方 志,賈 峰

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表室,河北石家莊050081)

0 引言

作為一種低截獲概率技術(shù),跳頻數(shù)據(jù)傳輸具有較好的抗干擾性、安全保密性和組網(wǎng)能力,采用跳頻技術(shù)的各類收發(fā)信機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用,也向數(shù)據(jù)傳輸對(duì)抗提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。開展對(duì)跳頻信號(hào)偵察的研究,尋求截獲跳頻信號(hào)的方法,對(duì)于當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸對(duì)抗具有重大的意義。

目前跳頻信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的主要分析方法有自相關(guān)檢測(cè)法、信道化接收法和時(shí)頻分析法等。其中,時(shí)頻分析法用于分析跳頻信號(hào)有很大優(yōu)勢(shì)。但是在復(fù)雜電磁環(huán)境下,定頻干擾信號(hào)的存在嚴(yán)重影響了對(duì)跳頻信號(hào)的檢測(cè)性能。因此,提出了一種針對(duì)跳頻信號(hào)中的定頻干擾信號(hào)進(jìn)行頻譜對(duì)消的方法,并將其作為跳頻信號(hào)檢測(cè)的預(yù)處理環(huán)節(jié)。該方法能較好地抑制定頻干擾信號(hào),提高跳頻信號(hào)的檢測(cè)概率。

跳頻信號(hào)自動(dòng)拼接是對(duì)已知參數(shù)的跳頻信號(hào)在指定中頻上完成拼接處理。這是介于網(wǎng)臺(tái)分選和跳頻信號(hào)解調(diào)之間的過程,其關(guān)鍵技術(shù)為時(shí)域校時(shí),需要準(zhǔn)確計(jì)算出每一跳信號(hào)的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻進(jìn)行信號(hào)提取,但是在低信噪比和時(shí)域信號(hào)包絡(luò)不唯一的條件下,往往會(huì)有較大的校時(shí)誤差。在大量仿真研究的基礎(chǔ)上,提出了一種補(bǔ)零法則,能很好地克服這一難點(diǎn),大大提高校時(shí)精度。

1 跳頻信號(hào)檢測(cè)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下,跳頻信號(hào)中常見的背景信號(hào)有定頻信號(hào)、突發(fā)信號(hào)和隨機(jī)噪聲信號(hào)等。定頻信號(hào)主要指連續(xù)定頻信號(hào)與斷續(xù)定頻信號(hào);突發(fā)信號(hào)主要指偶爾出現(xiàn)的信號(hào);隨機(jī)噪聲信號(hào)主要指信道中各種噪聲及接收機(jī)噪聲信號(hào)。因此,如何有效地檢測(cè)出該波段的跳頻信號(hào)問題,就轉(zhuǎn)化為如何有效地剔除其他信號(hào)的問題。

1.1 STFT跳頻分析

采用短時(shí)傅里葉變換(STFT)來進(jìn)行時(shí)頻分析,給定一個(gè)時(shí)間寬度很短的窗函數(shù) η(t),讓窗滑動(dòng),則信號(hào)的短時(shí)傅里葉變化定義為:

由定義式可見,信號(hào)z(t′)在時(shí)間t的短時(shí)傅里葉變換就是信號(hào)z(t′)乘上一個(gè)以t為中心的“分析窗”η*(t′-t)所做的傅里葉變換。由于乘一個(gè)相當(dāng)短的窗 η*(t′-t)等價(jià)于取出信號(hào)在分析點(diǎn)t′=t附近的一個(gè)切片,所以短時(shí)傅里葉變換直接是信號(hào)z(t′)在“分析時(shí)間”t附近的“局部譜”。為了去除邊緣效應(yīng),各段之間應(yīng)有一些重疊,一般取FFT點(diǎn)數(shù)的一半,這樣既有很好的效果也不至于運(yùn)算量太大。

由于在時(shí)間t的STFT是被窗函數(shù)η*(t′-t)預(yù)加窗后信號(hào)z(t′)的譜,所以位于以時(shí)間t為中心的局部窗間隔內(nèi)的所有信號(hào)特性都會(huì)在時(shí)間t的STFT內(nèi)顯示出來。因此,STFT的高時(shí)間分辨率要求一個(gè)較短的窗η*(t′-t);另一方面,STFT的高頻率分辨率要求一個(gè)窄帶分析窗,根據(jù)不確定性原理,時(shí)間分辨率和頻率分辨率互相矛盾,所以只能犧牲時(shí)間分辨率以換取更高的頻率分辨率,或反過來用頻率分辨率的犧牲換取時(shí)間分辨率的提高。

