王亞飛 楊繼何

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

1 引言

通信對抗目標(biāo)是指遂行通信對抗任務(wù)所要干擾、壓制或欺騙的目標(biāo)。對于通信對抗目標(biāo)的識別,早期的方法是由操作員通過信號的時域波形、頻譜和音響特點(diǎn)等信息進(jìn)行判斷。這種識別方式包含了人的主觀因素在內(nèi),并且可識別的信號類型有限。當(dāng)前對于通信對抗目標(biāo)的識別正在逐步采用計算機(jī)自動識別技術(shù),它不僅可以克服人工識別所遇到的各種困難,而且對噪聲和誤差等干擾因素也有很強(qiáng)的魯棒性。但是,實(shí)現(xiàn)自動識別的前提條件是有一個完備的通信對抗目標(biāo)特征信息庫。而設(shè)計特征信息庫所面臨的首要問題,就是通信對抗目標(biāo)有哪些可用于識別的特征信息。因此,通過系統(tǒng)地分析通信對抗目標(biāo)特征的內(nèi)容,可以為通信對抗目標(biāo)特征信息庫的設(shè)計實(shí)現(xiàn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ),同時為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動識別提供數(shù)據(jù)支持。

2 通信對抗目標(biāo)信號特征的產(chǎn)生機(jī)理

在通信中,為有效傳遞信源產(chǎn)生的原始基帶信號,發(fā)射設(shè)備通常要對其進(jìn)行多種處理。這些處理包括:進(jìn)行模擬或數(shù)字調(diào)制,使通信信號形成了調(diào)幅、調(diào)頻等多種信號樣式;進(jìn)行各種變換,如模數(shù)變換、頻率變換等;加入冗余成分,如調(diào)頻中的加重,數(shù)字通信中的糾錯、識別標(biāo)志及同步信號等[1]。這些有意的處理形成了通信信號最基本的特征。此外,通信發(fā)射機(jī)中的振蕩器、放大器等器件中的噪聲以及天線的位移等因素也會對信號造成“污染”,使信號形成各自的特點(diǎn)。因此,偵察接收到的通信信號實(shí)際上已經(jīng)打上了各種“印記”,這些印記中的可檢測物理量就是通信對抗目標(biāo)的信號特征。

然而,通信信號特征的提取并非易事,會面臨種種困難。首先是會受到空間傳播信道和接收機(jī)信道的影響。信號傳播過程中,不同電臺由于傳播信道的不同,衰落不同,使信號附帶不同的信道特征;到了接收端,接收噪聲的影響也會給獲取信號特征帶來麻煩。其次,偵察接收機(jī)有限的采樣頻率和位數(shù)必然對信號的特征造成傷害。因此,通信信號從離開發(fā)射源起,就開始受到各種因素的影響,其特征難免會受到污染,甚至被淹沒[2]。但是,通信信號的種種特征中,或多或少會有一些相對穩(wěn)定的、可用于識別的特征存在。這些特征是識別通信對抗目標(biāo)的基本依據(jù)。

3 通信對抗目標(biāo)信號特征的分類

通信信號的特征可分為信號內(nèi)部特征和外部特征[3]。信號內(nèi)部特征指通信信號所包含的信息內(nèi)容。除了信息內(nèi)容外,通信信號的外部技術(shù)參數(shù)特性稱為信號的外部特征。當(dāng)前,隨著通信加密技術(shù)的提高,要破譯出通信信息內(nèi)容往往需要很長時間,有的甚至在數(shù)十年以上,時效性難以滿足作戰(zhàn)要求。而信號的外部特征是由信號的技術(shù)參數(shù)表現(xiàn)出來的,很多參數(shù)可以用偵察裝備進(jìn)行實(shí)時測量,并且總體上變化較小,因而成為判證目標(biāo)的主要依據(jù)。根據(jù)通信信號技術(shù)參數(shù)的精細(xì)程度和提取測量的難易程度,信號的外部特征又可分為常規(guī)特征和細(xì)微特征。

3.1 常規(guī)特征

通信信號的常規(guī)特征是通信對抗偵察比較容易分析識別和提取測量的技術(shù)參數(shù),依據(jù)常規(guī)特征,可以對通信對抗目標(biāo)的類型進(jìn)行初步判別。各種通信信號共有的常規(guī)特征主要有:1)信號的調(diào)制樣式;2)工作頻率;3)信號帶寬;4)信號的相對電平;等等。

