CN110535559B - 一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法，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。

Description

一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法和系统
技术领域
本发明属于无源雷达技术领域和通信技术领域，尤其是涉及到雷达接收信号存在多径效应和噪声时，本发明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。
背景技术
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，本发明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。
发明内容
本发明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：
Figure BDA0002153913540000031
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
Figure BDA0002153913540000032
从而，得该算法的判决变量mn为：
Figure BDA0002153913540000033
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：
Figure BDA0002153913540000034
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：
Figure BDA0002153913540000035
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
Figure BDA0002153913540000036
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：
Figure BDA0002153913540000041
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
Figure BDA0002153913540000042
Figure BDA0002153913540000043
其中，R1LS和R2LS分别表示接收到的两个长训练序列符号；
Figure BDA0002153913540000044
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；
Figure BDA0002153913540000045
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：
Figure BDA0002153913540000046
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：
Figure BDA0002153913540000047
其中k1和k2分别表示导频所在的第k1和k2个子载波，δ′为两个导频子载波δ之差，根据上述Rpf的相位
Figure BDA0002153913540000048
得到周期偏差估计值，
Figure BDA0002153913540000049
δ′是均值为0的干扰，故E[δ′]＝0，从而得到周期偏差估计值为：
Figure BDA0002153913540000051
周期偏差ΔTs的倒数即为采样频率偏差Δfs＝1/ΔTs。得到周期偏差的估计值以后，通过内插纠正接收通道信号，从而实现采样率同步。
进一步的，步骤3中采用基于数据辅助算法的相位跟踪算法，具体实现方式如下，
设Ra，b表示接收到的第a个数据符号中的第b个导频信号，Pb为本地已知的导频信号，经过FFT处理后，接收到的导频信号Ra，b就等于信道频域响应H与本地已知导频信号Pb的乘积和残余频率误差作用以后的结果：
Ra，b＝HPbej2πaΔf
上式中，Δf表示经过载波频率同步后残余的频率偏差，则相位估算可简化为：
Figure BDA0002153913540000052
所以，相位跟踪的补偿因子为：
Figure BDA0002153913540000053
从而，依据以下公式对接收信号ra进行相位跟踪补偿后得到的信号
Figure BDA0002153913540000054
为：
Figure BDA0002153913540000055
进一步的，步骤8中通过地址域来区分不同来源的数据，地址域的Address 2字段为发送该帧数据的路由器MAC地址，通过该字段进行数据来源识别；若地址Address 2与所用来探测的路由器MAC地址一致时，则保留该帧数据并继续进入再调制步骤恢复生成路由器的原始发送信号，否则，将该帧数据置零，从而使得重构后参考信号只保留来自主路由器的数据，而滤掉其他来源的信号。
进一步的，步骤9中通过将物理层数据帧的循环前缀和训练符号部分置零来实现副峰抑制。
本发明还提供一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现系统，包括如下模块：
时域同步模块，该模块包括以下子模块，
