一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于WiFi外辐射源雷达参考信号提纯的实现方案，采用解调再调制的重构方法，基于FPGA芯片，通过帧检测、载波频率同步、符号同步、FFT、信道估计与均衡、采样频率同步、相位跟踪解映射、解交织、Viterbi译码、解扰以及再编码等处理步骤，完成对WiFi外辐射源雷达参考信号重构的设计实现，提升了WiFi外辐射源雷达参考信号的重构处理速度，增强了WiFi外辐射源雷达进行探测的实时性能，促进了WiFi外辐射源雷达系统的小型化。

A method and system for reconstruction of reference signal of WiFi external radiation source radar

The invention discloses an implementation scheme applicable to the purification of reference signal of WiFi external radiation source radar, adopting the reconstruction method of demodulation and re modulation, and based on FPGA chip, through the processing steps of frame detection, carrier frequency synchronization, symbol synchronization, FFT, channel estimation and equalization, sampling frequency synchronization, phase tracking unmapping, deinterleaving, Viterbi decoding, descrambling and re coding, etc., the completion of The design and implementation of the reference signal reconstruction of the paired WiFi external radiation source radar improves the reconstruction processing speed of the reference signal of the WiFi external radiation source radar, enhances the real-time performance of the detection of the WiFi external radiation source radar, and promotes the miniaturization of the WiFi external radiation source radar system.

