李新科，譚文昊，江 漫，柏如龍

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)士官學(xué)校，浙江 杭州 310000；2.中國(guó)人民解放軍92001部隊(duì)，山東 青島 266000；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為更好地適應(yīng)通信偵察的需求，寬頻帶接收機(jī)廣泛應(yīng)用[1]，這就要求接收機(jī)必須能對(duì)較寬頻帶內(nèi)的多信號(hào)進(jìn)行接收，并要求盡可能地自動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的盲檢測(cè)，即能夠?qū)崟r(shí)完成高概率甚至全概率接收。而高概率的信號(hào)盲檢測(cè)技術(shù)是核心[2-3]，要求在沒有任何源信號(hào)與傳輸信道的先驗(yàn)知識(shí)的前提下[4-5]，僅根據(jù)接收到的觀測(cè)信號(hào)對(duì)信號(hào)的存在性做出判斷。因此，開展寬帶通信信號(hào)的盲檢測(cè)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前信號(hào)盲檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外專家的研究工作都取得了相當(dāng)可觀的成果。文獻(xiàn)[6]采用基于多尺度形態(tài)濾波的方式實(shí)現(xiàn)一維譜搜索檢測(cè)，但是數(shù)據(jù)計(jì)算量大是其主要缺點(diǎn)。R&S公司的AMMOS自動(dòng)模塊化檢測(cè)系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了頻譜檢測(cè)與信號(hào)盲檢測(cè)的自動(dòng)化，但是過多的人工參與使得系統(tǒng)不適應(yīng)自動(dòng)化程度要求高的場(chǎng)合。針對(duì)自動(dòng)和高概率截獲目的，提出了基于一維譜的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)技術(shù)和基于二維時(shí)頻的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)技術(shù)，用于解決寬帶接收條件下的信號(hào)檢測(cè)與分選問題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)短波[7-8]、超短波[9]、微波[10-11]和衛(wèi)星[12-14]等各領(lǐng)域各頻段內(nèi)各類信號(hào)的高概率截獲。

1 寬帶信號(hào)盲檢測(cè)基本原理

目前，基于一維譜數(shù)據(jù)的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)技術(shù)基本處理流程如圖1所示。

圖1 盲檢測(cè)基本處理流程

① 譜計(jì)算

實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取原始寬帶頻譜數(shù)據(jù)，主要考慮時(shí)間、頻率分辨率及可行的流水實(shí)現(xiàn)。

② 預(yù)處理

通過對(duì)原始頻譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，降低譜估計(jì)的方差，生成后繼信號(hào)檢測(cè)所需的特定一維頻譜數(shù)據(jù)，如平均譜、最小保持譜、最大最小差分譜等。

③ 檢測(cè)

通過自適應(yīng)檢測(cè)門限、譜線狀態(tài)融合等統(tǒng)計(jì)處理方法，確定信號(hào)類型(持續(xù)/突發(fā))、出現(xiàn)時(shí)間、消失時(shí)間、中心頻率、帶寬、信噪比和相對(duì)電平等參數(shù)。

2 寬帶盲檢測(cè)算法原理

2.1 基于一維譜數(shù)據(jù)的寬帶信號(hào)盲檢測(cè)

2.1.1 概述

用于解決寬帶接收條件下信號(hào)檢測(cè)與分選問題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)短波、超短波和微波等頻段內(nèi)各類信號(hào)的檢測(cè)，包括定頻、猝發(fā)和跳頻等，增強(qiáng)寬帶頻譜監(jiān)測(cè)的目標(biāo)識(shí)別概率和自動(dòng)化程度，能夠適應(yīng)時(shí)變且動(dòng)態(tài)范圍較大的色噪基底[15]。

2.1.2 基本原理

基于一維譜數(shù)據(jù)的寬帶信號(hào)盲檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 典型應(yīng)用組成框圖

