一種采用多分辨率設(shè)計(jì)的短波信號(hào)分析方法

2017-03-02 11:13:31吳玲玲謝華軍張潤(rùn)生

無(wú)線電通信技術(shù) 2017年2期

吳玲玲，謝華軍，張潤(rùn)生

(1.裝備工程技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081；3.中國(guó)人民解放軍75775部隊(duì)，廣東廣州 510010)

吳玲玲1，2，謝華軍3，張潤(rùn)生1，2

由于短波頻段信號(hào)種類眾多、特征各不相同、參數(shù)各有變化，時(shí)變非恒參信道對(duì)信號(hào)偵察產(chǎn)生較大影響，因此短波信號(hào)分析面臨有一定難度的問(wèn)題。基于這一實(shí)際問(wèn)題，提出了多分辨率分析方法，即對(duì)不同信號(hào)采用適合信號(hào)特點(diǎn)的分辨率下進(jìn)行信號(hào)分析,對(duì)采集外界的短波2FSK、8FSK、多音并行PSK及話音等信號(hào)在多種分辨率下的信號(hào)特征呈現(xiàn)進(jìn)行了比較，得到了每個(gè)信號(hào)的最佳分辨率，仿真結(jié)果表明，每種信號(hào)適用于信號(hào)分析的最佳分辨率各不相同，而且與信號(hào)特征參數(shù)密切相關(guān)。

多分辨率；短波信號(hào)；并行多音

0 引言

短波通信因其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、建設(shè)維護(hù)費(fèi)用低、抗毀性強(qiáng)和部署快速靈活等特點(diǎn)，在民用和軍事通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。用以傳送電報(bào)、話音及低速數(shù)據(jù)等，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信有效手段。隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，信號(hào)密度越來(lái)越高，短波頻帶數(shù)據(jù)中可能包含著許多具有不同特點(diǎn)的信號(hào)，如短波常規(guī)信號(hào)、跳頻信號(hào)、突發(fā)信號(hào)、數(shù)字調(diào)制信號(hào)、掃頻信號(hào)、數(shù)據(jù)鏈、ALE，以及各種各樣的人為和非人為的干擾信號(hào)等。如此高度密集的信號(hào)縱橫交錯(cuò)在一起，使得對(duì)短波通信信號(hào)的偵察難度越來(lái)越大。

先對(duì)短波信號(hào)進(jìn)行采樣，在對(duì)采樣數(shù)據(jù)的偵察分析時(shí)采用時(shí)頻圖上的視覺(jué)特征可以將信號(hào)進(jìn)行分類[1]，但采用單一的時(shí)間頻率分辨率對(duì)帶寬內(nèi)信號(hào)進(jìn)行分析的方法并不能滿足要求，如何將基于多分辨率思想[2]設(shè)計(jì)方法成功地應(yīng)用在短波信號(hào)偵察是一個(gè)研究難點(diǎn)。

1 短波信道特點(diǎn)

短波的傳播方式主要分為地波和天波傳播。地波又由地表面波、直接波和地面反射波3種分量構(gòu)成。地表面波沿地球表面?zhèn)鞑ィ苯硬橐暰鄠鞑ィ孛娣瓷洳ń?jīng)地面反射傳播[3]。天波傳播是指電波經(jīng)電離層反射到地面接收點(diǎn)的傳播方式，短波天波的傳播距離可達(dá)到幾百到上千公里，因此利用天波反射傳播可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信。短波傳播示意圖如圖1所示。短波遠(yuǎn)距離通信的主要途徑是天波傳播，天波傳播以電離層為傳輸媒介，經(jīng)過(guò)電離層一次或多次發(fā)射可實(shí)現(xiàn)近距離或遠(yuǎn)距離通信。

圖1 短波傳播示意圖

短波信道對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕怯啥鄰叫?yīng)和多普勒效應(yīng)造成的[4]。多徑效應(yīng)引起信道時(shí)間色散，會(huì)造成信道頻率選擇性衰落。而多普勒效應(yīng)引起信道頻率色散，會(huì)造成信道時(shí)間選擇性衰落，即信道的時(shí)變性。多普勒擴(kuò)展是由多徑傳輸和多普勒頻移現(xiàn)象共同引起的頻率彌散，在時(shí)域表現(xiàn)為時(shí)間選擇性衰落。一般條件下，短波通信的多普勒擴(kuò)展大約為1～10 Hz左右，在劇烈衰落時(shí)最大可達(dá)到40 Hz。

