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        一種數(shù)字調(diào)制通信信號的識別方法

        2014-10-13 08:01:00李寶雙
        艦船電子對抗 2014年4期
        關(guān)鍵詞:跳頻方位間隔

        李寶雙,徐 曄

        (船舶重工集團(tuán)公司723所,揚(yáng)州225001)

        1 概 述

        通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域,而跳頻通信作為通信的重要分支[1],因其突出的抗干擾性、高效的頻譜利用率、較好的兼容性和易于實(shí)現(xiàn),在軍事領(lǐng)域中有著無可替代的地位。對跳頻通信的信號偵察是現(xiàn)代電子對抗的一個主要方向,根據(jù)跳頻通信的基本原理和信號特點(diǎn),利用高速A/D采樣可以有效地估計跳頻通信信號,然后根據(jù)估計結(jié)果完成網(wǎng)臺分選。

        2 原 理

        跳頻通信信號為:

        式中:Δf為頻率跳變間隔;hn為跳變碼;m(t)為信息序列;θn為初相。

        其瞬時特征如圖1~5所示。

        圖1 跳頻通信信號

        2.1 跳頻信號的基本特征參數(shù)

        每個跳頻網(wǎng)臺特有的基本特征參數(shù)包括:

        (1)跳頻速率:跳頻信號在單位時間內(nèi)的跳頻次數(shù)。

        (2)駐留時間:跳頻信號在一個頻點(diǎn)停留的時間。其倒數(shù)是跳頻速率,它和跳頻圖案直接決定了跳頻系統(tǒng)的很多技術(shù)特征。

        圖2 跳頻通信信號的幅度特征

        圖3 跳頻通信信號的頻率特征

        圖4 跳頻通信信號的相位特征

        (3)頻率集:跳頻電臺所使用的所有頻率集合組成頻率集,頻率集完整順序組成跳頻圖案。所有的頻率集合叫做頻率集,集合大小為跳頻數(shù)目 (信道數(shù)目)。

        (4)跳頻范圍:又稱為跳頻帶寬,表明跳頻電臺的工作頻率范圍。

        (5)跳頻間隔:跳頻電臺工作頻率之間的最小間隔,或稱頻道間隔,通常其它的頻率差是跳頻間隔的整數(shù)倍。

        圖5 跳頻通信信號的功率特征

        上述參數(shù)中的頻率范圍、跳頻間隔、跳頻圖案、跳頻速率是跳頻通信網(wǎng)臺的 “指紋”參數(shù),是進(jìn)行分選的基礎(chǔ)。

        2.2 跳頻通信信號的參數(shù)估計

        跳頻通信信號參數(shù)估計,包括通信信號的跳變周期 (即跳頻速率)、跳變時刻、跳頻的頻率等參數(shù)。跳頻通信信號是一個非平穩(wěn)的信號,考慮其非平穩(wěn)性,采用時頻分析方法如維格納威利 (WVD)和短時傅里葉變換 (STFT)對其進(jìn)行分析[2],實(shí)現(xiàn)對其參數(shù)的估計。

        設(shè)定單位時間寬度很短的窗函數(shù)w(t),使窗口函數(shù)在時間軸方向上滑動,信號x(t)的STFT定義為:

        如上式,根據(jù)窗函數(shù)時移的特性,使STFT同時具有時間函數(shù)和頻率函數(shù)的特性,對于任意時刻t,其短時傅里葉變換 (STFT)可視為t時刻“局部頻譜”,利用窗分析計算二維時頻參數(shù)。

        離散STFT,其時間和頻率都離散化,設(shè)時間變量的采樣周期為T,頻率變量的采樣周期為F,x(n)為離散信號,則STFT的離散化形式為:

        對觀測信號采樣后得長度為N的序列x(n),n=0,1,2,…N-1,采樣頻率為fs,STFT估計跳頻信號參數(shù)的步驟如下:

        (1)對x(n)進(jìn)行短時傅里葉變換,計算出x(n)時頻圖STFT (m,n)。

        (2)計算STFT (m,n)在每個時刻m的最大值,得到矢量y(m)。

        (4)計算出y(m)峰值位置,峰值序列p(m),m=1,2,…,p,p為峰值個數(shù),可以計算第1次跳變的時刻。

        (5)平均第一峰值出現(xiàn)的位置為:

        跳變時刻由下式求出:

        式中:“[·]”代表取整。

        (7)估計觀測信號內(nèi)包含的跳頻頻率,得到跳頻公式:

        3 跳頻網(wǎng)臺分選

        在實(shí)際的通信對抗環(huán)境中,電磁環(huán)境十分復(fù)雜,定頻、噪聲、外界干擾以及多個跳頻網(wǎng)臺的信號混合交迭。跳頻通信網(wǎng)臺分選就是從復(fù)雜的磁環(huán)境中,將混合交迭在一起的跳頻網(wǎng)臺通過處理的跳頻信號分選出來。

