錢 怡，馬慶力，路后兵

(電子工程學(xué)院，合肥 230037)

?

基于改進(jìn)SPWVD的DS/FH信號跳頻參數(shù)估計方法

錢 怡，馬慶力，路后兵

(電子工程學(xué)院，合肥 230037)

對直接序列/跳頻(DS/FH)信號的特性進(jìn)行了研究，針對DS/FH二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號的直擴(kuò)特性對信號跳頻參數(shù)估計的影響，利用平方倍頻多窗口拼接平滑偽維格納-威利分布(SPWVD)算法在時頻域內(nèi)對信號的跳變周期與跳變時刻進(jìn)行估計，仿真結(jié)果證明該方法具有一定的效果。

直接序列/跳頻信號；參數(shù)估計；平滑偽維格納-威利分布

0 引 言

直接序列/跳頻(DS/FH)混合擴(kuò)頻通信作為一種先進(jìn)的通信體制，集合了直擴(kuò)和跳頻通信的優(yōu)點，具有多址接入、低截獲特性、較強(qiáng)的抗干擾能力和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)等特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域。

DS/FH混合擴(kuò)頻信號可看作載頻隨時間跳變的短時DS信號。相比單一的擴(kuò)頻信號,其能量由于2次擴(kuò)頻處理被分布在更寬的頻帶上，功率進(jìn)一步降低。同時，DS/FH混合擴(kuò)頻信號也同時具有DS信號和FH信號的特點，這些給混合擴(kuò)頻信號的檢測、參數(shù)估計、監(jiān)測和對抗帶來了新的困難和挑戰(zhàn)。

目前對混合擴(kuò)頻信號的研究大多集中在協(xié)作情況下的多用戶檢測、信道容量分析、抗干擾分析以及解調(diào)和解碼方面，研究DS/FH信號盲檢測與參數(shù)盲估計方法的公開文獻(xiàn)并不多見。

對DS/FH信號盲檢測與參數(shù)盲估計方法的研究主要集中在循環(huán)譜估計和時頻分析技術(shù)。其中，基于循環(huán)譜理論的混合擴(kuò)頻信號檢測及估計算法計算量較大，無法滿足通信對抗的實時性要求，同時循環(huán)譜是在頻率-循環(huán)頻率二維空間上分析信號，并不能提供時變信息。因此，時頻分析技術(shù)就成為獲取混合擴(kuò)頻信號時變信息的有力工具[1]。

針對混合DS/FH擴(kuò)頻信號的參數(shù)估計問題，文獻(xiàn)[1]提出了一種基于自適應(yīng)抽取的短時間傅里葉變換(STFT)信號分析方法，給出了跳周期和跳時估計。

文獻(xiàn)[2]針對二相編碼調(diào)制的混合擴(kuò)頻信號的參數(shù)估計問題，提出了一種基于S變換的跳頻參數(shù)估計方法，提取修正S變換時頻脊線作為對參考信號瞬時頻率的估計。文獻(xiàn)[3]根據(jù)DS/FH信號的特點，在已有頻率拼接技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種分解拼接技術(shù)，將具有多個頻率分量的DS/FH信號轉(zhuǎn)變成具有單一頻率的DS信號，并在此基礎(chǔ)上提出一種循環(huán)譜和分解拼接技術(shù)相結(jié)合的載頻與碼速率精確估計方法。

本文通過對DS/FH信號的分析，研究了如何避免DS/FH信號的直擴(kuò)特性對跳頻參數(shù)進(jìn)行估計的影響，將DS/FH信號轉(zhuǎn)變成單純的FH信號，利用其在時頻域上表現(xiàn)出的跳頻特性，對信號的跳周期和跳時進(jìn)行估計。

下面采取時頻分析的方法，對DS/FH_BPSK信號的跳頻頻率與時間的關(guān)系做一個研究。

1 SPWVD分析

時頻域同時加窗的維格納-威利分布(WVD)稱為平滑偽WVD分布(SPWVD)，如下式：

(t-u+τ/2)ej2πftdudτ

(1)

SPWVD方法本質(zhì)上是在PWVD基礎(chǔ)上進(jìn)一步做時域平滑濾波，經(jīng)過時域和頻域2次平滑得到的平滑偽WVD(SPWVD)，可以有效地抑制交叉干擾項，估計性能有了明顯提高。