帧检测子模块，用于确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；
载波频率同步子模块，用于对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；
符号同步子模块，用于确定OFDM数据符号的起始位置；
FFT模块，用于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；
频域同步模块，该模块包括以下子模块，
信道估计与均衡子模块，用于消除无线传输信道的影响；
采样率同步子模块，用于使得接收端采样频率与发送端的相同；
相位误差跟踪子模块，用于对载波频偏补偿后的剩余相位进行误差跟踪与补偿；
解映射模块，用于将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；
解交织模块，用于将数据恢复到交织前状态；
Viterbi译码模块，用于纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；
解扰模块，用于恢复出加扰前的数据信号；
无关信号剔除模块，用于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；
再编码模块，用于生成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。
由上述整个WiFi外辐射源雷达参考信号重构的过程可以知道，信号从采集到的原始WiFi信号到可以利用质量较高的重构信号，经过了多个处理步骤，整个数据流前一步的处理效果直接影响下一步乃至后续整个信号处理过程。同时，通过重构这种方法，不仅可以获取纯净的直达波参考信号，还可以在此过程中对参考信号进行修正，从而克服WiFi信号本身的缺陷对WiFi外辐射源雷达对目标探测的影响。本发明的创新点在于：基于FPGA实现了WiFi外辐射源雷达参考信号的实时重构，并且提出了基于WiFi信号结构的无关信号识别与剔除方法。本发明可以提升WiFi外辐射源雷达参考信号的重构速度，增强雷达进行探测的实时性，促进WiFi外辐射源雷达系统的体积小型化和实用化。
附图说明
图1：是本发明实施例的总体设计方案框图；
图2：是帧检测模块的FPGA实现结构框图；
图3：是载波同步模块的FPGA实现框图；
图4：是符号同步模块的FPGA实现框图；
图5：是信道估计与均衡模块的FPGA实现结构框图；
图6：是采样频率同步模块的FPGA实现结构框图；
图7：是相位跟踪模块的FPGA实现结构框图；
图8：是解映射模块的FPGA实现结构框图；
图9：是解扰器实现结构图；
图10：是解扰处理流程图；
图11：是再编码模块处理框图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实现示例对本发明主要模块内部的设计实现作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实现示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
步骤1，时域同步。由于WiFi无线通信是突发分组模式，接收端为了准确接收到数据，必须知道数据帧和符号的起始位置，并且要保证收发两端的载波频率和采样频率相同，因此，需要进行同步，同步具有时域和频域两种方式。WiFi外辐射源雷达参考通道的基带数字信号首先需要完成时间同步，包括帧检测、载波同步以及符号同步，从而确定符号的起止时刻，完成时域同步的处理。
步骤1a、帧检测，确定WiFi信号的帧起始位置：
对于WiFi外辐射源雷达系统来说，WiFi信号帧何时到来并不知道。帧检测是进行WiFi外辐射源雷达参考信号重构的第一个步骤，主要完成确定WiFi信号的帧起始位置的工作，检测无线局域网络在突发分组模式下的传输信道上是否有新一帧的数据信号到达。帧检测的算法好坏直接影响到后续WiFi外辐射源雷达的参考信号重构工作。帧检测常用算法有接收信号能量检测、双滑动窗口帧检测和延迟自相关算法等。比较上述几种帧检测算法，简单接收能量检测最简单也最容易实现，但缺点很明显，就是容易受到噪声、信道等不确定因素的影响，并且判决阈值很不容易确定；双滑动窗口帧检测算法是通过计算两个滑动窗口的比值从而判断是否有信号帧到来，与简单的接收信号能量检测，双滑动窗口算法的检测性能要更好，可以看做是接收信号能量检测的升级版；延迟自相关帧检测算法是利用WiFi信号帧结构中的前导码，根据短训练序列的重复符号进行帧检测。
同接收信号能量检测以及双滑动窗口检测算法相比，延迟自相关的帧检测算法充分利用了WiFi信号帧结构中的前导码短训练序列，这种检测方式不容易受到外界不良因素的影响，具有更好的性能以及更高的可靠性。基于上述分析，本发明参考信号重构的帧检测采用延迟自相关的算法。
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：
Figure BDA0002153913540000081
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，接收信号的能量值可以表示为
Figure BDA0002153913540000082
从而，得该算法的判决变量mn为：
Figure BDA0002153913540000083
对上式进行峰值检测，从而实现WiFi信号的帧检测。
参考信号重构帧检测模块的FPGA实现结构框图如图2所示，主要包括数据缓存、延迟相关、相关窗口、主控制和帧搜索五个子模块的内容。
