基于寬帶接收的星載信號(hào)處理技術(shù)?

蘇琳

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

基于寬帶接收的星載信號(hào)處理技術(shù)?

蘇琳

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

分析了衛(wèi)星有效載荷信號(hào)處理需求，提出了基于寬帶接收的星載信號(hào)處理技術(shù)流程，針對(duì)星載硬件資源有限和需要實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)信號(hào)搜索匹配的要求，同時(shí)考慮到寬帶接收時(shí)接收靈敏度較差等問(wèn)題，給出了適于星載實(shí)現(xiàn)的多信號(hào)分離、低信噪比下調(diào)制識(shí)別和輻射源細(xì)微特征提取方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的有效性。

電子偵察衛(wèi)星；寬帶接收；信號(hào)處理；多信號(hào)分離；調(diào)制識(shí)別；細(xì)微特征提取

1 引言

電子偵察衛(wèi)星作為獲得情報(bào)信息的重要手段，主要任務(wù)是掌握地面的無(wú)線電信號(hào)情況，識(shí)別信號(hào)特征并測(cè)定輻射源位置，解讀通信內(nèi)容，從中破譯其信息內(nèi)涵。通過(guò)分析國(guó)外電子偵察衛(wèi)星現(xiàn)狀和未來(lái)規(guī)劃［1-5］可以看出，美、俄等軍事強(qiáng)國(guó)非常重視電子偵察衛(wèi)星的發(fā)展，其偵察載荷頻段越來(lái)越寬，偵察信息從地面處理向星上處理發(fā)展，信息獲取從事后向?qū)崟r(shí)處理或近實(shí)時(shí)處理分發(fā)發(fā)展，這些都對(duì)我國(guó)電子偵察衛(wèi)星偵察載荷信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展有很大的啟示。

2 電子偵察衛(wèi)星有效載荷信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展需求

電子偵察衛(wèi)星的功能集中體現(xiàn)在其有效載荷上，只有具備強(qiáng)大的載荷處理能力，尤其是星上實(shí)時(shí)處理能力，才能充分發(fā)揮電子偵察衛(wèi)星的功效。根據(jù)偵察任務(wù)的不同，星載信號(hào)處理需求具有多元化、多樣式和多層次的特點(diǎn)。通常可以分為兩類基本需求，第一類需求是在星上盡可能保留原始信息，在地面進(jìn)行深化處理。但是考慮到星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)傳能力有限，因此對(duì)全采集數(shù)據(jù)需要采用帶寬估計(jì)、通帶濾波、采樣抽取等處理，在保證信號(hào)信息完整的條件下，盡可能降低數(shù)據(jù)量。第二類需求是提高星上處理能力，對(duì)具有先驗(yàn)知識(shí)或者具備處理?xiàng)l件的信號(hào)可以增加星上解調(diào)等功能，一方面可以提高信息實(shí)時(shí)獲取能力，另一方面也可以大幅度降低星上存儲(chǔ)和數(shù)傳壓力。滿足第二類類任務(wù)需求的星載信號(hào)處理流程如圖1所示。

與窄帶星載信號(hào)處理方法相比，基于寬帶接收的信號(hào)處理方法增加了多信號(hào)分離和輻射源細(xì)微特征提取等功能。針對(duì)星載硬件資源有限、星上處理算法不應(yīng)過(guò)于復(fù)雜及偵收時(shí)效性要求較高等特點(diǎn)，本文后續(xù)將詳細(xì)研究適于星載實(shí)現(xiàn)的處理方法。

3 需要重點(diǎn)發(fā)展的星載寬帶信號(hào)處理技術(shù)

圖1 窄帶星載信號(hào)處理流程Fig.1 Narrowband space-borne signal processing flow

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以及為解決頻譜資源日益擁擠的問(wèn)題，各種高效頻譜調(diào)制方式不斷得到應(yīng)用，電子偵察衛(wèi)星面臨的信號(hào)環(huán)境更加復(fù)雜。為了加快信號(hào)搜索速度，提高信號(hào)截獲概率和情報(bào)獲取能力，偵察載荷接收信道越來(lái)越寬，由此帶來(lái)接收帶寬內(nèi)信號(hào)數(shù)量大幅度增加，并存在大量多個(gè)信號(hào)混疊的混合信號(hào)等問(wèn)題。同時(shí)，相對(duì)于窄帶而言，寬開接收還會(huì)導(dǎo)致數(shù)字動(dòng)態(tài)和接收靈敏度等變差。如果沿用以往窄帶處理流程，并采用時(shí)、頻濾波等傳統(tǒng)信號(hào)處理手段對(duì)這些混合信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別性能將大幅度降低。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種新的基于寬帶接收的星載信號(hào)處理流程，如圖2所示。

