復雜背景下猝發信號的捕獲算法

杜亞琦，盧振鈞（1.通信信息控制和安全技術重點實驗室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

復雜背景下猝發信號的捕獲算法

杜亞琦1，2，盧振鈞1，2
（1.通信信息控制和安全技術重點實驗室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

提出了一種復雜背景下猝發信號的捕獲算法。針對捕獲自適應瞬間通信信號，該捕獲算法采用了信號最大積累和雙門限判決等方法，采用高速的DDR2內存分組，交替讀寫以實現其可靠存儲，并解決了其猝發的隨機概率問題。實際信號測試中，可以在信號繁多的幾百MHz寬帶背景下準確的檢測到猝發信號的信號頭和信號尾，并能實時、自動、完整的捕獲到猝發信號，徹底解決了500MHz瞬時帶寬內的猝發信號實時、盲捕獲問題。

猝發信號；捕獲算法；復雜背景；高速DDR

猝發通信也稱為自適應瞬間通信，在軍事通信中，是比較常用的方法。猝發通信通過將信息壓縮，并采取隨機選擇傳輸時間進行突發方式傳送，持續通常不到1 s，在瞬間將信號傳送完畢，它一般用于隱蔽通信領域，比如潛艇、偵察等的通信，因此，如果能夠對此類信號準確進行捕獲，對反潛和防潛都具有十分重要的作用和意義。

但是猝發信號是一類突發通信信號，由于其有著持續時間短暫和出現時刻隨機的特點，是極難對其進行偵察跟蹤和捕獲的［1］。

文中提出了一種新的算法對猝發信號進行捕獲。通過先將信號進行最大積累，平滑等運算求出信號背景，再應用雙門限判決模式判斷出猝發信號的存在性，并找到猝發信號對應的頻率點，然后通過準確的時鐘延時找到對應的猝發信號的頭和尾，完整捕獲到多個猝發信號并進行保存。

而且基于這種方法的特性，還可以在捕獲猝發信號的同時屏蔽掉跳頻信號和TDMA信號的干擾，傳統的方法是無法實現的。

1　捕獲的基本原理及實現方案

1.1該捕獲算法的基本原理

文中算法目的是克服傳統捕獲技術存在的不足，提高通信偵察裝備對猝發信號捕獲的準確率，根據猝發信號在時域上的持續時間特性，提出一種新的寬帶猝發信號的捕獲方法，這種方法不同于常規的通信信號檢測方法。

文中采用的技術方案首先對信號進行FFT處理，然后在頻域上對信號頻譜進行平滑和最大值積累，再次平滑處理來求得信號背景，然后減去信號背景，利用雙門限判據進行信號檢測獲得信號頻率，根據信號檢測的時間對原始信號進行緩存，以保持完整的信號頭尾信息。根據檢測結果獲得的信號頻率對緩存后的原始信號進行下變頻、濾波抽取等處理，并把完整的信號保存到內存中。由于受到控制計算機硬盤讀寫速度的限制，這里采用了在短時間內把不同的猝發信號保存到不同的內存區域，來保證一定時間內信號不會因為存儲區域的沖突而丟失，通過硬盤讀寫速度和內存區域的平衡，可以達到連續不丟失保存多個猝發信號的目的［2-3］。

1.2具體實現方案

文中提出了一種新的對猝發信號進行捕獲的方法。這種方法主要通過現場可編程門陣列（FPGA）的大規模高速硬件資源進行實時連續處理來實現。為了更好地理解此方法的技術方案，以下結合具體實施方式，作進一步的詳細描述。圖1是本發明提供的寬帶猝發信號捕獲方法的流程圖。