延时相关能量计算模块主要完成对缓存模块的输出值进行延迟相关计算。相关窗口能量计算模块主要是为了使信号帧检测的判决变量和接收信号能量相互独立。帧搜索模块主要完成对接收信号的帧起始和结束位置的大致确定。主控制模块主要控制缓存模块对一组信号帧的数据进行缓存。
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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：
由于多普勒效应的存在，以及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不匹配，会产生载波频率偏差。这种频率偏差的出现会影响各个子载波的相互正交性，导致后续的解调工作出现错误。因此WiFi外辐射源雷达参考信号的重构工作，需要比较精确的载波同步。为了能够实现较为精确的载波同步，通常同步过程分为粗同步和精同步两部分。粗同步主要将传输过程中出现的载波频率偏差控制到一个相对较小的范围内，精同步将参数的误差进一步缩小，从而获得较好的估计精度，完成载波同步。
通常来讲，估计载波频率偏差的算法主要可分为数据辅助、非数据辅助、基于循环前缀等类型。本发明设计实现的参考信号重构，是基于IEEE 802.11系列标准的，在WiFi信号的帧结构中就有可以用于载波同步的训练序列，因此上述第一种算法最适用本实施例的参考信号重构。
根据实现方式的不同，基于数据辅助算法又可分为基于训练序列的时域载波同步和频域载波同步。时域载波同步算法需要注意FFT处理出现的延时。同时，基于训练序列的频域载波同步需要更大的计算量，比时域载波同步更复杂。综上分析，载波同步采用基于训练序列的时域载波同步算法。下面介绍基于训练序列的时域载波同步算法原理。
设发送信号为xn，在雷达参考通道接收到的信号为：
Figure BDA0002153913540000091
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：
Figure BDA0002153913540000092
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。
没有载波频率偏差时，上式的值将为一实数值。若存在载波频偏，即上式中ftx≠frx，则可以根据上式计算出
Figure BDA0002153913540000093
的值，因D与Ts已知，故可进一步计算出载波频率偏差ftx-frx，根据该载波频偏则可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。
载波同步的FPGA实现框图如图3所示，主要包括数据分流、数据缓存、载波频偏估计、载波频偏补偿和数据联合输出五个子模块的内容。
信号数据在载波同步模块内部的处理过程是：数据分流子模块先将信号帧中的前5个短训练序列符号送入载波频偏估计子模块，同时把信号帧结构中的短训练序列送入数据缓存子模块，保证信号的短训练序列符号与补偿后的长训练序列符号以及后边的信号数据能够连续输出。
另一边，数据分流子模块将长训练序列符号以及数据符号送入频偏补偿子模块。接下来，载波频偏估计子模块对载波频偏进行估计运算。然后载波频偏补偿子模块根据相关估计值，计算得到所有采样信号的补偿因子，并对输入的长训练序列符号以及数据符号根据补偿因子进行频偏补偿操作。
最后一步是数据联合输出子模块按照WiFi信号帧格式，将数据分流输出送入的短训练序列符号和进行载波频偏补偿操作后的长训练序列符号以及数据符号组合成完整信号帧进行输出。
步骤1c，符号同步，确定OFDM数据符号的起始位置：
前述基于延迟自相关的帧检测模块只能对WiFi信号帧的起始位置做一个简单的粗略估算，而准确的符号起始位置确定则要由符号同步来完成。符号定时同步的任务就是完成确定OFDM数据符号的起始位置。基于已知的信号帧前导结构，WiFi外辐射源雷达参考信号重构的符号定时同步可以选用基于训练符号的符号定时同步算法，原理如下。
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：
Figure BDA0002153913540000101
上式中，相关系数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。
基于上述分析，本符号同步模块的FPGA实现框图如图4所示，主要为量化、匹配滤波和符号输出三个子模块的内容。
信号数据在符号同步内部的处理流程为：由于复数乘法比较占用FPGA硬件资源，为了降低运算复杂度要通过量化器对接收的数据信号进行量化。量化后的数据信号接下来进入到匹配滤波子模块进行处理。匹配滤波子模块主要利用本地已知的短训练序列符号进行一系列的运算处理从而确定短训练序列符号的结束位置。符号输出子模块，主要完成去长训练序列符号以及数据段符号的输出工作。
步骤2，快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform FFT)。WiFi外辐射源雷达要完成参考信号重构工作，需要对时域同步后的接收数据进行FFT运算，将时域信号变为频域信号，再进行后续频域同步等处理。
步骤3，频域同步。接收端所接收的数据经时域同步后还需进行频域同步以便进行数据解调，频域同步主要包含信道估计与均衡、采样频率同步以及剩余相位跟踪，其主要目的分别是为了消除传输过程中信道影响、收发双方的整数倍采样率补偿和分数倍采样率补偿。