圖2 基于寬帶接收的星載信號(hào)處理流程Fig.2 Space-borne signal processing flow based on wideband reception

在星載寬帶偵察條件下，由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道較高，波束覆蓋范圍大，同一時(shí)刻接收的信號(hào)會(huì)很多，也就形成了時(shí)域高度密集、頻譜嚴(yán)重重疊的多信號(hào)混疊的電磁環(huán)境。因此，基于寬帶偵收的星載信號(hào)處理需重點(diǎn)研究三類技術(shù)：一是多信號(hào)分離技術(shù)，特別需要研究對(duì)頻譜混疊信號(hào)的盲分離方法；二是信號(hào)識(shí)別技術(shù)，由于接收頻域?qū)掗_，進(jìn)入接收帶寬的噪聲較多、信號(hào)信噪比較低，再考慮到衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，因此需要研究適應(yīng)低信噪比和快多普勒變化的識(shí)別技術(shù)；三是輻射源細(xì)微特征提取技術(shù)，通過(guò)提取信號(hào)的細(xì)微特征，完成在大量目標(biāo)中對(duì)重點(diǎn)輻射源的個(gè)體識(shí)別。

3.1 多信號(hào)分離技術(shù)

多信號(hào)混疊包括兩種典型情況，即頻譜非混疊和頻譜混疊。對(duì)于第一種情況，我們文獻(xiàn)［6］中已經(jīng)進(jìn)行了研究討論。下面重點(diǎn)研究頻譜混疊的多信號(hào)盲分離方法。

頻譜混疊的多信號(hào)盲分離可以分為單通道盲分離和多通道盲分離。目前，單通道盲分離還在研究階段且算法相對(duì)復(fù)雜，難以在星上實(shí)現(xiàn)，這里重點(diǎn)討論多通道的盲分離問(wèn)題。假設(shè)N個(gè)窄帶遠(yuǎn)場(chǎng)通信信號(hào)s（t）入射到M個(gè)陣元組成的天線陣上，由于各個(gè)信號(hào)的入射方向不同而引起的幅度衰減和時(shí)間延遲的不同，得M個(gè)陣元接收到的混合信號(hào)如下所示：

[x1（t），x2（t），…，xM（t）]T，N為源信號(hào)數(shù)目，M為陣元數(shù)目，N＞M，A=[a1，…，aN]∈ CCM×N為復(fù)數(shù)矩陣。

在實(shí)際信號(hào)環(huán)境中，由于電磁環(huán)境復(fù)雜，天線接收到的混合信號(hào)個(gè)數(shù)往往大于陣元個(gè)數(shù)，面臨的是一個(gè)欠定盲分離問(wèn)題。下面給出一種基于“兩步法”的欠定盲分離算法：首先通過(guò)二階欠定盲辨識(shí)來(lái)估計(jì)混合矩陣A［7］，然后把通過(guò)子空間正交投影的方法估計(jì)出源信號(hào)［8］。假設(shè)源信號(hào)相互獨(dú)立，計(jì)算信號(hào)不同時(shí)延下的協(xié)方差矩陣Ck1≤k≤() K，即：

定義三階張量C和矩陣D，其中（C）ijk=（Ck）ij，Dkr=D[]krr。通過(guò)對(duì)張量C進(jìn)行正則分解就可以估計(jì)出混合矩陣A。在混合矩陣A已知的條件下可以估計(jì)出源信號(hào)。先通過(guò)短時(shí)傅里葉變換把信號(hào)變換到時(shí)頻域，則信號(hào)模型可以表示為

假定任意時(shí)頻點(diǎn)上同時(shí)存在的不為零的源信號(hào)數(shù)目為L(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的混合矩陣列矢量為一般情況令L=M-1，則上式可以簡(jiǎn)化為

