Link16數據鏈信號參數估計方法研究

王四紅，王 磊，董石磊

(中國人民解放軍63891部隊，河南洛陽 471003)

0 引言

Link16數據鏈是廣泛使用的一種戰術數據鏈，旨在保障各種指揮、控制平臺及武器間交換監視與指揮、控制信息，以提高各兵種作戰能力的通信、導航和識別能力。Link16數據鏈通信以時分多址的方式工作，系統的每個成員都按照統一的系統時基同步工作，在信號上采用了跳頻、直擴、跳時、信道編碼和脈沖工作等諸多的抗干擾措施，具有很強的反偵察和抗干擾性能。下面針對Link16數據鏈信號在檢測的過程中信號特征參數的變化問題，深入分析了Link16數據鏈信號結構特點，重點研究了對Link16數據鏈信號特征參數估計方法。

1 問題的提出

對Link16數據鏈信號的檢測包含了2個方面:一是判斷信號的存在性;二是測量提取Link16數據鏈擴頻信號特征參數。只有完成了這2個任務，才能進行信號處理的后續工作。Link16數據鏈信號采用了直接序列擴頻、高速跳頻和跳時相結合的技術，Link16數據鏈信號的占空比達6.4/26，信號的平均能量很低，是一種類似雷達信號的窄脈沖信號。但與雷達信號相比，其發射機的峰值功率又很小，信號帶寬又相對較寬，導致到達接收機輸入端的信號是一種低信噪比的擴頻信號。因此，對Link16數據鏈信號的檢測具有相當的難度。

文獻［1］詳細分析了在相同的數據樣本長度下，對跳擴信號的檢測性能遠遠不及直擴信號的檢測性能，若要提高Link16數據鏈信號的檢測性能，需加大數據采集樣本數量。在實際數據處理過程中，如果數據采集時間過長，會影響信號數據分析的實時性，數據采集時間過短，樣本數量不足，又會降低對Link16數據鏈信號的檢測性能。因此可采取把不同頻率的信號變換到同一中頻頻率上后相疊加再進行檢測和估計的方法，將大大提高對Link16數據鏈信號的檢測性能。

為了實現這一過程，需要合理估計Link16數據鏈信號載頻、碼速率和擴頻序列等關鍵參數。雖然Link16數據鏈射頻頻率跳變范圍、擴頻碼速率以及擴頻序列已知，但在實際情況中，Link16數據鏈信號跳頻圖案未知，偵收的信號受到環境噪聲、信號傳播衰減和多普勒頻移等因素的影響，其信號特征參數可能發生變化，原始的信號特征參數并不適合作為接收端的分析依據。因此，研究了一種針對Link16數據鏈的射頻信號載頻、碼速率和擴頻序列等關鍵參數的估計方法。

2 Link16數據鏈信號結構特點分析

Link16數據鏈信號采用時分多址(TDMA)技術，信號的基本單位為時隙，時長為7.8125 ms，每個時隙分成信息段和保護段2部分，信息段長度為3.354 ms，保護段長度為4.4585 ms。信息段包含129個脈沖，每個脈沖的寬度為6.4 μs，脈沖重復周期為26 μs。各脈沖之間進行跳頻，載頻在頻段960～1215 MHz之間偽隨機選擇。跳頻點以3 MHz間隔均勻分布，共51個頻點，相鄰脈沖的載頻最小間隔為30 MHz［2］。

為了避免與其他系統發生干擾，實際頻段分為969～ 1008 MHz、1053～ 1065 MHz和 1113～1206 MHz三個子頻段。Link16每個時隙發射的信息構成一條消息，每個脈沖的寬度為6.4 μs，是以一個碼片寬度0.2 μs的32位偽隨機序列作為調制信號對載頻做MSK調制而形成的［3］。與BPSK調制相比，MSK調制所形成的頻譜能量更集中，絕大部分處在3 MHz的帶寬之內。