步骤3a，信道估计与均衡，主要是为了消除无线传输信道的影响：
无线通信传输的信道复杂多样，不能直接对物理层数字信号进行传输，通常会采用一定的调制技术。在发送端，根据数字信号的变化改变载波的相关参量，实现映射的过程。在接收端会进行相对应的解映射工作，从而恢复出载波携带的数据信号。
WiFi信号多应用在室内环境中，由于多径效应的存在，频率会出现选择性衰落的现象。信道估计的目的是为了辨识出信道的时域或频域传输特性，从而对接收端获取的数据信号进行相关的校正和恢复工作。根据处理域来划分，可以分为时域估计处理和频域估计处理两种。以OFDM为核心技术的WiFi信号更适合在频域上进行信道估计与均衡的工作。
基于IEEE 802.11g标准的WiFi信号，其物理层帧结构中长训练序列可以帮助完成子载波的信道估计工作，基于WiFi信号帧中长训练序列进行的频域信道估计与频域信道均衡方法如下所示：
RRLS＝(R1LS+R2LS)/2
Figure BDA0002153913540000111
Figure BDA0002153913540000112
其中，R1LS和R2LS分别表示接收到的两个长训练序列符号；
Figure BDA0002153913540000113
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；
Figure BDA0002153913540000114
表示经过信道均衡后的数据符号。
基于上述分析，信道估计与均衡模块的FPGA实现结构框图如图5所示，主要包括长训练符号提取、信道估计、信道均衡、能量计算四个子模块的内容。
输入信号数据在信道估计与均衡模块内部的处理过程是：输入数据先到达长训练符号提取子模块，对提取出的这两个长训练序列符号求平均值。能量计算子模块主要完成对传输信道引起的幅值变化的估算，以便后续解调模块调整星座图判断值。信道估计子模块利用长训练符号提取子模块输出送入的长训练符号平均值，与本地标准长训练序列符号进行运算，获取信道频率响应的估算值。最后的信道均衡子模块对接收到的数据信号帧进行信道补偿操作，从而完成信道估计均衡的工作。
步骤3b，采样频率同步，主要目的是使得接收端采样频率与发送端的相同，否则将会使得对接收数据进行FFT后的子载波不能保持正交，导致各子载波信号互相干扰，影响解调：
OFDM符号调制需要需要通过数/模转换器(DAC)将数据分量转化为时域连续波形，而OFDM符号的解调需要模/数转换器(ADC)将连续模拟信号采样转化为数字信号。但是WiFi外辐射源雷达的ADC的晶振和WiFi信号发送端路由器的DAC的晶振不可能完全相同，导致采样间隔出现偏差，从而对重构工作带来严重不良影响。采样频率偏差会使得接收端无法在信号峰值处采样而引起信噪比损失；同时还会导致OFDM符号的相位旋转。因此，采样频率同步的重要性与载波频率同步一样，对参考信号的重构工作而言尤为重要。
采样频率同步主要有两种方法，一种是在时域调整采样时钟频率，但这需要增加压控振荡器，增加硬件成本；另一种是在频域进行校正，采用内插法，利用导频信号在频域对数据信号进行估计和补偿。这里采用基于导频信号的采样频率同步算法。
当存在采样周期偏差ΔTs时：
Figure BDA0002153913540000121
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：
Figure BDA0002153913540000122
其中k1和k2分别表示导频所在的第k1和k2个子载波，δ′为两个导频子载波δ之差。根据上述Rpf的相位
Figure BDA0002153913540000123
可以得到周期偏差估计值。
Figure BDA0002153913540000124
δ′是均值为0的干扰，故E[δ′]＝0，从而可得周期偏差估计值为：
Figure BDA0002153913540000125
周期偏差ΔTs的倒数即为采样频率偏差Δfs＝1/ΔTs，得到周期偏差的估计值以后，可通过内插的办法纠正接收通道信号，从而实现采样率同步。
基于上述分析，采样频率同步模块的FPGA实现结构框图如图6所示，主要包括导频提取、数据缓存、导频相关、频偏估计和频偏补偿五个部分的内容。
输入数据在采样频率同步模块内部的处理过程是：导频提取子模块将导频信号提取出来，并将其送入导频相关子模块。随后，导频相关子模块会利用本地已知的导频信号进行相关处理。接下来，频偏估计子模块会利用复数导频信号的相位估计值，获取采样频偏校正的所需信息。然后，频偏补偿子模块根据频偏估计值获取采样补偿因子。最后，将数据缓存子模块的数据按照补偿因子执行相关频率补偿操作。
步骤3c，载波频偏补偿后的剩余相位误差跟踪：
经过载波频率同步后，频率校正仍有着一定的残余误差。这些误差会引起接星座图的旋转。因此，要进行剩余相位跟踪处理。通常来讲，剩余相位跟踪的算法有数据辅助算法和非数据辅助算法两种。基于IEEE 802.11g标准的WiFi信号带有预先知道的导频信号，因此WiFi外辐射源雷达参考信号重构的剩余相位跟踪处理采用数据辅助算法。
基于数据辅助算法的相位跟踪算法如下，设Ra，b表示接收到的第a个数据符号中的第b个导频信号，Pb为本地已知的导频信号。经过FFT处理后，接收到的导频信号Ra，b就等于信道频域响应H与本地已知导频信号Pb的乘积和残余频率误差作用以后的结果：
Ra，b＝HPbej2πaΔf
上式中，Δf表示经过载波频率同步后残余的频率偏差，则相位估算可简化为：