通過(guò)計(jì)算矩陣AL的偽逆就可以估計(jì)出不為零的源信號(hào)，即：

最后，通過(guò)逆短時(shí)傅里葉變換就可以估計(jì)出源信號(hào)的時(shí)域波形。

在以下仿真條件下，通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證上述算法的有效性：陣元數(shù)M=3，源信號(hào)數(shù)N=4，陣元間距1／2波長(zhǎng)，信號(hào)頻率為350 kHz、500 kHz、750 kHz、950 kHz，調(diào)制樣式為MSK，信息速率為270 kbit／s，采樣率為2.7 MHz。結(jié)果表明，該算法能夠從混合信號(hào)中較好地恢復(fù)出源信號(hào)。

3.2 低信噪比和多普勒頻率快速變化下信號(hào)識(shí)別技術(shù)

星載寬帶接收條件下，信號(hào)識(shí)別主要面臨的問(wèn)題是低信噪比和多普勒頻率的快速變化。這兩個(gè)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致信號(hào)參數(shù)估計(jì)精度下降，從而降低信號(hào)的識(shí)別正確率。設(shè)偵收帶寬為B0，信號(hào)帶寬為Bs，設(shè)計(jì)帶通濾波器濾波后，信號(hào)功率近似不變，信噪比改善為B0／Bs。下面重點(diǎn)討論多普勒變化率補(bǔ)償方法及其效果。

多普勒頻率的快速變化將對(duì)信號(hào)識(shí)別帶來(lái)不良影響。例如，判定BPSK信號(hào)的必要條件之一就是：信號(hào)倍方后，頻譜圖會(huì)出現(xiàn)單個(gè)強(qiáng)峰。而當(dāng)多普勒頻率快變時(shí)，頻譜峰被展寬，相應(yīng)地降低了譜峰強(qiáng)度，特別是在信噪比較低時(shí)，容易使得譜峰淹沒(méi)在噪聲中，從而降低了識(shí)別正確率，因此需要補(bǔ)償多普勒的變化，重新將譜峰能量聚集起來(lái)。

可以采用兩類方法進(jìn)行多普勒變化率補(bǔ)償，一是基于定位輔助的補(bǔ)償方法，即首先對(duì)輻射源定位，然后基于輻射源位置及衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)反推并補(bǔ)償多普勒變化率；二是基于信號(hào)的補(bǔ)償方法，即在信號(hào)建模及識(shí)別算法中考慮多普勒變化率的影響，此處主要討論后者。以BPSK信號(hào)為例，其復(fù)包絡(luò)可表示為

對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行倍方處理，可得：

其中exp（-j2παt2）表征了對(duì)多普勒變化率的補(bǔ)償，在α-f二維平面內(nèi)搜索，當(dāng)時(shí)，F(xiàn)達(dá)到最大值若不考慮多普勒變化

在考慮信號(hào)噪聲的條件下進(jìn)行MATLAB仿真分析，以進(jìn)一步說(shuō)明補(bǔ)償多普勒變化率的必要性。設(shè)BPSK信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.1 s，多普勒變化率為800 Hz／s，信噪比為-12 dB。圖3給出了多普勒變化率補(bǔ)償前后倍方信號(hào)的頻譜圖。補(bǔ)償多普勒變化率后，信號(hào)頻譜峰值明顯增強(qiáng)，抗噪能力大大提升，從而有利于提高信號(hào)識(shí)別正確率。率，即令α=0，則無(wú)論f如何取值，都無(wú)法使得Fα

圖3 多普勒補(bǔ)償前后的倍方信號(hào)頻譜圖Fig.3 The square signal spectrum diagram before and after Doppler compensation

3.3 輻射源信號(hào)細(xì)微特征分析技術(shù)

對(duì)輻射源進(jìn)行準(zhǔn)確個(gè)體識(shí)別時(shí)，需要提取信號(hào)細(xì)微特征，分析其特征能夠提高星載寬帶信號(hào)處理的偵收效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)信號(hào)的快速匹配。通信輻射源細(xì)微特征可以在時(shí)域、頻域、變換域等體現(xiàn)，研究表明，瞬時(shí)頻率是一類有效的細(xì)微特征，許多系統(tǒng)在接通、斷開甚至是穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于物理設(shè)備之間固有的差異性，信號(hào)的瞬時(shí)頻率具有不同的變化規(guī)律。

假設(shè)真實(shí)的信號(hào)為

式中，Tw為信號(hào)持續(xù)時(shí)間，A（t）為幅度，φ（t）表示相位為瞬時(shí)頻率?？紤]信號(hào)的如下離散觀測(cè)樣點(diǎn)：