【技术实现步骤摘要】
一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法和系统
本专利技术属于无源雷达
和通信
，尤其是涉及到雷达接收信号存在多径效应和噪声时，本专利技术可以滤出与探测无关的WiFi信号，并且实现WiFi外辐射源雷达参考信号的实时重构。
技术介绍
外辐射源雷达因具有隐蔽性好、不占用频谱等优点而受到雷达界广泛研究。目前已被研究用来作为外辐射源雷达非合作照射源的OFDM波形数字信号包括：DAB(数字音频广播)，DVB-T(数字视频广播)，DTMB(数字地面电视)，CMMB(中国数字移动多媒体视频广播)，WiFi信号，移动通信信号等。其中，基于IEEE无线局域网标准(802.11)的WiFi信号目前已在国内外主要城市普及，利用其作为外辐射源进行穿墙探测有着天然的优势：覆盖范围广，尤其是机场车站、宾馆酒店、居民小区等公共场所都被该信号所覆盖；WiFi信号无线接入点密布，有利于由众多WiFi基站构成雷达网络，易于扩展探测范围；大带宽的WiFi信号主要工作在2.4/5.8GHz，这使其在具有较高距离分辨率的同时具有较强的穿透性，无探测盲区；具有低成本、低功率、隐蔽性好、生存能力强等优势。外辐射源雷达通常设有两个通道：参考通道和监测通道，分别用来接收参考信号和监测信号。通过监测信号与参考信号的匹配滤波以提取目标的距离和多普勒信息。在进行目标探测的过程中，参考信号具有至关重要的作用。首先，参考信号可以用来对外辐射源雷达监测通道接收到的直达波和多径杂波进行抑制。另外，参考信号可以用来进行后续的匹配滤波，从而完成检测目标等操作。值得注意的是，参考信号的纯净度决定着雷达的探测性能。参考信号的纯净度越高，恢复出的数据信息统计误码率就越低，外辐射源雷达的探测效果就越好。如何对参考信号进行提纯是一个关键的步骤，传统的参考信号提纯通常采用空域波束形成、时域自适应滤波等多径抑制技术，但在WiFi外辐射源雷达的实际应用中，效果并不理想。因此，本专利技术采用的是基于调制解调理论的重构方法获得参考信号。按实现方式的不同，对外辐射源雷达参考信号的重构处理，可分为软件离线处理和硬件实时处理两种。软件离线处理是通过将前端采集到的数据信号临时存储起来，然后将采集到的数据信号传输给上位机电脑，上位机电脑将传输过来的数据进行数据分析和信号处理。而硬件实时处理对采集到的信号利用FPGA等芯片直接实时处理，无需存储传输给上位机电脑。软件处理实现方式相对较为简单，目前关于外辐射源雷达参考信号的重构处理多数为软件离线处理，但这种方式处理速度相对较慢，为非实时性且不利于缩小雷达系统体积，无法实用化。另外，在WiFi外辐射源雷达工作环境中，常常存在多个WiFi信号，而目标探测只需选择其中一个信号来进行，因此，需要滤出多余的无关信号。
技术实现思路
本专利技术旨在设计实现一款基于FPGA的WiFi外辐射源雷达参考信号重构系统，包括对监测通道所采集的数字信号的同步、解码、无关信号识别与剔除、再编码等设计，同时为确保系统的有效性需要对逻辑电路设计进行时序仿真验证。如图1所示为基于FPGA的WiFi外辐射源雷达雷达参考信号重构的总体设计方案框图，具体包含如下几个处理步骤：步骤1，时域同步，包括以下子步骤，步骤1a，帧检测：确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；步骤1b，载波频率同步：对WiFi信号发送端的载波频率与外辐射源雷达的本地载波频率进行匹配；步骤1c，符号同步：确定OFDM数据符号的起始位置；步骤2，对时域同步输出数据进行快速傅里叶变换运算，将时域信号变为频域信号；步骤3，频域同步，包括以下子步骤，步骤3a，信道估计与均衡，消除无线传输信道的影响；步骤3b，收发两端的采样率同步，使得接收端采样频率与发送端的相同；步骤3c，载波频偏补偿后的剩余相位误差跟踪与补偿；步骤4，解映射：将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；步骤5，解交织：将数据恢复到交织前状态；步骤6，Viterbi译码：纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；步骤7，解扰：恢复出加扰前的数据信号；步骤8，无关信号剔除：识别与去除所接收信号中的无关信号，并保留雷达所用信号；步骤9，再编码，生成WiFi外辐射源雷达所需要的纯净的参考信号，并对物理层数据帧进行副峰抑制。进一步的，所述步骤1a中采用延迟自相关的算法进行帧检测，具体实现方式如下，令接收端的第n个采样值为rn，则其延时相关变量Cn可以表示如下：上式表示当前接收通道接收到的L个信号数据和D个时刻之前接收到的L个信号数据的共轭进行的互相关计算，即延迟自相关；同时，为了归一化计算，接收信号的能量值表示为从而，得该算法的判决变量mn为：对上式进行峰值检测，从而实现WiFi信号的帧检测。进一步的，步骤1b中采用基于训练序列的时域载波同步算法进行载波同步，具体实现方式如下，设发送信号为xn，在雷达参考通道接收到的信号为：其中，ftx和frx分别为发送和接收的载波频率，TS为数据采样周期；周期重复信号的延时自相关累加和为：其中，L为OFDM的符号长度，D为以采样点个数表示的训练序列的延时。若没有载波频率偏差，上式的值将为一实数值；若存在载波频偏，即上式中ftx≠frx，则根据上式计算出的值，因D与Ts已知，故进一步计算出载波频率偏差ftx-frx，根据该载波频偏，在接收端将接收数据乘以该载波频偏的共轭进行补偿，抵消频偏，使得接收端载波与发送端载波相同，从而实现收发双方的载波同步。进一步的，步骤1c中采用基于训练符号的符号定时同步算法进行符号同步，具体实现方式如下，将载波频率同步中输出的数据信号rn与本地已知的训练序列符号的共轭值Sm*进行乘累加计算，即可得到互相关值：上式中，相关数据长度L的大小决定了符号定时同步算法的效果，这里L的值取32，对互相关值Ck进行峰值检测，当检测到Ck最大值，此时的rk则为符号的起点。进一步的，步骤2a中采用基于WiFi信号帧中长训练序列进行频域信道估计与频域信道均衡，方法如下所示：RRLS＝(R1LS+R2LS)/2其中，R1LS和R2LS分别表示接收到的两个长训练序列符号；为无线信道的频率响应估算值；R表示接收端接收到的数据符号；表示经过信道均衡后的数据符号。进一步的，步骤2b中采用基于导频信号的采样频率同步算法，具体实现方式如下，当存在采样周期偏差ΔTs时：R′k＝Rk/Sk上式中，k表示子载波，δ表示采样周期偏差带来的干扰，N表示子载波个数，等于每个符号的采样个数，j是指的复数，Sk表示导频信号，Rk表示接收信号，R′k表示利用相位修正后的修正信号；计算两个导频位置上的修正信号复共轭乘积：其中k1和k2分别表示导频所在的第k1和k2个子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，时域同步，包括以下子步骤，/n步骤1a，帧检测：确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；/n步骤1b，载波频率同步：对WiFi信号发送端的载波频率与外辐射源雷达的本地载波频率进行匹配；/n步骤1c，符号同步：确定OFDM数据符号的起始位置；/n步骤2，对时域同步输出数据进行快速傅里叶变换运算，将时域信号变为频域信号；/n步骤3，频域同步，包括以下子步骤，/n步骤3a，信道估计与均衡，消除无线传输信道的影响；/n步骤3b，收发两端的采样率同步，使得接收端采样频率与发送端的相同；/n步骤3c，载波频偏补偿后的剩余相位误差跟踪与补偿；/n步骤4，解映射：将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；/n步骤5，解交织：将数据恢复到交织前状态；/n步骤6，Viterbi译码：纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；/n步骤7，解扰：恢复出加扰前的数据信号；/n步骤8，无关信号剔除：识别与去除所接收信号中的无关信号，并保留雷达所用信号；/n步骤9，再编码，生成WiFi外辐射源雷达所需要的纯净的参考信号，并对物理层数据帧进行副峰抑制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，时域同步，包括以下子步骤，
步骤1a，帧检测：确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；
步骤1b，载波频率同步：对WiFi信号发送端的载波频率与外辐射源雷达的本地载波频率进行匹配；
步骤1c，符号同步：确定OFDM数据符号的起始位置；
步骤2，对时域同步输出数据进行快速傅里叶变换运算，将时域信号变为频域信号；
步骤3，频域同步，包括以下子步骤，
步骤3a，信道估计与均衡，消除无线传输信道的影响；
步骤3b，收发两端的采样率同步，使得接收端采样频率与发送端的相同；
步骤3c，载波频偏补偿后的剩余相位误差跟踪与补偿；
步骤4，解映射：将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；
步骤5，解交织：将数据恢复到交织前状态；
步骤6，Viterbi译码：纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；
步骤7，解扰：恢复出加扰前的数据信号；
步骤8，无关信号剔除：识别与去除所接收信号中的无关信号，并保留雷达所用信号；
步骤9，再编码，生成WiFi外辐射源雷达所需要的纯净的参考信号，并对物理层数据帧进行副峰抑制。


