解輝 陳冠一 董慶軍 衛(wèi)曉奇

摘 ?要： 衛(wèi)星通信調(diào)制樣式識(shí)別與參數(shù)估計(jì)是空間信息對(duì)抗的重要內(nèi)容之一，在獲取制太空權(quán)、制信息權(quán)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。針對(duì)衛(wèi)星通信中常用通信信號(hào)的調(diào)制識(shí)別，在現(xiàn)有譜分析方法的基礎(chǔ)上，提出3種特征參量，豐富識(shí)別的信號(hào)樣式，完善了自動(dòng)識(shí)別流程。該方法不需要精確的載頻和碼速率等先驗(yàn)信息，同時(shí)能夠利用信號(hào)特征參數(shù)自動(dòng)完成識(shí)別。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性，并對(duì)算法性能進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，在 SNR為5 dB時(shí)所有信號(hào)的正確識(shí)別率均達(dá)到96%以上。

關(guān)鍵詞： 通信對(duì)抗; 調(diào)制識(shí)別; 參數(shù)估計(jì); 循環(huán)譜; 包絡(luò)譜; 功率譜; 自動(dòng)識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.22?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）11?0011?04

Abstract： The satellite communication modulation pattern recognition and parameter estimation are the important items of the spatial information countermeasure， and play the vital role in acquiring the controlling space right and controlling information right. On the basis of commonly?used communication signal modulation recognition in satellite communication and available spectral analysis method， three characteristic parameters are proposed to enrich the recognized signal pattern and perfect the automatic recognition process. The method can use the signal characteristic parameter to fulfill automatic recognition without accurate prior information such as carrier frequency and bit rate. The validity of the algorithm was verified with simulation experiments， and algorithm performance was analyzed. The simulation results show that the correct recognition rate of all the signals can reach 96% when the SNR is 5 dB.

Keywords： communication countermeasure; modulation recognition; parameter estimation; cyclic spectrum; envelope spectrum; power spectrum; automatic recognition

0 ?引 ?言

衛(wèi)星通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別與參數(shù)估計(jì)是空間信息對(duì)抗的重要內(nèi)容[1]，利用識(shí)別的調(diào)制樣式和估計(jì)的調(diào)制參數(shù)能夠引導(dǎo)解調(diào)器正確進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，從而能夠進(jìn)一步獲取敵方通信信息，同時(shí)還能夠引導(dǎo)干擾設(shè)備發(fā)射調(diào)制樣式、信號(hào)參數(shù)與敵方通信信號(hào)完全匹配的干擾信號(hào)，對(duì)敵方通信鏈路進(jìn)行干擾，與普通壓制式干擾信號(hào)相比，這種干擾信號(hào)更容易進(jìn)入敵方通信接收機(jī)，發(fā)射功率小、干擾效率更高。因此，對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別進(jìn)行研究，在未來(lái)高技術(shù)條件下的空間信息對(duì)抗中，對(duì)獲取制太空權(quán)、制信息權(quán)方面具有十分重要的意義和作用[1]。

目前，衛(wèi)星通信調(diào)制識(shí)別的主要方法有基于判決理論[2?4]和統(tǒng)計(jì)模式[5?15]的識(shí)別方法。其中，判決理論主要依據(jù)概率論和假設(shè)檢驗(yàn)中的似然比[3]和貝葉斯[4]判決理論進(jìn)行識(shí)別，其關(guān)鍵是依據(jù)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性，選取最小代價(jià)函數(shù)得到檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，并與判決門(mén)限進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)調(diào)制方式的分類(lèi)識(shí)別。該類(lèi)方法的主要問(wèn)題在于需要大量的先驗(yàn)信息且統(tǒng)計(jì)量要很大才能獲得較好的分類(lèi)識(shí)別效果，計(jì)算效率不高。基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的方法主要有基于高階累積量[5?9]、星座圖[10?12]和譜分析[13?15]的識(shí)別方法。其中，基于差分高階累積量的方法需要精確的載頻和碼速率等先驗(yàn)信息，而基于調(diào)制星座圖的識(shí)別方法對(duì)信噪比的要求較高?；谧V分析的方法主要利用不同調(diào)制信號(hào)的功率譜、平方譜、四次方譜、包絡(luò)譜等頻譜特征實(shí)現(xiàn)調(diào)制識(shí)別，但上述特征對(duì)于BPSK和UQPSK調(diào)制無(wú)法區(qū)別，且DSB，SSB，AM等模擬信號(hào)也沒(méi)有納入其處理流程。

