基于時頻特征的Link4A和Link11信號檢測方法研究

唐力強 衛 超

(中國電子科技集團公司第三十六研究所 嘉興 314033)

基于時頻特征的Link4A和Link11信號檢測方法研究

唐力強 衛 超

(中國電子科技集團公司第三十六研究所 嘉興 314033)

研究了一種快速檢測Link4A、Link11數據鏈信號的新方法。根據Link4A、Link11信號的持續時間和消失時間特性建立特征樣本庫,對待測試數據鏈信號進行時-頻-幅檢測,包括濾波、AD數據采集、時頻瀑布圖數據分幀,并去除背景噪聲干擾,計算每個信道實際的信號持續時間和消失時間,再與特征樣本庫比對,通過模式匹配和聚類相關,就檢測出Link4A、Link11數據鏈信號,還可判別出該類信號的詳細特征參數。該方法檢測速度快,準確率高,檢測參數可配置,算法通用性強。

信號檢測; Link4A、Link11數據鏈; 時頻特征

Class Number TP334

1 引言

戰術數據鏈是供戰區聯合作戰中各軍種共同使用、傳輸各種格式化數據的信息傳輸系統,以美軍為首的西方發達國家在C4ISR系統構建過程中,普遍將Link4A、Link11等數據鏈作為其中的關鍵環節,構成各軍種指揮控制通信情報系統裝備體系,因此,對Link4A、Link11數據鏈信號的快速檢測識別有著重要的價值。

但現有裝備在信號處理上,大多采用的是對Link4A、Link11數據鏈信號作頻域分析的方法,跟硬件系統關聯性太多,且Link4A和Link11信號檢測分時操作,檢測時間長,識別正確率不穩定,而忽略了Link4A、Link11數據鏈信號在時域上的持續時間特征。

2 Link4A數據鏈信號時頻特征分析

Link4A數據鏈信號美軍稱之為TADIL-C,可用于地對空、空對地、空對空的戰術通信,使用串行傳輸和標準文電格式[1],數據位間隔周期為200 us,數據率5kbps,工作在UHF波段,頻道間隔25kHz,用頻移鍵控(FSK)調制載波發射,載頻偏移±20kHz。

Link4A數據鏈傳輸指令格式的長度是固定的,信號按32ms劃分時隙,即每32ms傳送一次報文,無論網中的受控終端數量多少,這種時間特性恒定不變。這32ms分成兩段:前14ms用于發射消息,等間隔地劃分成70個時隙,稱為70bit的發射控制報文(V系列報文)；后18ms用作接收應答消息,等間隔地劃分成90個時隙,實際應答報文的信號持續時間為11.2ms,稱為56bit的接收應答報文(R系列報文),留空剩余的6.8ms時差用于電波傳播[2]。

控制站數據終端還可工作于機載慣性導航系統(CAINS)校準方式,此時數據傳輸是單向的,受控飛機不產生應答報文。此時在時序特征上,每個32ms周期中,只有14ms的發射報文,沒有接收應答報文。

每個Link4A數據鏈的信號傳輸均由5個不同部分組成:同步脈沖串、保護間隔、起始位、數據、發射非鍵控位。保護間隔跟起始位合并稱為前置碼。在控制報文中,同步脈沖串占8個時隙、保護間隔4個時隙、起始位1個時隙、數據段56個時隙、發射非鍵控位1個時隙[3],如圖1所示。

圖1 Link4A數據鏈的信號發射控制報文傳輸格式

圖2 Link4A數據鏈的信號應答報文傳輸格式

而應答報文中,除數據段占42個時隙與控制報文不同以外,其余4部分所占時隙跟控制報文完全相同,如圖2所示。

因此從上面的分析看出,Link 4A信號從時域上看是斷續的,每一段的信號持續時間是14ms(控制報文)或者11.2ms(應答報文),這是Link4A信號獨特的時域特征。

3 Link11數據鏈信號時頻特征分析

Link11數據鏈信號美軍稱之為TADIL-A,用以支持空中飛行器、陸基地以及艦船等的戰術數據系統相互交換作戰情報信息[4],分HF和UHF兩個工作頻段,由16個副載波音頻單音組成的多音信號對射頻進行調頻(UHF)或單邊帶調制(HF)。