Figure BDA0002153913540000131
所以，相位跟踪的补偿因子为：
Figure BDA0002153913540000132
从而，依据以下公式对接收信号ra进行相位跟踪补偿后得到的信号
Figure BDA0002153913540000133
为：
Figure BDA0002153913540000134
基于上述分析，相位跟踪模块的FPGA实现结构框图如图7所示，主要包括导频提取、数据缓存、相位跟踪、剩余相位补偿四个部分的内容。
数据在相位跟踪模块的处理过程为：以OFDM符号的长度为单位进入数据缓存子模块，同时提取已知位置上导频信号。将提取的导频信号送入相位跟踪补偿因子计算模块计算获取补偿因子。随后剩余相位补偿子模块执行补偿操作。
步骤4，解映射，从而将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据：
数据信息为了能够在无线信道中进行通信传输，无线局域网的路由器发射端会对数据进行调制，将数字信号转换成模拟信号。而要完成参考信号重构工作，需要先进行解调恢复出传输的数据。解映射过程中，根据相关判决阈值，分别对I、Q两路数据进行解调，从而得到相关码元数据。
物理层帧结构中Signal信号段内包含了帧结构后续部分Data数据段的调制类型和编码速率，并且Signal信号段是采用可靠性最高的BPSK调制方式。这里可以先对Signal信号段内容进行解映射操作，获取后续Data数据段的相关信息。根据Signal信号段内的信息进行判断，进而决定后续采用哪种解映射方式。基于上述分析，解映射模块的FPGA实现结构框图如图8所示，主要包括信号段提取、判决阈值调整、数据缓存和解映射四个部分的内容。
其中，判决阈值调整子模块会根据均衡能量值，对解映射星座图的判决阈值进行相应的调整，将调整值放入数据缓存子模块内部。信号段提取子模块会对Signal信号段进行解码操作，包括解映射、解交织等，获取Signal信号段内携带的调制类型以及编码效率等信息，并送入解映射子模块。解映射子模块内部包含四种解映射处理模块，分别是BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。解映射子模块根据信号段提取子模块获取的信息，选择相应的解调方式进行解调。
步骤5，解交织：
为了使数据信号在信道传输时出现的突发错误在时间上得以扩散，IEEE 802.11g标准规定要对数据信号进行交织操作，从而译码器可以将这些错误按照随机错误处理掉。
交织器共进行了两次置换交织，第一次是为了保证相邻的编码比特无法映射到相邻的子载波上，第二次是为保证相邻的编码比特被交替映射到对应的星座图高低有效位。解交织过程同样共有两级，以BPSK方式调制的Signal信号段只涉及第一级解交织过程，Data信号段则根据调制方式的不同，会有两级解交织的过程。
步骤6，Viterbi译码：
为了保证WiFi信号的传输可靠性，要在路由器发射端进行信道编码操作。与之相对应，WiFi外辐射源雷达的参考信号重构，要使用Viterbi译码算法进行相关译码操作。Viterbi译码算法本质上是最大似然译码，基本思想就是根据信道编码网格图，利用接收到的信息得到最接近编码码字的译码方式。这里Viterbi译码模块直接利用相关IP核进行FPGA实现。
步骤7，解扰：
在无线局域网通信中，如果出现长串的“0”或者“1”符号序列，将会严重影响后续处理过程中的同步处理。因此，为避免出现这种对定时同步的不良影响，在路由器发射端会对符号序列进行加扰操作。加扰就是对待发送信号进行扰乱，改变待发送信号的统计特性。与之相对应，本发明的参考信号重构需要进行解扰操作，这样才能恢复出介质访问层的数据信号。如图9所示为解扰器结构图，实质是一个7位反馈移位寄存器。数据输入为二进制比特流x，数据输出比特为输入数据比特x和解扰器中第4位和第7位三个数值进行异或得出。每输出一个比特位，7位寄存器中数据位左移，输入比特移至寄存器第1位，寄存器第1位移至第2位，以此类推，第7位移出。7位寄存器可以设置初始值，802.11解扰器初值设为1101100，对输入的数据比特进行解扰。
在IEEE 802.11g标准中，解扰器与加扰器相同，对需要加扰与解扰的数据x都利用如下生成多项式进行：
S(x)＝x7+x4+1
如图10所示为解扰模块的处理流程图。Signal信号段不进行加扰操作，所以在进行解扰操作时要只对Data数据段进行解扰操作。
如图10所示，当数据输入时，首先判断是否为一帧新数据，如果是则初始化寄存器，对寄存器清零以准备进行解扰。若不是新帧，则首先判断是否为数据段，如果不是，则对后续数据继续进行判断。如果是数据段，则继续判断是否前7个数据，如果是则开始初始化解扰器，即设置7位移位寄存器的初始值。若不是7个数据，则开始解扰，没输入1位数据就会得到1位解扰后的输出数据。
步骤8，无关信号剔除，主要目的是为了从接收到的多个WiFi信号中去除无关信号而保留WiFi外辐射源雷达所需要使用的主信号源。
由于实际环境中，可能存在多个WiFi路由器而发射多个WiFi信号。对于WiFi外辐射源雷达来说，除了主信号源，其他的WiFi信号源都会对目标探测造成干扰，带来类似目标“ghost”问题，因此，需要识别并剔除无关信号。但该干扰与其它干扰信号不同，无法采用常用的方法进行抑制，即在物理层解调后也无法对不同来源的数据包进行区分。
