小波變換在S模式二次雷達(dá)信號分析處理中的應(yīng)用*

李 冰,2，高 勇

(1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都 610065;2.解放軍61398部隊，上海 200137)

1 引 言

二次雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar，SSR)是敵我識別系統(tǒng)(Identification Friend or Foe，IFF)的重要組成部分。目前已知的SSR裝備共分Mark X、Mark XII、Mark XIIA 3代[1],1、2、3/A、4、B、C、D、S、V 9種信號模式。研究SSR信號細(xì)微特征，實現(xiàn)SSR信號快速、高效地檢測、識別和處理，具有重要的軍事和民用價值。

在Mark XII的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的S模式提高了整個識別系統(tǒng)的效率和安全性，成為近年來該領(lǐng)域中討論的熱點。傳統(tǒng)的SSR信號分析工具以傅里葉變換為主[2]，受其時頻分析能力的限制，往往造成分析和處理結(jié)果的精度和效率不高，之后采用的短時傅里葉分析也只能在一個分辨率上進(jìn)行，對很多應(yīng)用不夠精確，存在較大缺陷。而小波分析則克服了短時傅里葉變換在單分辨率上的不足，具有多分辨率分析的特點，在時域和頻域都有表征信號局部信息的能力，時間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號的具體形態(tài)動態(tài)調(diào)整。為此，本文以S模式詢問、應(yīng)答信號為例，探討了如何利用小波變換對SSR信號進(jìn)行分析，從而實現(xiàn)SSR信號的有效處理。

2 S模式詢問、應(yīng)答信號格式

當(dāng)信號接收機(jī)檢測到信號的存在，就需要進(jìn)一步確定信號的類型，判斷是否屬于SSR信號，并區(qū)別哪種模式。

如圖1所示，S模式詢問信號由P1、P2、P6 和P5 4個脈沖組成[2]。傳輸數(shù)據(jù)采用了差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制方式，二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”表示載波相位翻轉(zhuǎn)180°，二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”表示載波相位不翻轉(zhuǎn)[3]。

圖1 S模式詢問信號格式

如圖2所示，S模式應(yīng)答信號由同步頭和數(shù)據(jù)塊組成，其中，同步頭由4個脈沖組成。在傳輸過程中，包括56 bit或112 bit兩種傳輸格式，每比特持續(xù)1 μs。在1 μs內(nèi)，既可以在前半比特也可以在后半比特間隔發(fā)射一個寬度為0.5 μs脈沖:一個脈沖后跟一個無脈沖表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”;反之，一個無脈沖后跟一個脈沖表示“0”，即采用了二進(jìn)制振幅鍵控(ASK)的調(diào)制方式[3]。

圖2 S模式應(yīng)答信號格式

3 傳統(tǒng)信號識別、處理方法

為識別信號的種類，首先要確定脈沖門限的大小，用于檢驗脈沖的存在。隨后，需要進(jìn)行有效脈沖判斷、脈沖中心檢測等步驟，從而實現(xiàn)信號報頭檢測。

3.1 脈沖門限的產(chǎn)生

如果一個采樣點的幅度值高于門限，且其隨后連續(xù)的N個樣點或更多樣點都在門限以上，那么這個采樣點就是一個有效脈沖位置[4]。如果采樣頻率為10點/微秒，那么設(shè)N=3。這樣定義的目的是，至少存在4個連續(xù)樣點高于門限，信號在門限之上維持至少0.3 μs，于是可將其判定有一個脈沖。

3.2 脈沖中心檢測

信號在傳輸過程中會受諸多因素的影響，在脈寬測量有誤差的情況下，上升沿與下降沿必然同時偏移，而此時脈沖中心卻不會有變化[2]。對于脈沖中心位置的檢測可以減小脈寬檢測誤差帶來的不利影響，從而利用信號脈沖特征對信號進(jìn)行輔助判斷。

3.3 報頭檢測

傳統(tǒng)報頭檢測首先將接收數(shù)據(jù)對數(shù)化，再經(jīng)丟棄微弱信號后進(jìn)行報頭脈沖檢測，通過計算參考值，分別進(jìn)行微秒測試(時間測試)、功率一致測試(檢驗4個報頭峰值)和DF確認(rèn)(檢驗數(shù)據(jù)塊前5位脈沖幅度峰值)判斷是否通過所有驗證，再經(jīng)重觸發(fā)(尋找后續(xù)報頭)等過程進(jìn)一步鑒別報頭的有效性[4]。

3.4 詢問、應(yīng)答信號的解調(diào)

圖3(a)為傳統(tǒng)的DPSK解調(diào)流程圖，抽樣判決器的準(zhǔn)確性和復(fù)雜度將影響整個解調(diào)的效率。另外，傳統(tǒng)的ASK解調(diào)流程如圖3(b)所示[3]。