圖1　寬帶猝發信號捕獲方法的流程圖

首先要求出信號的背景，然后再進行猝發信號檢測。根據該領域通常的應用環境，假設處理的信號帶寬為500MHz，采樣頻率為1 600 MHz。根據目前FPGA的處理速度，輸入信號sig（t）為8路并行輸入，每路速率200 MHz。首先對sig（t）進行下變頻濾波和2倍抽取，下變頻頻點為500 MHz帶寬信號的中心頻點，2倍抽取后的信號為r（t）。r（t）為4路并行路輸入，進行并行快速傅里葉變換（FFT）處理，并行FFT的處理點數可取為2 048點。然后求出FFT結果的幅度的對數頻譜，并根據FFT結果順序，把4路數據累加到一路，即每路2 048點FFT對應的第一點累加，第二點累加，依次類推。之后對累加數據求均值，就是除以4。最后對累加完的均值數據進行分塊平滑處理，每塊長度與FFT的處理點數相同，也是2 048點。

其中，分塊平滑處理是指對于連續的數據塊，指定平滑次數m，進行m塊的數據塊的對應位置數據的累加求均值，每m個數據塊累加得到一個結果數據塊，具體實現見公式（1），每一數據塊的大小如步驟一中的2 048，即FFT的處理點數。對于累加完的均值數據，數據序列表示為｛a1，a2，a3，…，ai，…｝。

在本具體實施方式中，平滑次數的控制參數為m=16。經過平滑，最終得到平滑后的頻域數據塊R1（f）。R1（f）數據流中每個數據即為公式1的元素，為下面敘述簡便，令R1（f）序列表示為｛b1，b2，b3，…，bi，…｝，如公式（2）所示。

對平滑后的頻域數據塊R1（f）進行指定塊數的最大值積累。該最大值積累是指在指定一個最大積累次數k的情況下，根據最大積累次數k進行指定塊數的最大值積累，每隔k個數據塊得到一個結果，數據塊大小和平滑數據塊一致，為2 048，最大值積累結果見公式（3）：

在本具體實施方式中，積累次數的控制參數為k=8。經過最大值積累后，最終得到積累后的頻域數據塊R2（f）。R2（f）數據流中每個數據即為公式3的元素，為下面敘述簡便，令R2（f）序列表示為｛c1，c2，c3，…，ci…｝，如公式（4）所示。

對積累后的頻域數據塊R2（f）再次求平滑，結果見公式（5）。

在本具體實施方式中，二次平滑的控制參數為h=256，最終得到平滑后的頻域數據塊R3（f），作為信號背景。

然后R1（f）減去背景信號，獲得頻譜數據R4（f），即計算R4（f）=R1（f）-R3（f）。經過調節平滑次數，可以有效去除背景中的定頻信號、跳頻信號和TDMA信號。也可以通過調節這些參數，將此捕獲方法轉變成用來捕獲跳頻信號或者TDMA信號的方法。這也是此捕獲算法的另一個優點。

最后對R4（f）進行猝發信號檢測。這里，信號檢測采用了雙門限判據，以判斷猝發信號的開始及結束。如圖2所示，兩個門限分別對應信號跳變的上升沿和下降沿。根據門限來判斷猝發信號的發生，保持和結束。經過檢測，獲得信號的頻率，以及對應信號的開始時刻和結束時刻。如果沒檢測到信號，就不做處理，等待信號出現。

圖2　雙門限判決方法示意圖

具體實現的方法為：

1）對信號R4（f）到達的每一塊數據求最大值，和門限1進行判決，大于門限為1，否則為0；

2）根據R4（f）上一塊數據塊的最大值的位置，在當前R4（f）數據塊上的值，和門限2進行判決，大于門限為1，否則為0；

3）把門限1判定結果與門限2的判定結果并列，會有4種結果，結果對應情況和后續處理如表1所示。

表1　猝發信號雙門限判決表

為了得到完成的猝發信號的數據，要對輸入信號r（t）進行緩存，緩存的長度由信號輸入到檢測模塊的運算時間決定，并能保證可以在檢測到信號存在時保留信號完整的頭部信息。然后對緩存后的數據進行下變頻處理，得到下變頻后的完整數據。對下變頻后的數據進行濾波、抽取，得到時域上的完整的猝發信號。

