復雜電磁環境下跳頻信號檢測及拼接算法

方 志,賈 峰

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

0 引言

作為一種低截獲概率技術,跳頻數據傳輸具有較好的抗干擾性、安全保密性和組網能力,采用跳頻技術的各類收發信機得到了廣泛的應用,也向數據傳輸對抗提出嚴峻的挑戰。開展對跳頻信號偵察的研究,尋求截獲跳頻信號的方法,對于當前數據傳輸對抗具有重大的意義。

目前跳頻信號檢測技術的主要分析方法有自相關檢測法、信道化接收法和時頻分析法等。其中,時頻分析法用于分析跳頻信號有很大優勢。但是在復雜電磁環境下,定頻干擾信號的存在嚴重影響了對跳頻信號的檢測性能。因此,提出了一種針對跳頻信號中的定頻干擾信號進行頻譜對消的方法,并將其作為跳頻信號檢測的預處理環節。該方法能較好地抑制定頻干擾信號,提高跳頻信號的檢測概率。

跳頻信號自動拼接是對已知參數的跳頻信號在指定中頻上完成拼接處理。這是介于網臺分選和跳頻信號解調之間的過程,其關鍵技術為時域校時,需要準確計算出每一跳信號的起始時刻和終止時刻進行信號提取,但是在低信噪比和時域信號包絡不唯一的條件下,往往會有較大的校時誤差。在大量仿真研究的基礎上,提出了一種補零法則,能很好地克服這一難點,大大提高校時精度。

1 跳頻信號檢測

在復雜電磁環境下,跳頻信號中常見的背景信號有定頻信號、突發信號和隨機噪聲信號等。定頻信號主要指連續定頻信號與斷續定頻信號;突發信號主要指偶爾出現的信號;隨機噪聲信號主要指信道中各種噪聲及接收機噪聲信號。因此,如何有效地檢測出該波段的跳頻信號問題,就轉化為如何有效地剔除其他信號的問題。

1.1 STFT跳頻分析

采用短時傅里葉變換(STFT)來進行時頻分析,給定一個時間寬度很短的窗函數 η(t),讓窗滑動,則信號的短時傅里葉變化定義為:

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

由于在時間t的STFT是被窗函數η*(t′-t)預加窗后信號z(t′)的譜,所以位于以時間t為中心的局部窗間隔內的所有信號特性都會在時間t的STFT內顯示出來。因此,STFT的高時間分辨率要求一個較短的窗η*(t′-t);另一方面,STFT的高頻率分辨率要求一個窄帶分析窗,根據不確定性原理,時間分辨率和頻率分辨率互相矛盾,所以只能犧牲時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間分辨率的提高。

1.2 跳頻檢測處理

跳頻數據傳輸中載波頻率變化的規律稱為跳頻圖案。設R為跳頻信號的跳速,p為占空比,則跳頻周期Ts=1/R,跳頻駐留時間TH=Ts×p。

應用STFT對某跳頻信號進行時頻圖分析,圖1(a)是時頻圖上某個時間點的原始頻譜圖,圖1(a)中1、3為定頻干擾,2為跳頻信號,可見在復雜電磁環境下跳頻信號中含有大量的定頻干擾信號,并且定頻信號可能存在于某一跳的頻帶內,這樣就為跳頻信號的時頻檢測帶來困擾。此外,在頻域上噪底呈現出不均勻分布,這樣就使跳頻信號的檢測門限難以確定,為了達到較好的檢測效果,必須對復雜的電磁信號環境進行處理,去除定頻干擾和均勻化噪底。

跳頻檢測處理算法:首先將[STFT]z(t,f)二維頻譜數據以非線性形式表示,并設時間分辨率為Δt;將[STFT]z(t,f)每個時間點上的頻譜數據以ΔT的間隔時間前后進行對消處理,其中 ΔT=T/Δt(TH＜T＜Ts),考慮到可能存在連續兩跳信號在同一頻點上,因此需要將每個時間點上前后對消的結果進行比較,保留較大的對消值;通過時頻圖功率譜的非線性對消處理,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,頻譜非線性對消處理會使噪底的抖動變大,將真實信號淹沒,為了彌補這一缺點,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,使真實信號很好的凸顯出來,提高了信號的檢測概率。