另外,對于不同調(diào)制樣式的信號具有不同的調(diào)制特征,主要有:1)AM 信號的調(diào)幅度;2)FM 信號的調(diào)頻指數(shù);3)數(shù)字信號的碼元速率和碼元寬度;4)FSK信號的碼元過渡特征;等等。

3.2 細(xì)微特征

每部通信電臺由于元器件性能、生產(chǎn)工藝以及安裝調(diào)試等方面的隨機(jī)離散性,必然使其輻射的信號中帶有區(qū)別于其它通信電臺的個體屬性特點(diǎn)[4]。這種能精確反映通信電臺個體特點(diǎn)的技術(shù)特征,被稱為細(xì)微特征。

那么,對于通信信號而言,哪些特征可以作為細(xì)微特征呢?要準(zhǔn)確回答這個問題,必須弄清楚這些特征本身應(yīng)該具有的基本特性。既然細(xì)微特征能夠唯一表征通信電臺個體,那么,該特征應(yīng)該是電臺個體所固有的特征。此外,信號細(xì)微特征要能夠作為分析、研究的對象,還應(yīng)該能夠利用現(xiàn)有的技術(shù)手段從觀測數(shù)據(jù)中被檢測出來。因此,信號特征要作為體現(xiàn)電臺硬件個體差異的細(xì)微特征,歸納起來應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則:

1)普遍性。即信號特征應(yīng)該對于任意個體是普遍存在的,而不是僅僅存在于一部分個體中。

2)唯一性。即對于不同的電臺個體,該特征項(xiàng)的值應(yīng)該各不相同。

3)穩(wěn)定性。特征應(yīng)具有高的穩(wěn)定性,不因時間的推移或環(huán)境的變化而發(fā)生顯著改變,或至少在一個相當(dāng)長的時期內(nèi)僅隨時間緩慢變化。

4)可檢測性。即在較低的信噪比條件下,能利用當(dāng)前的技術(shù)手段從有限的觀測數(shù)據(jù)中檢測分析出來,這樣才具有實(shí)用意義。

從內(nèi)容上來看,通信信號細(xì)微特征包括暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征兩個方面。暫態(tài)特征是電臺在過渡工作狀態(tài)表現(xiàn)出來的細(xì)微特征,如電臺開機(jī)時的變化過程、電臺工作模式的切換過程以及數(shù)字通信設(shè)備中碼字的變換等。穩(wěn)態(tài)特征指電臺處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時體現(xiàn)出來的細(xì)微特征,主要包括電臺的內(nèi)部噪聲和非線性等產(chǎn)生的雜散特性、調(diào)制參數(shù)的個體差異以及頻率源的不穩(wěn)定在信號相關(guān)頻率上的影響等。

4 信號常規(guī)特征分析

描述通信信號常規(guī)特征的技術(shù)參數(shù)較多,這里主要分析頻率、帶寬、電平、調(diào)制樣式以及數(shù)字信號的碼元速率等常規(guī)特征及其提取方法。

4.1 信號頻率

在通信對抗偵察中,信號頻率通常是指載頻頻率,有時也用信號頻譜的中心頻率表示。大多數(shù)信號的載頻頻率和中心頻率是一致的,例如AM信號、DSB信號和寬帶調(diào)頻信號。其中,后兩種信號本身雖不包含載頻(或載頻很小),但其中心頻率與產(chǎn)生這些信號所用的載頻相等。而SSB信號的頻譜不具有對稱性,載頻與中心頻率不一致。

對于頻率的測量,目前常用的方法有兩種,一是用偵察接收機(jī)的工作頻率代替信號頻率。這種測頻方法實(shí)時性強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn),不需要增加額外的測頻電路;不過測頻精度差,并且接收機(jī)的通帶越寬,測頻誤差越大。二是用計算機(jī)進(jìn)行測頻。這種將計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行測頻的方法,測量精度高,實(shí)時性好,目前應(yīng)用得較多。

4.2 信號帶寬

通信信號的帶寬是由信號的功率譜密度在頻域的分布規(guī)律確定的。不同的調(diào)制方式的通信信號的帶寬有所不同,因而,信號的帶寬在一定程度上反映了信息的基帶特性。一般說來,調(diào)幅信號的帶寬為基帶信號頻帶寬度的兩倍。如調(diào)幅話基帶信號取值約為300Hz～3kHz左右,那么調(diào)幅信號通頻帶寬度約為6kHz。調(diào)頻信號帶寬通常小于25kHz。