Link11數據鏈信號有三種信息傳輸格式,如圖3所示。按照一問一答的方式,每次信號的持續時間不是固定的。報文主要由報頭幀、相位參考幀以及信息段幀組成。Link11數據鏈有兩種數據速率:對持續時間為13.33ms的幀長,由于一幀內傳30比特,對應的數據速率為2250bps,對持續時間為22ms的幀長,對應的數據速率為1364bps。

網控站發射的信息在不帶戰術數據時,信號持續時間為8幀長度,信號持續時間為8×13.33=106.6ms或者8×22=176ms；若攜帶戰術數據,則信號持續時間為12+2×L幀長度；監督站發射的信號持續時間為10+2×L幀長度,其中,L為報文個數。

圖3 LINK11數據鏈的三種信息傳輸格式

因此從上面的分析可以看出,Link 11信號每次持續的時間不是固定的,而是幀長(13.33ms或22ms)的偶數倍,這是從宏觀上看Link 11信號在時域上的特征。

4 對Link4A和Link11信號檢測方法

深入研究Link4A、Link11信號在時域上的持續時間特性,歸納出所有通信模式下信號持續時間和消失時間規律,作為先驗知識,建立信號持續和消失的時間特征樣本庫；對待測試數據鏈信號進行端點檢測,作實時信號的瀑布圖數據采集,一段時間的多幀原始AD數據,每幀數據內包含各信道的幅度信息,幀與幀之間的采集間隔時間可設置,又與時間信息相關聯,實際反映了時間-頻率-幅度的三維信息。對瀑布圖數據經濾波去除背景噪聲干擾和信號在相鄰信道上抖動,統計各信道的信號持續時間和信號消失時間,再與特征樣本庫內所有通信模式下的信號持續時間和信號消失時間比對,聚類判定,作模式匹配檢測[5],如果時間誤差在允許范圍內,模式匹配就可快速檢測出Link4A、Link11數據鏈信號。流程圖如圖4。

圖4 基于時頻特征的Link4A、Link11檢測流程

在信號檢測具體實施過程中,還有如下關鍵環節:

1) 建立信號持續和消失的時間特征樣本庫。對Link4A、Link11數據鏈信號在所有通信模式下的信號持續時間和信號消失時間,作枚舉歸納,盡可能窮舉,都歸納總結在特征樣本庫中,作為先驗知識,時間特征庫覆蓋越充分,時頻特征檢測方法越準確。Link11的幀時長13.33ms或22 ms,不帶戰術數據的詢問幀長為8幀,信號持續時間為106.6ms或176ms；帶戰術數據呼叫信號,持續時間為(12+偶數幀)乘以幀時長；前哨站應答信號的持續時間為(10+偶數幀)乘以幀時長[6]。Link4A信號32ms周期內,發送控制報文持續時間14ms,應答報文持續時間11.2ms,發射報文和應答報文時間間隔不大于6.8ms。

2) 對待測試數據鏈信號進行時-頻-幅瀑布圖數據采集。包括濾波處理,根據采樣率的不同,選擇適當的參數,將非關注頻段的信號濾除,再作AD數據采集,獲得某個時間片段的原始數據,每幀數據都包含了時間-頻率-幅度信息[7],時頻瀑布圖數據可以存放在內存中,直接供算法調用,或者保存為瀑布圖文件存盤,方便事后回放和查證。所有保存的時頻瀑布圖數據[8],都按標準的格式協議,以圖形化的方式,直觀地演示時間-頻率-幅度的三維信息。

圖5 Link4A數據鏈發射信號的時-頻特征圖

3) 各信道去除背景噪聲干擾。有兩種實現方式,其一:采用幅度直線門限方式,某信道幅度值小于此直線門限值,就認為是噪聲,無信號,只有該信道幅度值大于此直線門限值,才算信號持續存在；其二:采用幅度曲線門限方式,背景曲門限制作,可先采集若干幀AD數據,對每個信道的多幀數據作算術平均,或均方差平均,或最大百分比平均[9]。