1.2 跳頻檢測(cè)處理

跳頻數(shù)據(jù)傳輸中載波頻率變化的規(guī)律稱為跳頻圖案。設(shè)R為跳頻信號(hào)的跳速,p為占空比,則跳頻周期Ts=1/R,跳頻駐留時(shí)間TH=Ts×p。

應(yīng)用STFT對(duì)某跳頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻圖分析,圖1(a)是時(shí)頻圖上某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的原始頻譜圖,圖1(a)中1、3為定頻干擾,2為跳頻信號(hào),可見在復(fù)雜電磁環(huán)境下跳頻信號(hào)中含有大量的定頻干擾信號(hào),并且定頻信號(hào)可能存在于某一跳的頻帶內(nèi),這樣就為跳頻信號(hào)的時(shí)頻檢測(cè)帶來困擾。此外,在頻域上噪底呈現(xiàn)出不均勻分布,這樣就使跳頻信號(hào)的檢測(cè)門限難以確定,為了達(dá)到較好的檢測(cè)效果,必須對(duì)復(fù)雜的電磁信號(hào)環(huán)境進(jìn)行處理,去除定頻干擾和均勻化噪底。

跳頻檢測(cè)處理算法:首先將[STFT]z(t,f)二維頻譜數(shù)據(jù)以非線性形式表示,并設(shè)時(shí)間分辨率為Δt;將[STFT]z(t,f)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的頻譜數(shù)據(jù)以ΔT的間隔時(shí)間前后進(jìn)行對(duì)消處理,其中 ΔT=T/Δt(TH＜T＜Ts),考慮到可能存在連續(xù)兩跳信號(hào)在同一頻點(diǎn)上,因此需要將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上前后對(duì)消的結(jié)果進(jìn)行比較,保留較大的對(duì)消值;通過時(shí)頻圖功率譜的非線性對(duì)消處理,不僅可以很好地去除定頻干擾,而且還能改善噪底,使噪底趨于均勻。但是,頻譜非線性對(duì)消處理會(huì)使噪底的抖動(dòng)變大,將真實(shí)信號(hào)淹沒,為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn),加入二維中值濾波處理,不僅可以平滑噪聲,還大大改善了信噪比,使真實(shí)信號(hào)很好的凸顯出來,提高了信號(hào)的檢測(cè)概率。

跳頻信號(hào)檢測(cè)處理結(jié)果如圖1(b)所示,與圖1(a)相比,可見頻域上存在的大量定頻干擾和其他一些噪聲干擾經(jīng)過頻譜非線性對(duì)消處理已經(jīng)完全被去除,并且噪底在頻域上均勻分布,便于檢測(cè)門限的確定。該處理算法較傳統(tǒng)的時(shí)頻分析方法可以有效地解決跳頻信號(hào)和定頻信號(hào)發(fā)生頻譜碰撞時(shí),跳頻信號(hào)的檢測(cè)問題,并且處理過程簡(jiǎn)單易于硬件實(shí)現(xiàn),對(duì)于工程中在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下,進(jìn)行電子偵察處理具有一定的實(shí)際意義。

圖1 頻譜對(duì)消前后時(shí)頻圖上某時(shí)間點(diǎn)的頻譜圖對(duì)比

2 跳頻信號(hào)拼接

跳頻信號(hào)自動(dòng)拼接是介于網(wǎng)臺(tái)分選和跳頻信號(hào)解調(diào)之間的過程,目的是將已知跳頻參數(shù)的跳頻信號(hào)在指定中頻上完成拼接,以便于后續(xù)的解調(diào)處理。跳頻信號(hào)自動(dòng)拼接的處理過程可以簡(jiǎn)述如下:

首先從原始采樣數(shù)據(jù)中檢測(cè)出已知參數(shù)的跳頻信號(hào),然后通過校時(shí)算法準(zhǔn)確計(jì)算出每一跳信號(hào)的起跳時(shí)刻和終止時(shí)刻,并進(jìn)行信號(hào)提取,此外還需要測(cè)量出每跳信號(hào)的中心頻率,用于下變頻處理。