目前大多數(shù)信號頻譜的寬度是依據(jù)FFT得到的信號頻譜,由計算機(jī)自動測算。用計算機(jī)算出的信號帶寬可以顯示和存儲,實(shí)時性較好。這種測量方法的測量精度與相鄰譜線的頻率間隔Δ F有關(guān),Δ F越小,測量精度越高。

4.3 信號電平

通信對抗偵察中,偵察接收機(jī)輸入端的信號電平通常受到諸多因素的影響,例如路徑損耗、衰落損耗等,所以,要測量通信信號的絕對電平值難度較大。雖然有人在理論上對各種傳播模型進(jìn)行了定量分析,但這是極復(fù)雜的。另一方面,由于偵察接收機(jī)的輸入信號電平都很低,并且多個信號混疊在一起,給測量帶來了很大困難。因此,實(shí)際測量時,都是測量接收機(jī)的中頻信號電平,通常用相對電平表示,具體方法是測量接收機(jī)的自動增益控制電壓。在實(shí)際測量中,電平值還受溫度、帶內(nèi)增益的波動等因素的影響,因而測量精度往往比較低。

4.4 碼元速率

碼元速率是數(shù)字通信信號的重要參數(shù)。在通信對抗偵察中,接收機(jī)若截獲到數(shù)字信號,需要精確估計信號的碼元速率以區(qū)分不同的電臺或進(jìn)行信號解調(diào)。常用的碼元速率估計方法是在時域?qū)π盘柕乃矔r特征進(jìn)行統(tǒng)計,如對MASK信號可統(tǒng)計相鄰瞬時幅度跳變點(diǎn)之間長度得到碼元速率的估計。同樣對MFSK信號可利用相鄰瞬時頻率跳變點(diǎn)之間的長度,MPSK信號可利用相鄰瞬時相位跳變點(diǎn)之間長度估計碼元速率。這些方法的缺點(diǎn)在于為了得到一個好的估計往往需要大量的數(shù)據(jù),而且采用時域統(tǒng)計易受噪聲影響。

理論分析表明,單極性隨機(jī)脈沖序列的功率譜在碼元速率的整數(shù)倍處存在離散譜線。因此估計數(shù)字信號的碼元速率的另一種方法是提取調(diào)制信號的基帶信號,根據(jù)此基帶信號,利用小波變換提取碼元跳變構(gòu)成的單極性隨機(jī)脈沖序列后,再利用其功率譜中的離散譜線精確估計碼元速率。這種方法與時域測速法相比,優(yōu)勢在于利用小波變換能更好地檢測信號跳變位置,碼元速率估計精度高,并且不需要做大量的統(tǒng)計。

4.5 信號樣式

信號樣式指的是通信信號的調(diào)制類型。確定通信信號的調(diào)制樣式有人工識別和自動識別兩種途徑。人工識別是由偵察人員用耳機(jī)、示波器和頻譜儀分析解調(diào)結(jié)果,人為地判定調(diào)制方式。人工識別一般可以成功識別持續(xù)時間較長、碼元速率較低的幅度鍵控信號和調(diào)制指數(shù)較大的頻移鍵控信號。這種識別方法的判決結(jié)果包含人的主觀因素在內(nèi),會因人而異,可識別的調(diào)制類型也很有限,但它仍然是通信對抗偵察所不能放棄的一種方法。特別是對于通帶模擬調(diào)制信號,一個有經(jīng)驗(yàn)的偵聽員對調(diào)制種類的識別正確率,仍然是自動識別所難以達(dá)到的[5]。

相對于人工識別而言,自動調(diào)制識別技術(shù)不僅在對數(shù)字信號的調(diào)制識別方面有明顯的優(yōu)勢,而且對中心頻率和帶寬的估計誤差、相鄰信道串音、噪聲和衰落效應(yīng)等干擾因素也具有較強(qiáng)的魯棒性。一個典型的調(diào)制方式自動識別系統(tǒng)包括三個部分,數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、特征提取模塊與分類器。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊為后續(xù)模塊提供合適的數(shù)據(jù),特征識別模塊從數(shù)據(jù)中提取信號的時域特征與變換域特征,分類器根據(jù)特征判斷信號的調(diào)制方式。

4.6 其它常規(guī)特征

除上述特征外,通信信號的常規(guī)特征還包括ASK信號的幅度鍵控進(jìn)制、FSK信號的移頻間隔和移頻進(jìn)制,以及PSK信號的相移間隔和相移進(jìn)制等。這些特征對于識別通信信號也是必不可少的,可以通過觀察信號波形和頻譜,或利用數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行分析判斷。