式中，n=1，2，…，N，N為信號(hào)樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣間隔，ε（nT）為零均值、方差為σ2復(fù)高斯白噪聲。

當(dāng)信噪比足夠高，若將相位的觀測(cè)表示成φ（nT），則其可近似為

式中，相位噪聲u（nT）服從高斯分布，且相互獨(dú)立。

圖4 不同方法的瞬時(shí)頻率估計(jì)效果對(duì)比Fig.4 The results contrastof different instantaneous frequency estimationmethods

瞬時(shí)頻率是相位的導(dǎo)數(shù)，因此，只要估計(jì)出相位函數(shù)，就可以求得瞬時(shí)頻率，于是，問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為從一組觀測(cè)數(shù)據(jù){(nT，φ（nT ）)，n=1，2，…，N}中估計(jì)未知函數(shù)φ（t）的過(guò)程。對(duì)瞬時(shí)頻率的測(cè)量可以采用多種方法，圖4顯示了基于相位局部多項(xiàng)式逼近的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法與相位多項(xiàng)式建模法的估計(jì)性能仿真分析結(jié)果?？梢钥闯?，前者性能要優(yōu)于后者，它通過(guò)局部逼近的方式較好地實(shí)現(xiàn)了模型偏差與估計(jì)方差的折衷，抑制了噪聲的影響。

總體來(lái)看，輻射源細(xì)微特征提取方法運(yùn)算量較大，今后還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，使其能夠滿足星載實(shí)時(shí)處理要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)，世界主要軍事強(qiáng)國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展電子偵察衛(wèi)星，而且隨著偵察對(duì)象的通信和雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，星上寬帶接收處理需求越來(lái)越迫切，對(duì)電子偵察載荷的技術(shù)要求也越來(lái)越高。很多信號(hào)處理技術(shù)通過(guò)在地面驗(yàn)證成熟后可逐步向星上實(shí)時(shí)處理轉(zhuǎn)化，在電子偵察衛(wèi)星戰(zhàn)略情報(bào)保障能力不斷提升的同時(shí)，大幅度提高戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)情報(bào)保障能力。本文提出了基于寬帶接收的信號(hào)處理流程，給出了主要關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑，可為發(fā)展電子偵察衛(wèi)星有效載荷提供較好的技術(shù)支撐。

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SU Linwasborn in Nanchong，Sichuan Province，in 1979.She received theM.S.degree in 2009.She is now an engineer.Her research concerns digital communication signal processing and integrated aerospace electronics technology.

Email：slbea＠163.com

《電訊技術(shù)動(dòng)態(tài)》征稿啟事

《電訊技術(shù)動(dòng)態(tài)》（月刊）創(chuàng)刊于1972年，是由中國(guó)西南電子技術(shù)研究所主辦的內(nèi)部刊物，主要報(bào)道與下述專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的國(guó)際廠商科研動(dòng)態(tài)；外軍先進(jìn)裝備研發(fā)、試驗(yàn)和使用情況；學(xué)術(shù)交流和展會(huì)信息。本著服務(wù)于國(guó)內(nèi)軍工科研的目的，提供國(guó)外軍事技術(shù)與裝備的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，服務(wù)于研發(fā)生產(chǎn)為宗旨的辦刊原則，將《電訊技術(shù)動(dòng)態(tài)》發(fā)展成國(guó)內(nèi)以軍工電子為主的行業(yè)動(dòng)態(tài)是我們長(zhǎng)期不懈的目標(biāo)。

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Space-borne Signal Processing Technology Based on W ideband Reception

SU Lin
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The signal processing requirement of satellite payload is analysed，and the processing flow based on wideband reception is put forward.According to the requirement of realizing important targetmatching and in consideration of the hardware resource limitation and the poor receiving sensitivity of wideband reception，the multi-signal blind separation，modulation type recognition under low Signal-to-Noise Ratio（SNR）and fingerprint signatures analysis algorithms are given，which are suitable for space-borne equipment.Simulation results show the effectiveness of the algorithms.

electronic reconnaissance satellite；wideband reception；signal processing；multi-signal separation；modulation type recognition；fingerprint signature extract

TN911.7

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.07.023

蘇琳（1979—），女，四川南充人，2009年獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信信號(hào)處理、航天載荷系統(tǒng)綜合化設(shè)計(jì)。

1001-893X（2011）07-0113-05

2011-05-19；

2011-06-20