短波通信所使用頻率范圍相對(duì)較窄，信號(hào)的密度分布、能量分布均呈隨機(jī)狀態(tài)，信號(hào)之間干擾嚴(yán)重，另外受信道衰落、天電噪聲及人為噪聲等干擾因素的影響，信號(hào)強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)變化較大，信道底部噪聲電平起伏明顯，隨頻率變化較大。

2 短波信號(hào)的多分辨率分析

在短波頻段中既有民用的廣播電臺(tái)、車載多媒體及船載通信等，又有軍用的機(jī)載、艦載及陸基雷達(dá)等各種戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)通信信號(hào)。短波信道中不僅存在大量的數(shù)字信號(hào)[5-7]、模擬信號(hào)及莫爾斯碼[9]等常規(guī)信號(hào)，還存在多音并行[9-10]、復(fù)合調(diào)制、擴(kuò)頻、跳頻及掃頻等類型的信號(hào)。不同類型的信號(hào)在時(shí)域[11]、頻域[12]以及時(shí)頻域的表現(xiàn)并不相同，通常作為信號(hào)偵察的重要依據(jù)。

設(shè)單音信號(hào)s(t)=Aejw0t，其中A為信號(hào)最大幅度，對(duì)信號(hào)以間隔Ts采樣得到離散時(shí)間信號(hào)s(n)=Aejw0n，n=1,2,…,M，其中M為采樣點(diǎn)數(shù)，則該信號(hào)功率Ps為：

做N點(diǎn)DFT，假設(shè)整周期采樣，得到頻域單音信號(hào)的幅度為：

根據(jù)離散傅里葉變換的能量守恒定理：

且噪聲功率為：

得出噪聲DFT之后能量為：

由于白噪聲在頻域內(nèi)N個(gè)頻域點(diǎn)上均勻分布，所以在一個(gè)頻點(diǎn)上的噪聲功率(實(shí)際是能量)密度為：

那么頻域的視覺(jué)信噪比為：

得到信噪比增益為：

因此，對(duì)于單音信號(hào)，隨著FFT點(diǎn)數(shù)N的增大，頻率分辨特征增強(qiáng)，單音信號(hào)的譜線幅度相對(duì)于噪聲譜線得到增強(qiáng)。

對(duì)于一定帶寬的常規(guī)數(shù)字調(diào)制信號(hào)，以BPSK信號(hào)為例：

當(dāng)P=1/2時(shí)，其功率譜密度為：

對(duì)信號(hào)帶寬內(nèi)信號(hào)能量與帶寬內(nèi)噪聲能量之比得到的視覺(jué)信噪比：

得到信噪比增益為：

因此，對(duì)于一定帶寬的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，隨著FFT點(diǎn)數(shù)N的增大，頻率分辨特征增強(qiáng)，單音信號(hào)的譜線幅度相對(duì)于噪聲譜線沒(méi)有得到增強(qiáng)。圖2給出了對(duì)實(shí)際采集的外界信號(hào)在16K點(diǎn)FFT和64K點(diǎn)FFT2種頻率分辨率下的功率譜密度，信號(hào)中包括單音和帶寬有限信號(hào)，從圖中可以看出，單音信號(hào)在64KFFT比在16KFFT下信噪比增益6dB,而帶寬有限信號(hào)的信噪比增益0dB。

(a) 16K點(diǎn)FFT下單音和帶限信號(hào)的功率譜

(b) 64K點(diǎn)FFT下單音和帶限信號(hào)的功率譜圖2 不同頻率分辨率(FFT點(diǎn)數(shù))下單音和帶寬有限信號(hào)的功率譜

3 仿真結(jié)果

對(duì)采集外界的短波頻偏350Hz，速率56Bd的2FSK信號(hào)，圖3為3種時(shí)頻分辨率下的信號(hào)時(shí)頻圖，由圖中可以看出頻率分辨率18.8Hz時(shí)間分辨率10.7ms下分析信號(hào)，利于將該2FSK信號(hào)的2個(gè)頻率和碼元跳變特征清晰呈現(xiàn)。

(a) 頻率分辨率37.5 Hz，時(shí)間分辨率5.3 ms

(b) 頻率分辨率18.8 Hz，時(shí)間分辨率10.7 ms

對(duì)采集外界的短波頻偏250Hz，速率125Bd的8FSK信號(hào)，圖4為3種時(shí)頻分辨率下的信號(hào)時(shí)頻圖，由圖中可以看出頻率分辨率37.5Hz、時(shí)間分辨率5.4ms下分析信號(hào)，利于將該信號(hào)8FSK的8個(gè)頻率和碼元跳變特征清晰呈現(xiàn)。