所做的時間平滑雖然使相干項得到了衰減，但是影響了時間分析效果，這種平滑的結(jié)果也同時降低了頻率和時間的分辨率，并且破壞了許多WVD的特性，比如邊緣分布和瞬時頻率特性不再成立。因此，在已知干擾項和良好的能量集中度之間要有折衷的考慮。

圖1是一個DS/FH信號的SPWVD示例。

圖1 DS/FH信號的SPWVD示例

觀察圖1的SPWVD三維圖，可以看到每個完整跳周期的SPWVD值都是中間大兩邊小，求出SPWVD值在每一時刻沿頻率軸的最大值，得到如圖2的結(jié)果。該圖具有明顯的周期振蕩特性，振蕩頻率即為跳頻速率。

圖2 SPWVD在每一時刻的最大值

2 多窗口拼接SPWVD

時頻分析是用于跳頻信號檢測與分析的常用方法，而由于時頻分析窗口包含的樣本數(shù)通常由于運(yùn)算復(fù)雜度的限制不宜過大，對于DS/FH信號，實際上往往是一個分析窗口只包含一個完整跳周期的一部分。

因此把DS/FH信號連續(xù)分段為多個窗口，并對每一窗口進(jìn)行SPWVD分析，求得各窗口SPWVD值沿每時刻的最大值之后，將各窗口的值按時間順序拼接，得到了DS/FH信號的SPWVD最大值圖，圖3為拼接好的SPWVD最大值圖。

在每一頻率跳變的時刻，信號的SPWVD最大值會有一個較大的負(fù)脈沖出現(xiàn)，且由頻率跳變引起的負(fù)脈沖遠(yuǎn)小于無跳變時SPWVD計算時的擾動噪聲值，圖中負(fù)脈沖所對應(yīng)的位置，就是頻率跳變的時刻，相鄰兩負(fù)脈沖之間的距離即為跳周期。因此，只要能定位出負(fù)脈沖出現(xiàn)的位置，就可以知道頻率轉(zhuǎn)換的時刻，相鄰兩時刻的差值即為跳周期。

信號樣本時間為6.25個跳周期，其中包含7個不同的跳周期，所以圖3中出現(xiàn)了6個由頻率跳變引起的負(fù)脈沖。

3 改進(jìn)的SPWVD分析

3.1 改進(jìn)的方法

由于DS/FH信號的直擴(kuò)碼速率遠(yuǎn)大于跳頻碼速率，一個跳周期內(nèi)包含若干個直擴(kuò)碼周期，使得一個跳周期內(nèi)的信號表現(xiàn)出明顯的直擴(kuò)特性，從而信號一個跳周期的跳頻帶寬大于單純的跳頻信號帶寬。

從圖3中可以看到，每2個頻率跳變引起的負(fù)脈沖之間，還存在著許多由信號在一個跳周期內(nèi)的直擴(kuò)特性引起的干擾脈沖，這使得頻率跳變引起的負(fù)脈沖被弱化，影響了時頻分析的效果。

為了消除這些由于相位突變而引起的干擾脈沖，將信號作平方運(yùn)算處理并去除直流分量，得到的信號去除了信號的調(diào)制信息和擴(kuò)頻序列，保留了2倍的頻率(大于采樣頻率后為它的鏡像)，便于下面的時頻分析。同時，為了避免出現(xiàn)頻率的鏡像，采用這種方法時，采樣頻率應(yīng)取得比較大，至少大于4倍信號的最大載頻。原理框圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的SPWVD分析原理框圖

3.2 平方倍頻運(yùn)算的作用

DS/FH_BPSK信號的表達(dá)式如下：

s(t)=Acos{2π[f(t)+f0]}

(2)

對上式作平方運(yùn)算:

(3)

由于φ(t)=0，2φ(t)=0，則sin[2φ(t)]=0,cos[2φ(t)]=1,所以表達(dá)式可以簡化為：

(4)

由式(4)可知，經(jīng)過平方運(yùn)算后，信號的直擴(kuò)分量已被去除，得到的信號為單純的跳頻信號，頻率為原來信號的2倍。

圖5所示為DS/FH信號未采用平方算法時的SPWVD最大值圖，從圖中明顯可以看出，由于相位突變產(chǎn)生的干擾脈沖嚴(yán)重弱化了頻率跳變引起的負(fù)脈沖。