        3.1 跳頻網(wǎng)臺跳頻圖案

        跳頻網(wǎng)臺跳頻圖案如圖6所示。

        3.2 跳頻網(wǎng)臺分選方法

        (1)跳頻網(wǎng)臺的到達(dá)方向分選法。跳頻網(wǎng)臺的到達(dá)方向 (到達(dá)時間 (TOA)、方位)分選法的依據(jù)是:同一網(wǎng)臺信號的來波方向相同,不同網(wǎng)臺信號來波方向不同。其基本思路是:實(shí)時測量出跳頻信號的來波方位,按照跳頻信號的來波方位把同一來波方位的信號歸入同一類,如圖7所示。這種分選方法的優(yōu)點(diǎn)是分選方法簡單,實(shí)時性好;缺點(diǎn)是對偵察系統(tǒng)的測向能力要求較高,當(dāng)不同網(wǎng)臺信號的來波方向趨于一致或網(wǎng)臺移動時,分選效果較差。

        圖6 跳頻網(wǎng)臺的跳頻圖案

        來波方位分選法的分選能力主要取決于跳頻測向設(shè)備的測向速度和精度。測向速度直接決定該分選方法對跳速的分辨力;測向精度直接決定該分選方法的空間分辨能力。

        圖7 頻率-方位二維關(guān)系圖

        (2)跳頻網(wǎng)臺的到達(dá)時間分選法。到達(dá)時間(TOA)分選法是到達(dá)時間與駐留時間分選法的簡稱,是利用同一跳頻網(wǎng)信號出現(xiàn)的連續(xù)性和跳頻速率的穩(wěn)定性對跳頻信號進(jìn)行分類。其依據(jù)是:同一跳頻網(wǎng)的跳頻信號的跳速恒定不變,且每一跳具有相同的駐留時間和頻率轉(zhuǎn)換時間。

        到達(dá)時間分選法的基本思路:檢測出每個跳頻信號的出現(xiàn)時刻和消失時刻,根據(jù)同網(wǎng)臺信號在出現(xiàn)時間上的連續(xù)性以及跳頻速率的相對穩(wěn)定性,把出現(xiàn)時間與消失時刻滿足一定相關(guān)特征的信號歸入一類,以達(dá)到跳頻網(wǎng)臺的分選目的。

        這種分選方法的優(yōu)點(diǎn)是對恒跳速跳頻網(wǎng)臺分選能力強(qiáng);缺點(diǎn)是對偵察系統(tǒng)時間測量精度要求高,不具備對變速跳頻網(wǎng)與正交跳頻網(wǎng)的分選能力。接收系統(tǒng)的時間分辨力直接決定著分選能力。

        圖8給出了一種利用到達(dá)時間法進(jìn)行網(wǎng)臺分選的方法。

        圖8 網(wǎng)臺分選結(jié)果

        假定在規(guī)定的時間內(nèi)有N個頻率的信號到達(dá)。分別記下它們的到達(dá)時間和信號駐留時間,分選步驟是:

        (a)對信號駐留時間進(jìn)行比較,找出N個信號中駐留時間最小且相等的那些,如有M個,排成一個序列。

        (b)計算M序列中相鄰2個信號的到達(dá)時間間隔,依次為窗口尺度,分選出所有相同跳頻周期的信號,完成一個網(wǎng)臺的信號分選。

        (c)在提取出第1網(wǎng)臺信號之后,剩下N-M信號中,重復(fù)進(jìn)行前面2個步驟,完成第2個網(wǎng)臺的分選,依次類推,直至分選完成。

        若幾個非正交跳頻網(wǎng)的跳速相同,由于非正交跳頻網(wǎng)的網(wǎng)與網(wǎng)之間互不相干,可以按到達(dá)時刻建立相應(yīng)頻率表,每張頻率表就是一個同跳速的非正交跳頻網(wǎng)。

        (3)跳頻網(wǎng)臺的綜合分選法[4]。綜合分選法是綜合利用跳頻信號來波方位、到達(dá)時間、駐留時間、跳躍相位和信號幅度等特征和技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系來對跳頻信號進(jìn)行歸類的分選方法。

        這種分選方法的基本思路是:按照同一跳頻網(wǎng)信號之間的相關(guān)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)信號分類。即有相關(guān)關(guān)系的信號歸入一類,不具有相關(guān)關(guān)系的信號互相分開。

        這種分選方法的優(yōu)點(diǎn)是綜合利用了跳頻信號的所有可用信號特征和技術(shù)參數(shù)之間的相關(guān)性,分選能力較強(qiáng);缺點(diǎn)是對偵察系統(tǒng)的信號測量能力要求較高。

        [1]梅文華.跳頻通信 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

        [2]高崢.基于STFT的超短波跳頻網(wǎng)臺信號分選 [J].電信技術(shù)研究,2004 (3):8-14.

        [3]陳新寧.跳頻通信偵察技術(shù)研究 [D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

        [4]馮瑩.跳頻信號偵察技術(shù)研究與仿真 [D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

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