也可將A／D轉(zhuǎn)換器和接收機(jī)集成一體，直接輸出數(shù)字信號(hào)。為了完整保存各天線陣元接收的信號(hào)幅度和相位信息，一般采用I、Q通道方法，即在中放末級(jí)采用正交混頻，將相位相差90°兩路本振信號(hào)送到兩個(gè)混頻器，其輸出的低通信號(hào)即為I和Q通道信號(hào)。I和Q通道各接一A／D轉(zhuǎn)換器，其輸出就是數(shù)字化的復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部。各個(gè)陣元的接收機(jī)模型如圖3所示。

    在通信偵察測(cè)向中，該接收機(jī)可采用多次變頻的外差式接收機(jī)，雷達(dá)偵察測(cè)向時(shí)則是寬帶微波數(shù)字式接收機(jī)?？臻g譜估計(jì)算法對(duì)各個(gè)通道的一致性要求較高，雖然可通過(guò)加校正源改善通道的一致性，但是在實(shí)際應(yīng)用中還要求多信道接收機(jī)的各個(gè)通道盡可能保證一致性良好。
3．1．3 MD轉(zhuǎn)換器
    每一路接收機(jī)的輸出需經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)。A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇應(yīng)考慮信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍、量化噪聲、對(duì)測(cè)向性能的影響，以及價(jià)格等因素．一般應(yīng)不低于8位。
    除采用I、O通道保存信號(hào)幅度和相位信息外，也可采用數(shù)字正交通道。這時(shí)每路接收機(jī)的輸出只需一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，不過(guò)采樣頻率應(yīng)超過(guò)2倍信號(hào)帶寬(常采用4倍信號(hào)帶寬的采樣頻率)，再用數(shù)字方法形成信號(hào)的實(shí)部和虛部(數(shù)字式希爾伯特濾波器)。數(shù)據(jù)接收部分要求轉(zhuǎn)換器的采樣精度高，有效字長(zhǎng)多，單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)多。這樣有利于捕獲空間中出現(xiàn)的突發(fā)的、短暫的信號(hào)。
3．1．4 數(shù)字信號(hào)處理終端
    多路接收機(jī)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號(hào)同時(shí)送至數(shù)字信號(hào)終端進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信號(hào)的數(shù)目、信號(hào)到達(dá)方向以及信號(hào)其他參數(shù)的估計(jì)?？臻g譜估計(jì)測(cè)向方法的優(yōu)異性能主要通過(guò)優(yōu)良的測(cè)向算法及其在信號(hào)處理終端上的實(shí)現(xiàn)。與幅度和相位比較等測(cè)向方法不同，空間譜估計(jì)測(cè)向方法需經(jīng)較為復(fù)雜的計(jì)算才能得到待測(cè)信號(hào)的到達(dá)方向，因此性能優(yōu)異的高效測(cè)向算法和高速數(shù)字信號(hào)處理終端就成為這種測(cè)向技術(shù)的核心。從原理上考慮，一臺(tái)通用微機(jī)可用于信號(hào)處理終端。當(dāng)要求測(cè)向過(guò)程實(shí)時(shí)或準(zhǔn)時(shí)時(shí)，則應(yīng)采用高速數(shù)字信號(hào)處理器完成信號(hào)處理終端的任務(wù)。
3．2 空間譜估計(jì)算法的硬件實(shí)現(xiàn)方案
    現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理方案多采用FPGA和通用DSP的混合設(shè)計(jì)，即DSP+FPGA的設(shè)計(jì)方案。用FPGA設(shè)計(jì)協(xié)處理器處理大量、規(guī)則的計(jì)算，而利用DSP的靈活性處理復(fù)雜不規(guī)則的計(jì)算，從而使整個(gè)系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。
    對(duì)空間譜估計(jì)測(cè)向中的MUSIC算法分析可知，MUSIC算法可分為：求解協(xié)方差矩陣，對(duì)協(xié)方差矩陣特征分解和譜峰搜索。其中，求解協(xié)方差矩陣是一種包含大量而又規(guī)則計(jì)算的算法，且運(yùn)算的數(shù)據(jù)直接從接收機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器輸出得到，可采用定點(diǎn)計(jì)算方式，適合采用FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA具有可編程和現(xiàn)場(chǎng)配置的特點(diǎn)，利用與器件相應(yīng)的CAD軟件，實(shí)現(xiàn)用戶規(guī)定的各種特定功能，具有較高的靈活性。設(shè)計(jì)者可將其視為一個(gè)由若干與非門構(gòu)成的陣列，各與非門之間通過(guò)一定的方式相連接，實(shí)現(xiàn)特定功能。
    實(shí)現(xiàn)協(xié)方差矩陣的特征分解可采用雅可比算法。該算法中。數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍很大，用定點(diǎn)計(jì)算會(huì)發(fā)生溢出，并且也無(wú)法滿足精度要求，所以只能采用浮點(diǎn)計(jì)算；雅可比算法除包含大量的乘法、加法外，還有開(kāi)方、除法等不太規(guī)則的計(jì)算。因此，用于實(shí)現(xiàn)特征分解的雅可比算法不宜采用FPGA實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)采用DSP實(shí)現(xiàn)。DSP類似于通用微處理器CPU，但又有其針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)。其與通用微處理器不同之處在于：采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)；采用一系列措施保證數(shù)字信號(hào)的處理速度，如對(duì)FFT的專門優(yōu)化。因此DSP數(shù)字信號(hào)處理能力大大優(yōu)于通用微處理器，同時(shí)還具有通用微處理器系統(tǒng)靈活度高，計(jì)算可編程控制的特點(diǎn)，可適用于各種復(fù)雜的信號(hào)處理。
    因此，MUSIC算法的硬件實(shí)現(xiàn)可采用DSP+FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，即定點(diǎn)計(jì)算和浮點(diǎn)計(jì)算混合的方案。FPGA實(shí)現(xiàn)求解協(xié)方差矩陣，可采用定點(diǎn)計(jì)算方法，然后把得出的數(shù)據(jù)送入DSP，將其定點(diǎn)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)，用浮點(diǎn)計(jì)算方式計(jì)算特征分解和譜峰搜索。
    求解協(xié)方差矩陣時(shí)有串行和并行兩種方案。串行方案主要是以節(jié)省資源為優(yōu)先考慮的一種方案，可用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中；并行解決方案主要是以處理速度為優(yōu)先考慮的一種方案，可用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用中。圖4給出并行處理方案的原理框圖。

    并行方案與串行方案的區(qū)別在于：并行方案使用多個(gè)并行相乘累加器進(jìn)行計(jì)算。這樣可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度。并行處理的方案應(yīng)當(dāng)做到使各處理器的負(fù)載平衡，對(duì)于含8個(gè)陣元的測(cè)向系統(tǒng)，需要求出36個(gè)元素的值，因此可選用2，3，4，6，12，18，36個(gè)相乘累加器的不同的并行處理方案。顯然相乘累加器越多，處理速度越快，但其成本也高。

4 結(jié)論
    在空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、某些關(guān)鍵技術(shù)及硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹基于相關(guān)矩陣特征分解的MUSIC算法原理及其硬件實(shí)現(xiàn)方案。空間譜估計(jì)技術(shù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)偵察測(cè)向的前景良好，具有研究?jī)r(jià)值。