圖5 DS/FH信號的SPWVD最大值圖

圖6 平方后信號的SPWVD最大值圖

圖6所示為DS/FH信號采用平方算法后的SPWVD最大值圖，從圖中可以明顯看出，采用平方算法后，這些干擾脈沖已被消除。

圖7和圖8分別給出了DS/FH信號采用平方算法前后的SPWVD最大值圖。

圖7 DS/FH信號的SPWVD時頻圖

通過圖7與圖8的對比可以看出，雖然跳頻頻率變成原來的2倍，但是信號的跳周期與跳變時刻并沒有發(fā)生改變，所以并不影響信號的跳周期以及跳變時刻的準(zhǔn)確估計。

圖8 平方后信號的SPWVD時頻圖

3.3 實驗仿真

在此用于仿真實驗的信號，其具體參數(shù)設(shè)置如下：直擴(kuò)偽碼碼長取p1=31，碼速率為1/Tc=1Mbit/s,跳周期TH為直擴(kuò)偽碼周期的3倍,跳頻頻率間隔為10MHz,跳頻帶寬為150MHz，采樣頻率為600MHz。

從結(jié)果可以看出，該算法在信噪比大于-3dB的情況下，受噪聲的影響很小，可以得到比較精確的跳周期估計值。且其精度隨著采樣的樣本數(shù)目增多和時頻分析窗口的長度增加而提高，但這樣需要的計算時間也加長。

表1給出2個DS/FH信號在不同信噪比下跳周期的一次估計值。信號1：跳周期為93μs(10 000 跳/s)，信號2：跳周期為189μs(5 000 跳/s)，分析窗口長度為1 024點。

表1 DS/FH信號在不同信噪比下跳變周期的估計值(單位：μs)

從表1可以看出，當(dāng)信噪比大于-3dB時，估計值幾乎不受噪聲影響，都可以得到非常接近實際跳周期的估計值，誤差在10-3數(shù)量級以下。圖9是實際跳周期為0.93μs、信噪比低于-3dB時，在不同信噪比下重復(fù)100次得到的估計方差曲線，可見信噪比在-3dB處，估計性能陡然變差。

圖10給出不同信噪比下重試100次的跳變時刻估計方差曲線。圖中可見方差和信噪比成反比的關(guān)系。當(dāng)信噪比低于-3dB時，性能急劇變差。

圖9 跳周期估計方差曲線

圖10 跳變時刻估計方差曲線

4 結(jié)束語

本文對DS/FH_BPSK信號的跳頻參數(shù)估計方法進(jìn)行了研究，利用多窗口拼接SPWVD算法在時頻域內(nèi)估計信號的跳周期與跳變時刻，針對DS/FH信號的直擴(kuò)特性對信號跳頻特性的檢測和相關(guān)參數(shù)估計的影響，提出了先對信號進(jìn)行平方倍頻，將DS/FH信號轉(zhuǎn)變成單純的跳頻信號，再進(jìn)行SPWVD的改進(jìn)方法，取得了一定的效果。

[1] 朱明哲，姬紅兵，金艷.基于自適應(yīng)抽取STFT的混合DS/FH擴(kuò)頻信號參數(shù)估計[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32(3)：454-457.

[2] 朱明哲，姬紅兵.基于S變換的混合DS/FH擴(kuò)頻信號參數(shù)估計[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，37(4)：710-715.

[3] 趙玉柱.DS/FH 混合擴(kuò)頻信號參數(shù)估計方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

Estimation Method of Frequency Hopping Parameter of DS/FH Signal Based on Improved SPWVD

QIAN Yi,MA Qing-li,LU Hou-bing

(Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China)

This paper researches into the characteristics of direct sequence (DS)/frequency hopping (FH) signal,aiming at the influence of DS characteristic of DS/FH binary phase shift keying (BPSK) on the estimation of signal frequency hopping parameter,estimates the hopping period and hopping time of signal in time-frequency domain by means of square frequency multiplication multi-window hybrid smoothed pseudo Wigner-Ville distribution (SPWVD) algorithm.The proposed method has been proved effectively through the simulation results.

direct sequence/frequency hopping signal;parameter estimation;smoothed pseudo Wigner-Ville distribution

2014-08-26

國家自然基金支持項目，項目編號：11375263

TN911.7

A

CN32-1413(2015)01-0050-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.012