2.如权利要求1所述的一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于：所述步骤1a中采用延迟自相关的算法进行帧检测，具体实现方式如下，
令接收端的第n个采样值为rn，则其延时相关变量Cn可以表示如下：



上式表示当前接收通道接收到的L个信号数据和D个时刻之前接收到的L个信号数据的共轭进行的互相关计算，即延迟自相关；
同时，为了归一化计算，接收信号的能量值表示为



从而，得该算法的判决变量mn为：



对上式进行峰值检测，从而实现WiFi信号的帧检测。


3.如权利要求1所述的一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于：步骤1b中采用基于训练序列的时域载波同步算法进行载波同步，具体实现方式如下，
设发送信号为xn，在雷达参考通道接收到的信号为：



其中，ftx和frx分别为发送和接收的载波频率，TS为数据采样周期；
周期重复信号的延时自相关累加和为：



其中，L为OFDM的符号长度，D为以采样点个数表示的训练序列的延时；
若没有载波频率偏差，上式的值将为一实数值；若存在载波频偏，即上式中ftx≠frx，则根据上式计算出的值，因D与Ts已知，故进一步计算出载波频率偏差ftx-frx，根据该载波频偏，在接收端将接收数据乘以该载波频偏的共轭进行补偿，抵消频偏，使得接收端载波与发送端载波相同，从而实现收发双方的载波同步。


4.如权利要求1所述的一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于：步骤1c中采用基于训练符号的符号定时同步算法进行符号同步，具体实现方式如下，
将载波频率同步中输出的数据信号rn与本地已知的训练序列符号的共轭值Sm*进行乘累加计算，即可得到互相关值：



上式中，相关数据长度L的大小决定了符号定时同步算法的效果，这里L的值取32，对互相关值Ck进行峰值检测，当检测到Ck最大值，此时的rk则为符号的起点。


5.如权利要求1所述的一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，其特征在于：步骤2a中采用基于WiFi信号帧中长训练序列进行频域信道估计与频域信道均衡，方法如下所示：
RRLS=(R1LS-R2LS)/2






其中，R1LS和R2LS分别表示接收到的两个长训练序列符号；为无线信道的频率响应估算值；R表示接收端接收到的数据符号；表示经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶云华，严于迪，周健康，聂文洋，潘登，
申请(专利权)人：武汉大学苏州研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32