本发明通过对所接收信号解调后(即经过步骤1-7的处理后)所得到的物理层帧的PSDU域，即MAC层帧，进行分析后，发现数据来源不同，其MAC层帧头的地址域也不同，故可通过地址域来区分不同来源的数据。而地址域的Address 2字段为发送该帧数据的路由器MAC地址，故可通过该字段进行数据来源识别。
因此，当WiFi外辐射源雷达参考通道对接收信号解调后即可对数据包来源进行识别，若地址Address 2与所用来探测的路由器MAC地址一致时，则保留该帧数据并继续进入再调制步骤恢复生成路由器的原始发送信号，否则，将该帧数据置零，从而使得重构后参考信号只保留来自主路由器的数据，而滤掉其他来源的信号。
步骤9，再编码，其目的有两个，一是通过WiFi物理层编码生成所需要的纯净参考信号，另一个目的就是在物理层编码完成后，再将部分字段置零来实现副峰抑制：
(1)对步骤8中输出的比特数据，进行再编码，从而生成WiFi外辐射源雷达所需要的纯净的参考信号。再编码过程主要包括加扰、信道编码、交织和映射等过程，如图11所示为再编码模块的信号处理框图。
整个再编码模块的信号处理主要分为三个部分，分别为Signal信号段生成模块、Data数据段生成模块和信号帧整合。首先是Signal信号段的生成。Signal信号段无需加扰操作，这里首先根据Signal信号的比特信息，进行编码和交织操作，得到相应的比特信息。然后进行BPSK映射并插入导频，得到Signal信号段的频域表示值。随后将Signal信号段的频域值进行快速傅里叶逆变换处理，插入循环前缀，从而得到Signal信号段的时域表示值。
Data数据段的生成过程和Signal信号段的生成过程类似，同样需要经过编码、交织、映射、插入导频、快速傅里叶逆变换处理以及插入循环前缀等处理过程。与Signal信号段不同的是，Data数据段的生成过程还要加入对数据信号进行加扰的处理。经过上述处理过程，可以将前述同步、信道估计与均衡、解码等处理过程获取的WiFi信号帧携带的比特流信息，再编码得到Data数据段的时域表示值。
最后是信号帧整合处理。前面两个处理模块已经生成了Signal信号段的时域表示值和Data数据段的时域表示值，但这并不是完整的WiFi信号帧。这里，需要生成完整的WiFi信号帧。将本地已知的短训练序列、长训练序列和生成的Signal信号段的时域表示值以及Data数据段的时域表示值整合在一起，组成完整的WiFi信号帧。至此，再编码模块的信号处理便已全部完成。由此便可以得到较为纯净的WiFi外辐射源雷达参考信号。
(2)副峰抑制：主要目的是为了破坏参考信号的相关性，抑制副峰，使其更适合用于雷达探测。具体为将(1)所得到的物理层数据帧的循环前缀和训练符号部分置零即可。
本发明实施例还提供一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现系统，包括如下模块：
时域同步模块，该模块包括以下子模块，
帧检测子模块，用于确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；
载波频率同步子模块，用于对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；
符号同步子模块，用于确定OFDM数据符号的起始位置；
FFT模块，用于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；
频域同步模块，该模块包括以下子模块，
信道估计与均衡子模块，用于消除无线传输信道的影响；
采样率同步子模块，用于使得接收端采样频率与发送端的相同；
相位误差跟踪子模块，用于对载波频偏补偿后的剩余相位进行误差跟踪与补偿；
解映射模块，用于将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；
解交织模块，用于将数据恢复到交织前状态；
Viterbi译码模块，用于纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；
解扰模块，用于恢复出加扰前的数据信号；
无关信号剔除模块，用于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；
再编码模块，用于生成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。
各模块及子模块的具体实现和各步骤相应，本发明不予撰述。
应当理解的是，上述针对实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

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3b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：
Figure FDA0003380185440000011
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：
Figure FDA0003380185440000012
其中k1和k2分别表示导频所在的第k1和k2个子载波，δ′为两个导频子载波δ之差，根据上述Rpf的相位
Figure FDA0003380185440000013
得到周期偏差估计值，
Figure FDA0003380185440000014
δ′是均值为0的干扰，故E[δ′]＝0，从而得到周期偏差估计值为：
Figure FDA0003380185440000021