對(duì)于連續(xù)信號(hào)搜索，對(duì)應(yīng)模塊工作原理框圖如圖3所示。

圖3 連續(xù)信號(hào)搜索模塊

通過對(duì)M幀F(xiàn)FT幅度譜的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)持續(xù)信號(hào)的檢測(cè)，包括如下步驟：

① 計(jì)算每幀數(shù)據(jù)的FFT，F(xiàn)FT結(jié)果取模后輸出瞬時(shí)幅度譜，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)可設(shè)；

② 瞬時(shí)幅度譜送入滑動(dòng)平均模塊，輸出平均譜，平均次數(shù)L可設(shè)；

③ 當(dāng)達(dá)到平均次數(shù)后，最小保持模塊記錄平均譜最小值，輸出最小保持平均譜；

④ 當(dāng)統(tǒng)計(jì)幀數(shù)超過M時(shí)，最小保持平均譜送至譜線融合搜索模塊；

⑤ 搜索模塊基于譜線融合策略完成信號(hào)搜索，計(jì)算搜索到的每個(gè)信號(hào)的中心頻率、帶寬與信噪比。

為了保證該模塊處于良好的工作狀態(tài)，需要注意FFT點(diǎn)數(shù)的設(shè)置：

① 頻譜分辨率合適，使得臨近兩信號(hào)從頻譜上能夠明顯區(qū)分開(觀察時(shí)頻圖)，頻譜分辨率可通過FFT點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

② 時(shí)間分辨率合適，使得對(duì)于突發(fā)信號(hào)，必然存在一定幀數(shù)的數(shù)據(jù)，處于連續(xù)2個(gè)突發(fā)間隔之間，保證突發(fā)信號(hào)的剔除，可通過平滑次數(shù)L和FFT點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

③ 時(shí)間分辨率和頻率分辨率之間存在矛盾，需要折中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于突發(fā)信號(hào)搜索，其模塊原理框圖如圖4所示。

圖4 突發(fā)信號(hào)搜索模塊原理

通過對(duì)M幀F(xiàn)FT幅度譜的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)，包括如下步驟：

① 計(jì)算每幀數(shù)據(jù)的FFT，F(xiàn)FT結(jié)果取模后輸出瞬時(shí)幅度譜，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)可設(shè)；

② 一路瞬時(shí)幅度譜送入最大保持模塊，計(jì)算瞬時(shí)最大保持譜；

③ 一路瞬時(shí)幅度譜送入滑動(dòng)平均模塊，輸出平均譜，平均次數(shù)L可設(shè)；

④ 當(dāng)達(dá)到平均次數(shù)后，最小保持模塊記錄平均譜最小值，輸出最小保持平均譜；

⑤ 瞬時(shí)最大保持譜與最小保持平均譜差分運(yùn)算后輸出差分譜，當(dāng)統(tǒng)計(jì)幀數(shù)超過M時(shí)，累積模塊將差分累積譜送至峰值融合信號(hào)搜索模塊，此時(shí)差分累積譜中只存在突發(fā)信號(hào)；

⑥ 信號(hào)搜索模塊基于峰值融合策略完成信號(hào)搜索，計(jì)算搜索到的每個(gè)信號(hào)的中心頻率、帶寬與信噪比；由于是基于差分譜完成的信號(hào)搜索，因此，搜索到的信號(hào)能量反映的是信噪比；

⑦ 每完成一幀數(shù)據(jù)的計(jì)算，幀計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)統(tǒng)計(jì)幀數(shù)超過M時(shí)，重置幀計(jì)數(shù)器、最大保持模塊與累積模塊。

為了保證該模塊處于良好的工作狀態(tài)，需要注意FFT點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，確保時(shí)間分辨率合適，使得對(duì)于突發(fā)信號(hào)，必然存在一幀數(shù)據(jù)，處于某一突發(fā)信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，從而反映突發(fā)信號(hào)的存在，即將欲檢測(cè)的突發(fā)信號(hào)最短持續(xù)時(shí)間與FTT點(diǎn)數(shù)通過采樣頻率關(guān)聯(lián)起來。