如果要將猝發信號進行存儲，以便將時域上完整的猝發信號連續保存到內存區域中，則要根據不同信號的到達時刻，分別把多個信號保存到不同的內存區域中。在短時間內多個猝發信號連續到達的情況下，這種方式不會引起保存內容的沖突或者覆蓋，以達到保存多個信號的目的。在完成保存一個完整的猝發信號后，通知控制計算機完成捕獲，控制計算機可以立刻讀取該內存區域的信號，讀取完畢后，把該區域標識為可繼續保存標識，此時該區域可以繼續捕獲新的猝發信號［4］。具體見圖3。

圖3　不同信號保存示意圖

2　捕獲算法的難點分析

此捕獲算法的一個難點在于要記錄每個步驟的操作對信號的處理時間，對緩存中的數據進行處理時，都要根據相應的處理時間進行數據對齊，保證檢測結果和原始數據的同步。比如求R4（f）時，關鍵的就是要準確計算出從R1（f）開始的時刻到計算出信號背景R3（f）時用了多少個時鐘周期，要用同時刻的R1（f）數據減去信號背景，才能得到準確的R4（f）來判斷猝發信號是否存在。

另外，在計算信號背景時，兩次平滑與一次積累的參數需要控制好，否則再對R4（f）進行猝發信號檢測時，就會出現漏判信號或者信號存儲不完整的情況。

3　結束語

該算法原理簡單，通用性和可移植性強，捕獲準確率高，捕獲信號完整，而且可以屏蔽掉跳頻信號和TDMA信號等。此算法的可行性已經得到驗證，完全符合設計的要求。另外通過對算法參數的稍加修改，還可以將此算法轉變成用于捕獲跳頻信號或TDMA信號的方法，更加證明了此算法的實用性。

［1］劉雪.通信對抗盲偵察關鍵技術研究［D］.西安:西安電子科技大學，2008.

［2］向敬成，王意青，毛自燦，等.信號檢測與估計［M］.北京:國防工業出版社，1990.

［3］Van Trees H L.Detection，estimation and modulation theory［M］.New York:Wiley，2001.

［4］隋丹，葛臨東.突發信號盲存在性檢測的兩種算法［J］.信號處理，2008，24（5）:863-866.

［5］陶克飚.猝發信號的截獲與測向［J］.通信對抗，2004（4）:36-39.

［6］隋丹.通信信號盲檢測技術研究［D］.鄭州:信息工程大學，2008.

［7］馮文江，王紅霞，侯劍輝，等.一種適合突發通信的信號檢測改進算法［J］.重慶大學學報:自然科學版，2007，30（2）: 58-60.

The acquisition algorithm of burst signal in complex background

DU Ya-qi1，2，LU Zhen-jun1，2
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Jiaxing 314033，China；2.No.36 Research Institute of CETC，Jiaxing 314033，China）

An algorithm for acquisition of burst signal in complex background was proposed in this paper.For adaptive instantaneous communication signalacquisition，the acquisition algorithm using themaximum signalaccumulation and double threshold decisionmethod、high-speed DDR2 Memory packet alternating reading and writing in order to achieve the reliable storage，and solved the problem of random probability of the burst.The head and tail signal can be detected accurately in background with hundreds ofmegabytes bandwidth.And in order tomeet the requirements of the subsequent recognition and demodulation，the algorithm can detect burst signal real-timely，automatically，completely.Completely solve the real-time、blind acquisition of the burstsignal in the instantaneousbandwidth of500MHz.

burst signal；acquisition algorithm；complex background；high-speed DDR

TN911.1

A

1674-6236（2016）19-0188-03

2015-10-14稿件編號：201510078

杜亞琦（1982—），女，河北衡水人，碩士，工程師。研究方向：信號處理。