5 信號細(xì)微特征分析

通信信號的細(xì)微特征是由電臺的個體差異造成的、不影響信息傳遞的可檢測和可重現(xiàn)的物理量。對于電臺來說,系統(tǒng)內(nèi)部存在的噪聲以及各器件(特別是放大器)的不同和工藝的差別,導(dǎo)致了電臺在發(fā)射有用信號時,會伴隨著由于失真的不同而產(chǎn)生的不同雜散成分。對于電臺的頻率源,不同的制造精度和調(diào)試都會導(dǎo)致載頻的偏差有所不同。另外,不同的電臺由于采用的器件的差異,會導(dǎo)致調(diào)制參數(shù)隨著個體的不同而存在偏差。這里從電臺的雜散特征、載頻頻偏以及調(diào)制參數(shù)的個體差異等方面對通信信號的細(xì)微特征進(jìn)行分析。

5.1 雜散輸出

任何電臺在發(fā)射有用信號的同時,總是不可避免的伴隨有不需要的雜散頻率被發(fā)射出去。這些雜散頻率成分主要包括互調(diào)頻率成份、諧波輻射、電源濾波不良引起的寄生調(diào)制等。不同的發(fā)射臺,由于電路參數(shù)及電特性的差異,其雜散輸出的成份和大小也不相同。這些雜散成分以多種被動的調(diào)制方式附加在有用信號上,從而使發(fā)射信號的調(diào)制特征發(fā)生變化。對于雜散輸出特征,目前有學(xué)者提出用信號的高階統(tǒng)計矩來描述。信號的高階統(tǒng)計量能有效檢測信號的幅度信號,對高斯噪聲具有很好的抑制作用,非常適合于分析信號由于附加調(diào)制帶來的細(xì)微變化,因而對于分析信號雜散輸出有較好的效果。

5.2 頻率穩(wěn)定度

通信設(shè)備中的晶體振蕩器是用來提供時間和頻率基準(zhǔn)的組成單元。由于振蕩線圈的結(jié)構(gòu)尺寸的差異、晶體管的差異、支持電路電源電壓和負(fù)載阻抗以及電臺開機(jī)時間的長短等諸多因素的影響,晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率會產(chǎn)生一定的偏移,從而導(dǎo)致通信信號載頻出現(xiàn)偏差。對于直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生的振蕩信號而言,表面上看,似乎回避了模擬電路中晶體的影響,但實(shí)際上數(shù)字邏輯中時序的控制仍需要時鐘來完成,而時鐘的產(chǎn)生最終要?dú)w結(jié)到晶體振蕩器。因此,晶體振蕩的不穩(wěn)定仍然會給不同電臺的載頻帶來不同的影響。

從理論上來說,頻率穩(wěn)定度能夠作為細(xì)微特征對電臺進(jìn)行區(qū)分。然而,由于電臺個體的頻率穩(wěn)定度較高,它們之間的差別非常小,特別是相同型號的通信電臺之間的載波波動差別更小,如何精確提取載頻波動特征,成為問題的關(guān)鍵。由于接收機(jī)中頻頻率高(一般的超短波接收機(jī)中頻輸出頻率在幾MHz到幾十MHz之間,頻率抖動在幾kHz),傳統(tǒng)的方法例如FFT變換,時頻分析的方法獲取的瞬時頻率精度難以滿足要求。如果采用頻譜分析的方法則更行不通,因?yàn)轭l譜反映的是偵察數(shù)據(jù)的累積特征,累積的特征無法反映信號載頻的瞬時波動規(guī)律,精度也難以滿足要求。再加上實(shí)際偵察中能夠獲取的電臺信號數(shù)據(jù)有限,以及傳輸過程中的信道噪聲干擾,當(dāng)前提取信號的載波穩(wěn)定度特征還有很大困難[6]。

5.3 調(diào)制參數(shù)的個體差異

不同通信電臺(即使型號相同),由于采用的器件的差異,其調(diào)制參數(shù)必然隨個體的不同而存在偏差。如AM信號調(diào)幅度、FM信號的頻偏與調(diào)頻系數(shù)、FSK信號的碼元過渡特征等。只要測量精度足夠,理論上也可根據(jù)結(jié)果區(qū)分不同電臺。

1)AM信號的調(diào)幅系數(shù)