若欲檢測(cè)的突發(fā)信號(hào)最短持續(xù)時(shí)間為Tw，最短突發(fā)間隔為Td，系統(tǒng)采樣頻率為Fs，則FFT點(diǎn)數(shù)K=min(Tw，Td)/2*fs。

對(duì)于譜線融合搜索模塊，模塊基于臨近峰值融合策略來完成信號(hào)檢測(cè)，其工作原理如圖5所示。

圖5 峰值融合搜索模塊原理

依據(jù)信號(hào)帶內(nèi)能量存在相似性，而帶內(nèi)帶外能量存在差異性這一基本性質(zhì)，將具有臨近能量特征的峰值點(diǎn)歸屬于一個(gè)信號(hào)，并進(jìn)一步分析其信號(hào)邊界，估計(jì)中心頻率，當(dāng)完成所有峰值點(diǎn)歸屬判斷后，即完成帶內(nèi)信號(hào)搜索過程。

2.2 基于二時(shí)頻的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)基本原理

2.2.1 概述

基于二維時(shí)頻的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)技術(shù)是利用帶有時(shí)標(biāo)的連續(xù)頻譜來檢測(cè)跳頻信號(hào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)高速跳頻信號(hào)的高概率截獲，同時(shí)也可以給出跳頻信號(hào)的頻率、帶寬、幅度、出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，為網(wǎng)臺(tái)分選提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 基本原理

當(dāng)突發(fā)/跳頻信號(hào)沒有出現(xiàn)時(shí)，譜線幅度較低，低于門限；當(dāng)突發(fā)/跳頻信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，譜線幅度較高，高于門限。這正是檢測(cè)突發(fā)/跳頻信號(hào)的基本原理。

本算法分為3部分：估計(jì)門限、譜線信息更新和信號(hào)檢測(cè)。這3部分在算法中的位置如圖6所示。當(dāng)選擇自動(dòng)門限時(shí)，需要估計(jì)門限；當(dāng)選擇手動(dòng)門限時(shí)，則不需要估計(jì)門限。譜線信息是一組記錄每根譜線狀態(tài)的變量(包括譜線的狀態(tài)、譜線信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)間、消失時(shí)間和幅度等)，算法利用每次得到頻譜更新譜線信息。信號(hào)檢測(cè)部分不是直接根據(jù)頻譜檢測(cè)信號(hào)，而是根據(jù)譜線信息檢測(cè)信號(hào)。

這些譜線信息都可以利用連續(xù)的瞬時(shí)譜計(jì)算出來。為了提高計(jì)算速度，在實(shí)現(xiàn)中利用短時(shí)最大保持譜、短時(shí)最小保持譜和瞬時(shí)譜聯(lián)合計(jì)算譜線信息。

圖6 跳頻信號(hào)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)框圖

2.2.3 信號(hào)檢測(cè)

對(duì)于突發(fā)/跳頻信號(hào)，算法是在信號(hào)從存在到消失轉(zhuǎn)變的時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)的。一個(gè)剛剛消失的突發(fā)/跳頻信號(hào)，其特征是在有信號(hào)時(shí)，信號(hào)左邊和右邊的譜線都沒有信號(hào)存在，信號(hào)帶內(nèi)的譜線有信號(hào)存在，但是在信號(hào)消失當(dāng)前時(shí)刻沒有信號(hào)存在。算法正是依據(jù)這一特征檢測(cè)突發(fā)/跳頻信號(hào)。

算法在突發(fā)/跳頻信號(hào)的頻率估計(jì)方面做了改進(jìn)。常規(guī)方法是根據(jù)門限確定信號(hào)的左、右邊界，左、右邊界的中間位置即信號(hào)頻率。這種方法有3個(gè)缺點(diǎn)：