(a)傳統(tǒng)DPSK信號解調(diào)流程

(b)傳統(tǒng)ASK信號解調(diào)流程

4 基于小波變換的S模式信號分析

對圖4(a)中S模式應(yīng)答信號，利用傅里葉變換雖然可以發(fā)現(xiàn)頻譜中頻率的變化，但由于不具有時間分辨力，所以不能檢測信號的間斷點,如圖4(b)，信號中的突變部分和奇異點等不規(guī)則部分通常包含重要的信息[5]。利用小波變換，可以在時間域清晰地區(qū)分信號的躍變節(jié)點，從而計算信號的持續(xù)時間。利用Matlab工具箱中提供的db6小波，對應(yīng)答信號進(jìn)行小波分解時，觀察圖4(c)中第一層小波分解高頻系數(shù)，可以非常清楚地觀察信號的不連續(xù)點，即頻率變化點，這是因為間斷點包含了高頻信息。同樣，對S模式詢問信號進(jìn)行傅里葉變換仍不能檢測信號的間斷點，且進(jìn)行小波分解時，也有相同的效果。

(a)S模式應(yīng)答信號

(b)應(yīng)答信號的傅里葉變化

(c)第一層小波分解高頻系數(shù)

圖5 改進(jìn)的信號脈內(nèi)識別流程圖

在確認(rèn)有效脈沖后，讀取報頭對應(yīng)高頻系數(shù)數(shù)據(jù)，取模后與參考峰值比較，找出對應(yīng)的信號變換時間節(jié)點，若峰值間距為0.8 μs(誤差為±0.1 μs)，則判為S模式詢問信號；若為0.5 μs(誤差為±0.1 μs)，則判為應(yīng)答信號。改進(jìn)后的信號識別流程如圖5所示。

5 S模式信號處理

對于S模式信號格式，采用二進(jìn)制振幅鍵控(ASK)和二進(jìn)制差分相移鍵控(DPSK)兩種調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為4 Mbit/s。因此，兩種調(diào)制信號的區(qū)分、兩種調(diào)制信號的解調(diào)、同步相位翻轉(zhuǎn)點的判決，均是S模式信號識別、處理的技術(shù)難點。

5.1 S模式詢問信號DPSK解調(diào)

區(qū)別于傳統(tǒng)的信號解調(diào)方式，對圖6(a)詢問信號進(jìn)行小波變換后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。對含噪S模式詢問信號進(jìn)行小波變換，仿真結(jié)果如圖6(b)所示。

若令原信號幅度為A，則通過計算圖6(b)中d1系數(shù)137～156點之間的幅值，發(fā)現(xiàn)其模極大值接近Z1信號幅度(A)0.7倍時指示的時間位置是頻率發(fā)生變化的時間節(jié)點，體現(xiàn)了DPSK信號調(diào)制特征。通過圖7的解調(diào)算法，可以根據(jù)信號d1的極大值，得到解調(diào)數(shù)據(jù)為“1 0 1 1 0 1 0”，即可恢復(fù)出傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)。

(a)含噪S模式詢問信號

(b)第一層小波分解高頻系數(shù)

5.2 S模式應(yīng)答信號ASK解調(diào)

如圖8(a)，對Z2信號進(jìn)行小波變換可精確地提取信號變化時間位置信息，通過查找位置信息，可實現(xiàn)ASK解調(diào)。

圖7 小波解調(diào)DPSK算法

(a)含噪S模式應(yīng)答信號

(b)第一層小波分解高頻系數(shù)

仿真中，通過逐漸提高信噪比，得到d2幅度極大值接近于信號幅度(A)的0.4倍，解調(diào)算法如圖9所示。

圖9 小波解調(diào)ASK算法

具體解調(diào)步驟如圖10所示。

圖10 根據(jù)判決位置進(jìn)行ASK解調(diào)

通過仿真可知，在高頻系數(shù)d2的170～320點之間，根據(jù)圖8(b)中系數(shù)的模極大值，可得圖10中解調(diào)數(shù)據(jù)[a]，再經(jīng)兩兩求和，得到解調(diào)的數(shù)據(jù)[f]與原始信息“0 0 1 0 0 1 1 1”相同，即實現(xiàn)解調(diào)。

6 結(jié)束語

空中交通管制和戰(zhàn)場目標(biāo)監(jiān)測是敵我識別器的兩個重要應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。敵我識別信息既可以依托戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸，也可獨立存在于單個識別系統(tǒng)中[6]，由此產(chǎn)生的各類研究領(lǐng)域日益廣泛，特別是在電磁頻譜環(huán)境復(fù)雜多變的情況下，如何正確檢測敵我識別信號的存在，高效處理和分析信號，并對信號加以利用，成為研究的主要方向[7]。不同于傳統(tǒng)時頻分析工具，小波變換在時、頻域可表征信號局部特征，并能進(jìn)行多分辨率分析，因此被譽為“數(shù)字顯微鏡”。利用小波分析方法解決工程問題具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過粗淺的分析，探討了敵我識別S模式信號的檢測方法，提出了其DPSK和ASK兩種調(diào)制方式的解調(diào)算法，有助于拓寬分析處理該類信號的途徑。由于試驗條件所限，仿真環(huán)境與真實電磁環(huán)境相去甚遠(yuǎn)，各種算法效果仍需在實際條件下進(jìn)行驗證。

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