3 Link16數據鏈信號參數估計方法

3.1 載頻和碼速率估計算法

對于直擴信號的載頻估計法一般有倍頻檢測法和時域延時相乘法等［4］。倍頻檢測法是針對PSK調制的直接序列擴頻信號的一種檢測方法，采用平方變換才能產生新的頻率分量，消除相位跳變，從直接序列擴頻信號中直接用濾波法提取載波。延遲相乘法采用信號與自身延遲相乘的方式估計擴頻碼的碼速率。由于Link16數據鏈射頻信號采用MSK調制，在時域始終處于相位連續狀態，因此上述方法并不適合對Link16數據鏈信號參數估計。

對Link16數據鏈信號參數的測量主要依靠對Link16數據鏈信號的頻譜特征的分析來實現［5］。Link16數據鏈信號的調制方式為MSK調制。對于MSK信號，設接收機接收到的信號為:

且已知MSK信號表達式:

式中，A為振幅;fc為載波頻率;Ts為碼元寬度;ak為第k個碼元的信息;φk為第k個碼元的相位常數;n(t)為高斯白噪聲。令

由上式可以看出，Link16數據鏈信號的2個譜峰頻點為:

對接收端的Link16數據鏈信號進行濾波后，通過檢測2個峰值的位置不但可以得到Link16信號的載頻，而且可以得到擴頻碼的碼速Rs，設2個頻率峰值為f1和f2，得到

Link16數據鏈信號是頻率跳變的MSK信號，采用TDMA工作方式，每個脈沖周期為26 μs。各脈沖之間進行跳頻，載頻在頻段960～1215 MHz之內51個頻點偽隨機選擇，跳頻點以3 MHz間隔均勻分布，帶寬不超過3.5 MHz，相鄰脈沖的載頻最小間隔為30 MHz，因此只需對信號每次采集時長不超過2個脈沖周期便可按照上述方式實現信號載頻和碼速率的估計。

3.2 擴頻序列估計算法

序列估計算法的前提是已經捕獲到載波并且建立了時隙與脈沖的同步。Link16數據鏈信號所采用的跳頻、跳時信號同步的具體方法不在討論范圍之內。

接收到L個字符的數據，按照碼片速率進行采樣(本文考慮每個碼元采一點)，將采樣得到的序列排列成L×32的矩陣為:

式中，S為信號功率;ci，j為第i個字符對應的擴頻序列的第j位;nj，i為對應采樣點上的高斯白噪聲。矩陣中第i行的行向量xi表示第i個字符的接收序列，即

式中，k=0，1，…，31;i=1，2，…，L － 1 。以第 1個接收序列的x0為基準，對后面的L－1個接收序列{xi，i=1，2，…，L － 1}，求出它們與x0的互相關函數:

式中，xi(〈j+k〉32)表示對序列xi(j)向左循環移 k位，即滿足下式:

求出使Ri(k)最大值的k值記為k0。因為各個字符對應的擴頻序列是通過循環移位產生的，所以當xi和x0移位到對應的擴頻序列相位相同時，即對應的擴頻序列相等，c0，j=ci，〈j+k〉32，j=1，2，…，31時，就會出現相關峰，使相關函數值Ri(k)最大。因 此 k0即 是 擴 頻 序 列 {ci，j，j=1，2，…，31}和{c0，j，j=1，2，…，31 }之間的相對位移大小。

于是將第i個采樣序列向左周期移k0位，得到=〈j+k0〉32)。按照這個方法對除第1個接收序列外的所有 L －1 個序列，i=1，2，…，L －1}，它們對應的擴頻序列都是與x0相同的。

因為Link16數據鏈的擴頻碼是隨著時隙而變化的，而一個時隙包含129個脈沖，所以一次處理的字符個數L不能超過129個［6］。如果是為了偵聽Link16數據鏈信號或分析其參數，一般取L=129，即用一個時隙的所有數據來估計序列。為了降低序列估計的錯誤率，可以提高接收數據的采樣速率，即在一個碼片時間內多次采樣，再通過累加求平均的方法減少噪聲的影響。

4 算法仿真與實現

4.1 載頻和碼速率仿真試驗

采用參數如下:直擴碼為31位的m序列加一位基碼組成的 M序列，碼速率5 Mbps，碼元寬度6.4 μs，脈沖周期26 μs，信號噪聲為高斯白噪聲，采樣頻率為3.2 GHz。由于Link16數據鏈信號十分密集，為了方便觀察，只取1個脈沖，生成的Link16數據鏈信號源時域波形和頻譜如圖1所示。