周期偏差ΔTs的倒数即为采样频率偏差Δfs＝1/ΔTs，得到周期偏差的估计值以后，通过内插纠正接收通道信号，从而实现采样率同步；
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：
Figure FDA0003380185440000022
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
Figure FDA0003380185440000023
从而，得该算法的判决变量mn为：
Figure FDA0003380185440000024
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：
Figure FDA0003380185440000025
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：
Figure FDA0003380185440000031
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
Figure FDA0003380185440000032
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：
Figure FDA0003380185440000033
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3a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
Figure FDA0003380185440000034
Figure FDA0003380185440000035
其中，R1LS和R2LS分别表示接收到的两个长训练序列符号；
Figure FDA0003380185440000036
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；
Figure FDA0003380185440000037
表示经过信道均衡后的数据符号。
6.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3c中采用基于数据辅助算法的相位跟踪算法，具体实现方式如下，
设Ra,b表示接收到的第a个数据符号中的第b个导频信号，Pb为本地已知的导频信号，经过FFT处理后，接收到的导频信号Ra,b就等于信道频域响应H与本地已知导频信号Pb的乘积和残余频率误差作用以后的结果：
Ra,b＝HPbej2πaΔf
上式中，Δf表示经过载波频率同步后残余的频率偏差，则相位估算可简化为：
Figure FDA0003380185440000041
所以，相位跟踪的补偿因子为：
Figure FDA0003380185440000042
从而，依据以下公式对接收信号ra进行相位跟踪补偿后得到的信号
Figure FDA0003380185440000043
为：
Figure FDA0003380185440000044
7.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8中通过地址域来区分不同来源的数据，地址域的Address 2字段为发送该帧数据的路由器MAC地址，通过该字段进行数据来源识别；若地址Address 2与所用来探测的路由器MAC地址一致时，则保留该帧数据并继续进入再调制步骤恢复生成路由器的原始发送信号，否则，将该帧数据置零，从而使得重构后参考信号只保留来自主路由器的数据，而滤掉其他来源的信号。
8.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9中通过将物理层数据帧的循环前缀和训练符号部分置零来实现副峰抑制。
9.一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-8任一权利要求所述的一种WiFi外辐射源雷达参考信号重构实现方法， 包括如下模块：
时域同步模块，该模块包括以下子模块，
帧检测子模块，用于确定雷达参考通道所接收WiFi信号的帧起始位置；
载波频率同步子模块，用于对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；
符号同步子模块，用于确定OFDM数据符号的起始位置；
FFT模块，用于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；
频域同步模块，该模块包括以下子模块，
信道估计与均衡子模块，用于消除无线传输信道的影响；
采样率同步子模块，用于使得接收端采样频率与发送端的相同；
相位误差跟踪子模块，用于对载波频偏补偿后的剩余相位进行误差跟踪与补偿；
解映射模块，用于将接收到的二进制数据恢复出原始信源数据；
解交织模块，用于将数据恢复到交织前状态；
Viterbi译码模块，用于纠正传输过程中发生错误的比特数据，即纠错；
解扰模块，用于恢复出加扰前的数据信号；
无关信号剔除模块，用于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；
再编码模块，用于生成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。
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