(a) 頻率分辨率75 Hz，時(shí)間分辨率2.7 ms

(b) 頻率分辨率37.5 Hz，時(shí)間分辨率5.3 ms

對(duì)采集外界的短波同步音頻偏675Hz，速率44.44Bd的多音信號(hào)，圖5為3種時(shí)頻分辨率下的信號(hào)時(shí)頻圖，由圖中可以看出頻率分辨率18.8Hz、時(shí)間分辨率10.7ms下分析信號(hào)，利于將該信號(hào)開(kāi)始同步音的4個(gè)頻率、3個(gè)頻率碼元跳變和多普勒音等特征清晰呈現(xiàn)。

(a) 頻率分辨率75 Hz，時(shí)間分辨率2.7 ms

(b) 頻率分辨率37.5 Hz，時(shí)間分辨率5.4 ms

對(duì)采集外界的短波話音信號(hào)，圖6為3種時(shí)頻分辨率下的信號(hào)時(shí)頻圖，由圖中可以看出頻率分辨率18.8Hz，時(shí)間分辨率10.7ms下分析信號(hào)，利于將人聲的音節(jié)和諧頻特征清晰呈現(xiàn)。

(a) 頻率分辨率37.5 Hz，時(shí)間分辨率5.4 ms

(b) 頻率分辨率18.8 Hz，時(shí)間分辨率10.7 ms

對(duì)采集外界的短波2FSK、8FSK、多音并行PSK及話音等信號(hào)在采用多分辨下的時(shí)頻圖對(duì)比分析可以看出，對(duì)于每種信號(hào)適合分析的最佳分辨率各不相同，原因在于每種信號(hào)特征參數(shù)不相同，但本質(zhì)上分析最佳分辨率是要與信號(hào)特征參數(shù)成比例的規(guī)律是一致的。從時(shí)間上看，當(dāng)采用的時(shí)間分辨率與信號(hào)的碼元長(zhǎng)度或獨(dú)特特征長(zhǎng)度最接近時(shí)，從頻率上看，當(dāng)采用的頻率分辨率與信號(hào)多音的最小間隔頻率成比例時(shí)，可以將信號(hào)特征清晰呈現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)短波通信目標(biāo)信號(hào)和短波信道特點(diǎn)的具體研究和分析，經(jīng)過(guò)多分辨率下信號(hào)特點(diǎn)的呈現(xiàn)比較和分析，提出了依據(jù)信號(hào)調(diào)制參數(shù)、獨(dú)特字等特征可以進(jìn)行分辨率最優(yōu)計(jì)算，從而在最合適的時(shí)頻分辨率下將信號(hào)的特征呈現(xiàn)，達(dá)到易于信號(hào)分析的目的。短波偵察領(lǐng)域中對(duì)信號(hào)的分析需要在合適的時(shí)間和頻率分辨率下進(jìn)行，由于短波信號(hào)類型的眾多和參數(shù)各不同，因此基于多分辨率設(shè)計(jì)的短波信號(hào)分析方法是一種遵循信號(hào)參數(shù)，將信號(hào)特征清晰呈現(xiàn)，最有利于分析信號(hào)的一種方式。

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A Method of Multi-resolution Analysis for HF Signals

WU Ling-ling1,2,XIE Hua-jun3,ZHANG Run-sheng1,2

(1.Equipment Engineering Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;3.Unit 75775,PLA,Guangzhou Guangdong 510010,China)

A variety of HF signals are joining in the electro-magnetic atmosphere,and the characteristics of these signals are sophisticated with different features and parameters.The unsteady inhomogeneous and dynamic environment,accompanied by random changes of transmission properties exacerbates the challenges of HF radio analysis.A design of multi-resolution analysis for signals is proposed for solving the problem.A certain proper resolution for a signal is introduced according to its characteristics and parameter values.Simulations for HF,2FSK,8FSK,parallel multi-tone PSK and voice signals under the circumstance are performed,the obtained signal features are compared,and the most proper resolution for each signal is found,which validate that each signal has a different proper resolution and that the resolutions are closely related to the signals’ parameters.

multi-resolution;HF signals;parallel multi-tone

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.07

吳玲玲，謝華軍，張潤(rùn)生.一種采用多分辨率設(shè)計(jì)的短波信號(hào)分析方法[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(2)：29-32.

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81370038)

吳玲玲(1982—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：通信對(duì)抗、數(shù)字信號(hào)處理。謝華軍(1970—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：通信工程。

TN911

1003-3114(2017)02-29-4