實(shí)際模擬調(diào)幅信號的包絡(luò)是隨機(jī)變化的,所以,直接測量模擬信號的調(diào)幅度是極其困難的,只有在偵察接收設(shè)備中采用計算機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù),對AM信號經(jīng)過數(shù)字化處理后,調(diào)幅度的測量才可以實(shí)現(xiàn)。

2)FM信號的頻偏與調(diào)頻系數(shù)

從理論上說,FM信號的調(diào)制深度(調(diào)頻指數(shù))是可調(diào)的,但在實(shí)際應(yīng)用中,為了使用的方便和快捷,發(fā)射電臺電路內(nèi)部都將信號的調(diào)制深度定為一個固定值,對使用者不提供調(diào)制深度設(shè)定的接口。不同型號電臺的調(diào)制深度不同,直接影響信號調(diào)制參數(shù)分布特性的不一致。而對相同型號電臺,雖然調(diào)制深度相同,但FM信號在發(fā)射電臺調(diào)制過程中,由于器件的非線性,必然會影響到信號的調(diào)制特性。因此,調(diào)制參數(shù)是FM信號的重要特征參數(shù)。對于FM信號的頻偏和調(diào)頻系數(shù),可以通過統(tǒng)計信號瞬時頻率特性得到。

3)2FSK信號的碼元過渡特征[7]

碼元過渡特征是指2FSK信號碼元過渡時間的長短。2FSK信號的兩個載頻互相交替工作,從一個載頻切換到另一個載頻存在過渡時間,這個時間與發(fā)射電臺的頻率切換開關(guān)、頻率震蕩器等元器件有關(guān)。它能反映出信號的細(xì)微特征,只要精確測量,可以作為2FSK信號細(xì)微特征,但分析精度必須在碼元波特率的10倍以上。若信號傳輸速率為200bps,碼元寬度是5ms,則分析精度必須在0.5ms以內(nèi),可以用離散小波變換法來分析。在實(shí)際測量中,可以考慮的參數(shù)包括過渡區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)、過渡區(qū)的平均持續(xù)時間長度、最長持續(xù)時間、最短持續(xù)時間等[8]。

5.4 其它細(xì)微特征

電臺在工作過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)許多重要的過渡狀態(tài),這些過渡狀態(tài)有些來自系統(tǒng)本身,如電臺開機(jī)時的變化過程、電臺工作模式的切換過程;也有些來自系統(tǒng)外部激勵,如供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定變化對電臺帶來的瞬時變化。過渡狀態(tài)必然使信號反映出一定的暫態(tài)特征。但是,外部激勵帶來的暫態(tài)變化本身就具有偶然性,所引起的信號變化也不是每個電臺必然存在的,因此不具有普遍性。所以,根據(jù)通信信號細(xì)微特征的定義,這里所說的暫態(tài)特征主要是指電臺開/關(guān)機(jī)時的變化特征和電臺工作模式的變換特征。暫態(tài)特征在電臺識別中最大的優(yōu)勢在于能夠撇開信號調(diào)制方式的影響。對于信號暫態(tài)特征的提取,目前有學(xué)者從分形理論角度出發(fā),提出了基于暫態(tài)包絡(luò)信號時變分層指數(shù)的暫態(tài)特征分析方法,具有良好的識別效果。

細(xì)微特征還包括通信信號的畸變特征[8]?；兲卣魇侵感盘柗扰c周圍相比出現(xiàn)的突然變化?；兲卣鲗?shí)際上是信號包絡(luò)畸變特征。如突發(fā)信號的瞬時包絡(luò)就含有畸變特征。在提取具體特征參數(shù)時,可著重分析這些參數(shù):發(fā)生畸變的平均時間間隔、最長間隔、最短間隔、畸變區(qū)域的平均持續(xù)時間長度、最長持續(xù)時間、最短持續(xù)時間等。這些特征都是統(tǒng)計特征,它們雖然能反映信號屬性,但也與信道特性的不理想、環(huán)境干擾甚至接收設(shè)備的性能有關(guān),因而就目前的技術(shù)水平而言,提取分析的難度較大。

6 結(jié)語

論文分析了通信對抗目標(biāo)的信號特征產(chǎn)生的機(jī)理,從常規(guī)特征和細(xì)微特征兩方面探討了通信對抗目標(biāo)信號特征包含的主要內(nèi)容,并分析了信號特征的提取和用于目標(biāo)識別的可行性。對于通信對抗目標(biāo)識別而言,完成特征提取后,將這些特征信息轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行表示和存儲,并構(gòu)建目標(biāo)特征信息庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是下一步需要考慮的問題。

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