本文從衛(wèi)星通信信號(hào)的中頻信號(hào)特征參數(shù)出發(fā)，在現(xiàn)有識(shí)別特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出功率譜單頻分量檢測(cè)值、功率譜對(duì)稱指數(shù)和循環(huán)譜估計(jì)I，Q兩路功率比[p]等3個(gè)特征參量，分別用于識(shí)別AM，DSB，SSB信號(hào)，以及區(qū)別BPSK和UQPSK信號(hào)，同已有的6個(gè)特征參數(shù)相結(jié)合，給出常用衛(wèi)星通信信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別流程，偵察接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行偵察接收和預(yù)處理之后，能夠依據(jù)特征參數(shù)全自動(dòng)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，且在5 dB的信噪比環(huán)境時(shí)，能夠?qū)λ行盘?hào)實(shí)現(xiàn)96%以上的正確識(shí)別率。

1 ?信號(hào)特征分析

一般來(lái)說(shuō)，特征提取是根據(jù)不同調(diào)制信號(hào)所固有的特征差異，充分利用各種方法和數(shù)學(xué)工具從信號(hào)的時(shí)域、頻域以及變換域等不同角度把這種差異提取出來(lái)，作為基本的特征數(shù)量較大，可作為特征選擇原始特征集的一部分。

1） 信號(hào)功率譜特征分析

信號(hào)功率譜直接反映調(diào)制信號(hào)中各頻率分量的功率分布。

PSK信號(hào)的功率譜不存在載波分量，而MFSK信號(hào)的功率譜存在載波分量，且載波分量個(gè)數(shù)與[M]有關(guān)[1]。

存在載波分量的信號(hào)（AM，2FSK，4FSK）和無(wú)載波分量信號(hào)（如BPSK，QPSK，8PSK，OQPSK，UQPSK， DSB，SSB等）在信號(hào)功率譜載頻處有很大的不同。AM信號(hào)的功率譜存在單載波分量，而MFSK信號(hào)的功率譜中存在多載波分量（2FSK有2個(gè)載波分量，4FSK有4個(gè)載波分量），因此載波分量的個(gè)數(shù)可用于它們的識(shí)別。

2） 信號(hào)平方譜特征分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，BPSK，UQPSK，OQPSK信號(hào)的平方譜存在單頻分量，其中，OQPSK信號(hào)的平方譜在[2fc±1T]處有兩個(gè)單頻分量。而其他的PSK信號(hào)和DSB，SSB信號(hào)則無(wú)此特征。因此，可以根據(jù)信號(hào)的平方譜是否存在單頻分量和單頻分量的個(gè)數(shù)對(duì){BPSK，UQPSK}，OQPSK，{QPSK，8PSK}信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

3） 信號(hào)循環(huán)譜特征分析

BPSK信號(hào)和UQPSK信號(hào)的平方譜特征相似，不能利用平方譜特征來(lái)識(shí)別?？紤]到BPSK信號(hào)只有一路，而UQPSK信號(hào)是由功率比為[p]的I，Q兩路信號(hào)構(gòu)成，因此可以通過(guò)估計(jì)I，Q兩路的功率比[p]對(duì)BPSK和UQPSK信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

4） 信號(hào)的四次方譜特征分析

利用信號(hào)的四次方譜特征可對(duì)QPSK，pi/4?QPSK，8PSK信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。QPSK信號(hào)的四次方譜在[4fc]處存在譜線，pi/4?QPSK信號(hào)的四次方譜在[4fc±12T]處存在兩條譜線，而8PSK信號(hào)四次方譜不存在譜線。

5） 包絡(luò)譜特征

PSK信號(hào)的包絡(luò)譜中在[1T]處存在譜線[1]。而DSB，SSB信號(hào)的包絡(luò)譜中不存在單頻分量。利用這個(gè)特征可以對(duì)8PSK和DSB，SSB信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

2 ?識(shí)別特征參數(shù)

特征參數(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別的主要判決依據(jù)，目前現(xiàn)有文獻(xiàn)常用的特征常數(shù)有6個(gè)，分別為：