跳頻信號檢測處理結果如圖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過頻譜非線性對消處理已經完全被去除,并且噪底在頻域上均勻分布,便于檢測門限的確定。該處理算法較傳統的時頻分析方法可以有效地解決跳頻信號和定頻信號發生頻譜碰撞時,跳頻信號的檢測問題,并且處理過程簡單易于硬件實現,對于工程中在現代戰場復雜電磁環境下,進行電子偵察處理具有一定的實際意義。

圖1 頻譜對消前后時頻圖上某時間點的頻譜圖對比

2 跳頻信號拼接

跳頻信號自動拼接是介于網臺分選和跳頻信號解調之間的過程,目的是將已知跳頻參數的跳頻信號在指定中頻上完成拼接,以便于后續的解調處理。跳頻信號自動拼接的處理過程可以簡述如下:

首先從原始采樣數據中檢測出已知參數的跳頻信號,然后通過校時算法準確計算出每一跳信號的起跳時刻和終止時刻,并進行信號提取,此外還需要測量出每跳信號的中心頻率,用于下變頻處理。

2.1 校時算法

跳頻信號自動拼接處理的關鍵是進行時域校時,通常采用計算斜率求拐點的方法來實現。簡述如下:

首先將兩跳時長的跳頻信號在頻域上進行濾波處理,由此在時域上可以得到跳頻信號的包絡,并將包絡進行積分。將積分后的信號分別對起始點和終止點求斜率,在2次處理結果中最大斜率處稱為包絡的左右拐點,即為跳頻信號準確的起跳時刻和終止時刻。

2.2 補零法則

在低信噪比條件下,信號包絡很不平滑,并且由于濾波階數較小或相鄰跳在同一頻點上等原因,使得時域上信號包絡并不唯一,這樣就使校時結果存在較大的誤差,為后續的解調處理帶來困難。為了解決這一難題,通過大量仿真研究發現在進行校時處理時,采用前后補零的方法來延長數據的長度,可以精確定位出拐點的位置。根據校時時可能存在的種種情況,推算出補零法則的范圍公式:

計算左拐點時:

計算右拐點時:

式中,0≤x≤1表示校時時可能存在的不同情況,p(p≠1)為占空比,N為一跳信號的時長,如圖2所示,若要準確確定出圖中所示的拐點位置,需要在數據的前后補充一定長度范圍的零點。

圖2 準確校時補零法則

2.3 校時效果

根據跳頻檢測結果提取一段跳頻數據(至少包含一個完整的跳頻信號)進行校時,根據補零法則一般取補零范圍的中間值作為補零長度,在原始采樣數據的前后添加相應長度的零點采樣數據,然后將延長后的跳頻數據根據校時算法計算左右拐點,定位跳頻信號的起始時刻和終止時刻。

通過上述處理,得到的校時結果如圖3所示。由圖3(c)可以清楚地看到改進的校時算法計算出的拐點位置精確的定位到跳頻信號的終止時刻上。因此,補零法則改進的校時算法可以很好的克服時域包絡不平滑和信號包絡不唯一的情況,實現校時誤差為零,為后續解調處理奠定良好的基礎。

圖3 改進的校時算法精確計算出一跳信號的終止時刻

3 結束語

基于時頻圖跳頻圖案進行功率譜非線性對消的跳頻信號檢測算法不僅可以去除跳頻信號中的定頻干擾,改善信噪比,還可以對不均勻的噪底進行均勻化處理,使跳頻信號的檢測概率大大提高。算法處理過程簡單,易于硬件實現,適于在工程實踐中應用,具有很高的推廣價值。

同時,補零法則改進的校時算法可以精確定位拐點的位置,很好地克服時域包絡不平滑和信號包絡不唯一的情況,提高了校時精度。通過仿真驗證,可以實現校時的零誤差,為后續解調處理奠定了良好的基礎。

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