圖1 Link16數據鏈信號時域波形

單個脈沖的載頻估計如圖2所示。從圖2中可以明顯看出2根離散的譜線，即MSK信號對應的f1和f2，這2根譜線所在的中心位置就是Link16數據鏈信號的2倍載頻fc處，通過搜索譜峰位置的方法就可以很容易地確定信號的載頻和碼速率的大小。

圖2 單個脈沖的載頻估計

4.2 擴頻序列仿真試驗

為了驗證所述算法的有效性，用MATLAB進行計算機仿真。由于是為了驗證在時間、頻率已經同步的情況下進行擴頻序列盲估計的性能，因此仿真信號只進行了M序列擴頻。

仿真用以下參數設置:在每個碼片的時間間隔內采樣 8次，碼片速率為5 MHz，采樣速率為40 MHz。擴頻碼采用的是一個自相關性較好的M序列，該序列由一個31位M序列擴展一位基碼后形成。Link16數據鏈信號通過AWGN信道后用上述的算法估計擴頻序列。每次序列估計處理所用到的數據符號數L在仿真中分別取為5、15、30、60和129。L=60時，是用一個時隙內少于一半數目的脈沖來估計擴頻序列;L=129時，則是用一個時隙內的全部129個脈沖進行序列估計。

通過仿真，在不同信噪比的情況下分別計算出序列估計錯誤率，仿真結果曲線如圖3所示。圖中，序列估計錯誤率指的是誤比特率，估計序列與原始的擴頻序列相近(相關性較強)，仍具有實際意義。因此這里并未采用誤符號率。

圖3 序列估計錯誤率曲線

從圖3可以看出，在信噪比高于－9 dB、處理符號數L＞15時，序列估計錯誤率小于10－1，符合應用的要求。這里提出的算法的估計性能會受到序列自相關性的影響，序列自相關越好，估計性能就越好。由于Link16數據鏈信號采用的是以比較短的M序列作為擴頻序列，序列的自相關性并不是很好，所以直接應用算法進行估計，錯誤率會比較高。為了提高估計性能，可以通過對接收數據進行采樣，以減少噪聲的影響。在仿真中采用了8點的過采樣，可以得到比較精確的估計結果。另外，從圖中可以看出，L分別為30、60和129時的3條曲線比較接近，即使在處理符號數L=30時，也沒有比處理符號數L=129時性能降低多少，說明即使只用一個時隙內較少的若干數據符號進行序列估計，也有比較好的性能。

5 結束語

Link16數據鏈信號采用了一種混合擴頻通信方式，由直接擴頻和跳頻組合構成。在對Link16數據鏈信號存在性檢測的基礎上，提出了對Link16數據鏈信號的載頻、碼速率和擴頻序列等相關參數的估計方法，針對低信噪比情況下對Link16數據鏈信號的檢測問題，通過對Link16數據鏈信號關鍵參數估計算法的研究，可以為用于提高信號檢測性檢測時增加樣本量奠定理論基礎。另一方面，研究對象為Link16數據鏈這種跳擴信號，對于加深理解常規直擴信號與跳擴信號的工作性能差異也有積極的借鑒意義。 ■

［1］朱 攀.直接序列—跳頻混合擴頻信號檢測與參數估計方法研究［D］.成都:電子科技大學碩士論文，2007:56－70.

［2］蔡曉霞，陳 紅，郭建蓬.Link16通信信號結構分析［J］.艦船電子對抗，2004(6):20 －25.

［3］蔡曉霞，陳 紅，王可人，等.Link-16信號結構研究［J］.現代軍事通信，2004(6):14 －18.

［4］孫銘芳.直擴信號檢測和PN碼參數估計的研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2006(1):18－23.

［5］JIN Yan.A Cyclic-Cumulant Based Method for DS-SS Signal Detection and Parameter Estimation［J］.IEEE，2005(4)10－15.

［6］申振寧，曾興雯，周子琛，等.LINK16系統仿真與性能分析［J］.計算機仿真，2005(2):23－25.