4) 對相鄰信道作幅度相關性檢查。若信號在相鄰的幾個信道抖動,在同一幀AD數據中,各信道的前后幾個相鄰信道有且僅有一個信道有信號存在,也可輔助判決信號持續存在。由于Link4A信號本身是FSK調制,信號頻譜特征本身就是雙峰譜,雙峰的峰間隔40kHz。對Link11,即使是FM調制方式,實際信號幅度也存在頻率抖動問題。因此在防頻率抖動處理時,統計哪個信道信號持續次數較多,就可認為信號在該信道持續存在。

5) 對每個信道都作信號持續性檢查,統計各信道信號的持續幀數,從而計算信號持續時間和信號消失時間。信號持續時間計算方法是:信號持續幀數乘以單幀采集間隔時間。信號消失時間計算方法是:信號消失幀數乘以單幀采集間隔時間。

信號存在持續幀數,是某信道連續多幀幅度數據大于門限值的幀數統計,但不以信號幅度值大于門限作唯一判據。如果某信道上已有一定的信號連續持續幀數M,偶爾有一幀幅度值雖然小于門限值,但在該信道上最近持續性檢查期間總消失次數小于N幀,且連續消失的次數小于K幀,還是當作該幀信號持續,持續幀數加1[10]。只有當連續K幀幅度值都小于門限,或持續性檢查期間的總消失次數大于N幀,才算是信號真的消失。其中檢測參數M、N、K,在算法中可配置。

6) 將各信道信號的持續和消失時間,與特征樣本庫匹配比對,聚類判定,可檢測出Link4A 、Link11信號,時間誤差在允許范圍內。如圖5采集了一定時間長度的Link4A時頻瀑布圖數據,接收機作AD數據采集時,單幀采集時間間隔為140 us,如果信號持續幀數是100幀,則信號持續時間為14ms,可以初步判定為Link4A的呼叫應答方式或導航校準方式。再進一步判斷,在32ms的周期時間內,只檢測出某信道有14ms的信號持續時間,接著有18ms的信號消失時間,這種信號持續和消失時間周期性地復現,在經過幾個周期統計后,就可從時間持續性上判定,這是Link4A的呼叫應答方式(有呼無答)。

5 結語

通過對Link4A、Link11數據鏈信號在時域上的持續時間特征分析,研究了一種快速檢測Link4A、Link11數據鏈信號的新方法。首先根據Link4A、Link11數據鏈信號持續和消失的時間特性建立特征樣本庫,再對實際待測試數據鏈信號進行檢測和數據采集,然后對瀑布圖數據去除背景噪聲干擾,計算各信道實際的持續時間和消失時間,經與特征樣本庫模式匹配和聚類判定比對,即可檢測出Link4A、Link11數據鏈信號,并上報詳細特征參數。

本文創新點:本方法原理簡單,檢測算法參數可配置,通用性和可移植性強,識別準確率高,而且Link4A和Link11信號檢測同時進行,速度快,裝備使用效益大大提高,本方法成果已在多型偵察裝備上成功應用,服役部隊,已取得了較好的情報效益。

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Link4A and Link11 Signal Detection Method Based on Time-Frequency Characteristics

TANG Liqiang WEI Chao

(No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing 314033)

A new approach of quick signal detection is studied for link4A and link11 data link. Characteristic sample base is established according to the character of link4A and link11 duration and vanishing time, and the time-frequency-amplitude detection is made on the data link signals to be tested, including filtering, AD data sampling and time-frequency waterfall data frame, and the background noise jam is eliminated. The duration and vanishing time of the actual signal in each channel are calculated and compared with the characteristic sample base with the mode matching and clustering methods, thus link4A and link11 data link signals are detected and the specific characteristic parameters of such signals are distinguished. This method has the advantage of quick detecting speed, high precision, configurable detecting parameters and strong general algorithm.

signal detection, Link4A and Link11 data link, time-frequency characteristics

2016年8月1日,

2016年9月25日

唐力強,男,碩士,高級工程師,研究方向:通信偵察系統總體論證、設計和裝備研制。衛超,男,碩士,助理工程師,研究方向:通信偵察系統總體論證、設計和裝備研制。

TP334

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.02.039