1） 信號(hào)平方譜單頻分量檢測(cè)值[C2];

2） 信號(hào)四次方譜單頻分量檢測(cè)值[C4];

3） 信號(hào)包絡(luò)譜單頻分量檢測(cè)值[Ca];

4） 功率譜單頻分量數(shù)[N1]。譜峰數(shù)主要用于多譜峰信號(hào)的分類(lèi)，如2FSK和4FSK;

5） 平方譜單頻分量數(shù)[N2];

6） 四次方譜單頻分量數(shù)[N4]。

本文又提出3個(gè)特征參數(shù)，綜合文獻(xiàn)中的特征參數(shù)，使得調(diào)制識(shí)別的信號(hào)樣式更加豐富。

1） 信號(hào)功率譜單頻分量檢測(cè)值[C1];

2） 功率譜對(duì)稱指數(shù)[L]。對(duì)稱指數(shù)可以描述頻譜對(duì)稱性，定義為：

通過(guò)計(jì)算功率譜對(duì)稱指數(shù)[L]可以對(duì)DSB和SSB信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。為了提高該參數(shù)的穩(wěn)定性，可以進(jìn)一步對(duì)頻譜做平滑濾波，防止由于頻譜估計(jì)的隨機(jī)誤差而帶來(lái)的錯(cuò)誤。

3） 循環(huán)譜估計(jì)I，Q兩路功率比[p]。

3 ?識(shí)別流程

根據(jù)以上分析，計(jì)算信號(hào)特征參數(shù)后，可按圖1所示流程完成自動(dòng)識(shí)別。

圖1 ?調(diào)制樣式自動(dòng)識(shí)別流程

4 ?性能仿真與分析

針對(duì)衛(wèi)星通信中常用的BPSK，QPSK，OQPSK，UQPSK，8PSK，pi/4?QPSK，2FSK，4FSK，AM，DSB，SSB等信號(hào)，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。采樣頻率[fs]為100 MHz，中心頻率為70 MHz，碼元速率為5 MHz。衛(wèi)星信道是 AWGN信道，并且進(jìn)行限帶濾波，帶寬為調(diào)制信號(hào)帶寬的2倍。每個(gè)識(shí)別樣本用131 072個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)信號(hào)在同一信噪比下仿真500 次。

在不同信噪比下對(duì)各種調(diào)制信號(hào)的正確識(shí)別次數(shù)和錯(cuò)誤識(shí)別次數(shù)進(jìn)行了大量仿真。信噪比為 5～15 dB時(shí)各類(lèi)信號(hào)的正確識(shí)別率曲線如圖2所示。

圖2 ?不同調(diào)制樣式識(shí)別正確率隨信噪比變化曲線

從仿真結(jié)果中可以看出，在信噪比為5 dB 時(shí)，所有信號(hào)都達(dá)到了96%以上的正確識(shí)別率，且正確識(shí)別率隨著信噪比的增加而提高。因此本文的信號(hào)識(shí)別流程有效，文中提出的3個(gè)特征參量未對(duì)原有識(shí)別效果造成影響，且對(duì)AM，DSB，SSB信號(hào)進(jìn)行了有效識(shí)別，對(duì)BPSK和UQPSK信號(hào)進(jìn)行了區(qū)分。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

衛(wèi)星通信調(diào)制樣式識(shí)別是衛(wèi)星通信偵察的重要內(nèi)容，為對(duì)截獲信號(hào)進(jìn)行正確解調(diào)和欺騙干擾提供前提和保證。本文對(duì)偵察接收機(jī)截獲的中頻通信信號(hào)的譜特征進(jìn)行歸納分析，通過(guò)分析信號(hào)的譜特征，在現(xiàn)有識(shí)別特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，又提出3種用于識(shí)別的特征參量，豐富了調(diào)制識(shí)別的信號(hào)樣式，完善了調(diào)制樣式自動(dòng)識(shí)別的總體流程。最后對(duì)算法性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，仿真結(jié)果表明在準(zhǔn)確載頻、帶寬及信噪比未知的情況下，本文識(shí)別算法可有效對(duì)各種通信信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，并且在較低信噪比下仍具有很好的識(shí)別準(zhǔn)確率。

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