2.1 校時(shí)算法

跳頻信號(hào)自動(dòng)拼接處理的關(guān)鍵是進(jìn)行時(shí)域校時(shí),通常采用計(jì)算斜率求拐點(diǎn)的方法來實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)述如下:

首先將兩跳時(shí)長(zhǎng)的跳頻信號(hào)在頻域上進(jìn)行濾波處理,由此在時(shí)域上可以得到跳頻信號(hào)的包絡(luò),并將包絡(luò)進(jìn)行積分。將積分后的信號(hào)分別對(duì)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)求斜率,在2次處理結(jié)果中最大斜率處稱為包絡(luò)的左右拐點(diǎn),即為跳頻信號(hào)準(zhǔn)確的起跳時(shí)刻和終止時(shí)刻。

2.2 補(bǔ)零法則

在低信噪比條件下,信號(hào)包絡(luò)很不平滑,并且由于濾波階數(shù)較小或相鄰跳在同一頻點(diǎn)上等原因,使得時(shí)域上信號(hào)包絡(luò)并不唯一,這樣就使校時(shí)結(jié)果存在較大的誤差,為后續(xù)的解調(diào)處理帶來困難。為了解決這一難題,通過大量仿真研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行校時(shí)處理時(shí),采用前后補(bǔ)零的方法來延長(zhǎng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,可以精確定位出拐點(diǎn)的位置。根據(jù)校時(shí)時(shí)可能存在的種種情況,推算出補(bǔ)零法則的范圍公式:

計(jì)算左拐點(diǎn)時(shí):

計(jì)算右拐點(diǎn)時(shí):

式中,0≤x≤1表示校時(shí)時(shí)可能存在的不同情況,p(p≠1)為占空比,N為一跳信號(hào)的時(shí)長(zhǎng),如圖2所示,若要準(zhǔn)確確定出圖中所示的拐點(diǎn)位置,需要在數(shù)據(jù)的前后補(bǔ)充一定長(zhǎng)度范圍的零點(diǎn)。

圖2 準(zhǔn)確校時(shí)補(bǔ)零法則

2.3 校時(shí)效果

根據(jù)跳頻檢測(cè)結(jié)果提取一段跳頻數(shù)據(jù)(至少包含一個(gè)完整的跳頻信號(hào))進(jìn)行校時(shí),根據(jù)補(bǔ)零法則一般取補(bǔ)零范圍的中間值作為補(bǔ)零長(zhǎng)度,在原始采樣數(shù)據(jù)的前后添加相應(yīng)長(zhǎng)度的零點(diǎn)采樣數(shù)據(jù),然后將延長(zhǎng)后的跳頻數(shù)據(jù)根據(jù)校時(shí)算法計(jì)算左右拐點(diǎn),定位跳頻信號(hào)的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻。

通過上述處理,得到的校時(shí)結(jié)果如圖3所示。由圖3(c)可以清楚地看到改進(jìn)的校時(shí)算法計(jì)算出的拐點(diǎn)位置精確的定位到跳頻信號(hào)的終止時(shí)刻上。因此,補(bǔ)零法則改進(jìn)的校時(shí)算法可以很好的克服時(shí)域包絡(luò)不平滑和信號(hào)包絡(luò)不唯一的情況,實(shí)現(xiàn)校時(shí)誤差為零,為后續(xù)解調(diào)處理奠定良好的基礎(chǔ)。

圖3 改進(jìn)的校時(shí)算法精確計(jì)算出一跳信號(hào)的終止時(shí)刻

3 結(jié)束語

基于時(shí)頻圖跳頻圖案進(jìn)行功率譜非線性對(duì)消的跳頻信號(hào)檢測(cè)算法不僅可以去除跳頻信號(hào)中的定頻干擾,改善信噪比,還可以對(duì)不均勻的噪底進(jìn)行均勻化處理,使跳頻信號(hào)的檢測(cè)概率大大提高。算法處理過程簡(jiǎn)單,易于硬件實(shí)現(xiàn),適于在工程實(shí)踐中應(yīng)用,具有很高的推廣價(jià)值。

同時(shí),補(bǔ)零法則改進(jìn)的校時(shí)算法可以精確定位拐點(diǎn)的位置,很好地克服時(shí)域包絡(luò)不平滑和信號(hào)包絡(luò)不唯一的情況,提高了校時(shí)精度。通過仿真驗(yàn)證,可以實(shí)現(xiàn)校時(shí)的零誤差,為后續(xù)解調(diào)處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

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