① 在信號(hào)出現(xiàn)和消失時(shí)，突發(fā)/跳頻信號(hào)的頻譜容易發(fā)生畸變，導(dǎo)致測(cè)頻的誤差變大；

② 瞬時(shí)頻譜不夠平滑，用于測(cè)頻誤差較大；短時(shí)最大保持譜和短時(shí)平均譜較為平滑，但是對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的突發(fā)/跳頻信號(hào)，測(cè)頻的次數(shù)較少；

③ 受限于頻率分辨率。

為了提高頻率估計(jì)的精度，本算法在記錄譜線信息時(shí)有一個(gè)變量HN(i)是記錄譜線超過門限的次數(shù)。算法假定信號(hào)的頻譜關(guān)于中心頻率對(duì)稱，那么信號(hào)帶內(nèi)的HN(i)關(guān)于中心頻率應(yīng)該也是對(duì)稱的。根據(jù)這一假設(shè)，算法用如下方式計(jì)算中心頻率。

假設(shè)信號(hào)帶內(nèi)有N根譜線，最左邊譜線的位置為a，最右邊譜線的位置為b，那么所有譜線超過門限的次數(shù)總和可以記為

3 仿真分析

本算法的頻率估計(jì)精度高，可以突破頻率分辨率的限制。

仿真條件：以某電臺(tái)跳頻信號(hào)為測(cè)試對(duì)象，該電臺(tái)信號(hào)的頻率間隔為50 kHz，F(xiàn)FT的頻率分辨率為22.5 kHz，調(diào)制樣式為BPSK，數(shù)據(jù)傳輸速度35 Byte/s。針對(duì)不同信噪比下的信號(hào)檢測(cè)正確率和檢測(cè)虛警率同常規(guī)的雙滑動(dòng)窗算法進(jìn)行對(duì)比仿真分析，如圖7所示。

(a)信號(hào)檢測(cè)正確率

(b)信號(hào)檢測(cè)虛警率

從圖7可以看出，2種算法的正確檢測(cè)率都隨信噪比的增加而增加。在信噪比為-2 dB時(shí)，提出的算法已經(jīng)達(dá)到100%的檢測(cè)率，而常規(guī)算法需要信噪比為2 dB時(shí)才能達(dá)到同樣的性能。本文提出的算法之所以在如此低信噪比下還能達(dá)到優(yōu)良的性能，首先是因?yàn)橥ㄟ^譜處理算法具有信號(hào)累積的作用。本文算法虛警率很低，在信噪比為-5 dB時(shí)，虛警率仍不到5%，說明本文算法可以很好地適應(yīng)寬帶信號(hào)的檢測(cè)。

圖8給出了對(duì)某電臺(tái)信號(hào)頻率估計(jì)效果圖。該電臺(tái)信號(hào)的頻率間隔為50 kHz，F(xiàn)FT的頻率分辨率為22.5 kHz，圖中*代表估計(jì)頻率，橫線代表準(zhǔn)確頻率，可以看出估計(jì)頻率集中在準(zhǔn)確頻率附近并且相鄰頻率信號(hào)的頻率估計(jì)可以明顯區(qū)分出來。

圖8 估計(jì)效果圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于一維譜數(shù)據(jù)和二維時(shí)頻的信號(hào)寬帶盲檢測(cè)技術(shù)，利用寬帶數(shù)據(jù)的一維譜數(shù)據(jù)通過最小保持譜、最大保持譜以及最大最小差分譜線的處理實(shí)現(xiàn)定頻和突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)，同時(shí)，利用時(shí)頻二維數(shù)據(jù)預(yù)處理，自適應(yīng)估計(jì)檢測(cè)門限，通過譜線信息的實(shí)時(shí)更新，有效地解決了跳頻突發(fā)信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)，最后通過數(shù)據(jù)的仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。