2FSK信號(hào)寬帶識(shí)別算法分析

刁文靜,張志勤

(1.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;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北石家莊050200)

0 引言

傳統(tǒng)的信號(hào)分析識(shí)別算法大多是針對(duì)窄帶接收機(jī)的,也就是說(shuō),接收機(jī)帶寬內(nèi)僅存在一個(gè)信號(hào),并且假定了一個(gè)信號(hào)樣式集進(jìn)行分類識(shí)別;但是,針對(duì)寬帶接收機(jī)的信號(hào)偵察識(shí)別算法,即從進(jìn)入寬帶接收機(jī)信道的眾多個(gè)信號(hào)中分揀出指定的某種信號(hào)的相關(guān)算法報(bào)道甚少。而寬帶接收機(jī)具有搜索速度快、設(shè)備量小等優(yōu)點(diǎn),尤其在軍事情報(bào)偵察和電子對(duì)抗方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛,因此,研究寬帶信號(hào)的自動(dòng)偵察算法是電子對(duì)抗的一個(gè)重要課題。低速率2FSK是短波信道中一種常用的調(diào)制方式,比如美/法/俄的KG-84信號(hào)(75 baud,頻偏425 Hz)和俄國(guó)的6512信號(hào)(81 baud,頻偏500 Hz)都是2FSK調(diào)制方式,在深入分析2FSK信號(hào)特征和寬帶接收機(jī)特征基礎(chǔ)上,針對(duì)低速率2FSK提出了一種寬帶自動(dòng)識(shí)別和參數(shù)測(cè)量算法,下面給出詳細(xì)的分析。

1 2FSK信號(hào)特征

在二進(jìn)制頻移鍵控中載波頻率隨著調(diào)制信號(hào)1或0而變,1對(duì)應(yīng)于載波頻率 f1,0對(duì)應(yīng)于載波頻率f2。二進(jìn)制頻移鍵控已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為[1]：

2FSK信號(hào)在時(shí)域的顯著特征是恒包絡(luò)。

若基帶信號(hào)的“0”、“1”等概出現(xiàn)(即 p=0.5),則非連續(xù)相位2FSK信號(hào)的功率譜密度函數(shù)P2FSK(f)為[1]：

由式(2)可以看出：①2FSK信號(hào)的功率譜密度函數(shù)由連續(xù)譜和離散譜組成,其中,連續(xù)譜由2個(gè)雙邊譜疊加而成,而離散譜出現(xiàn)在2個(gè)載頻位置上;②若2個(gè)載頻之差較小,比如小于,則連續(xù)譜出現(xiàn)單峰;若載頻之差逐步增大,即 f1與 f2的距離增加,則連續(xù)譜將出現(xiàn)雙峰。僅考慮頻差遠(yuǎn)大于碼速率頻譜出現(xiàn)雙峰的情況,2FSK信號(hào)的瞬時(shí)頻率可表示為：

c1c2信息序列。

圖1和圖2分別給出了2FSK信號(hào)的頻譜圖和瞬時(shí)頻率圖。比較圖1和圖2可以看出：①累積頻譜圖中2個(gè)主譜峰位置對(duì)應(yīng)瞬時(shí)頻率圖中最大、最小2個(gè)頻率位置;②圖2描述了由于碼元跳變引起的信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律,此規(guī)律涵蓋了符號(hào)速率信息。而信號(hào)的時(shí)頻圖同時(shí)描述信號(hào)在時(shí)域和頻域的變化規(guī)律,2FSK信號(hào)2個(gè)載頻位置對(duì)應(yīng)的圖像灰度向量與瞬時(shí)頻率圖類似,它也描述了信號(hào)的載頻隨時(shí)間和符號(hào)跳變引起的變化規(guī)律。

圖1 2FSK信號(hào)頻譜圖

圖2 2FSK信號(hào)瞬時(shí)頻率圖

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 寬帶自動(dòng)識(shí)別算法

寬帶接收機(jī)相對(duì)窄帶接收機(jī)的一個(gè)最重要的區(qū)別就是：信道帶寬內(nèi)會(huì)同時(shí)進(jìn)入眾多個(gè)信號(hào),這就意味著原來(lái)針對(duì)窄帶接收機(jī)信號(hào)分析識(shí)別所常用的時(shí)域特征參數(shù)(包括瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位以及瞬時(shí)頻率等)對(duì)寬帶信號(hào)識(shí)別都失去了意義。而為了提高運(yùn)算速度,通常將FFT運(yùn)算放在硬件平臺(tái)中FPGA實(shí)現(xiàn)。因此,如何利用頻譜特征和時(shí)頻特征進(jìn)行分析識(shí)別成為寬帶偵察厄待解決的問題。下面給出一種新的分析思路。

2.1.1 特征參數(shù)提取由上節(jié)分析可知,2FSK信號(hào)具有以下2個(gè)特征：①頻譜出現(xiàn)2個(gè)峰,峰值間隔的一半即為頻偏;

②時(shí)頻圖上與累積頻譜譜峰位置對(duì)應(yīng)的2個(gè)幅度向量(灰度值)具有互補(bǔ)性,理論上相加后為一常量。

對(duì)于特征①,可以用譜峰數(shù)目和間隔2個(gè)特征參數(shù)來(lái)描述;

對(duì)于特征②,f1與f2的互補(bǔ)性可以用灰度方差來(lái)描述。

2.1.2 算法流程

根據(jù)2FSK信號(hào)上述特征,選擇譜峰數(shù)目、譜峰間隔和灰度方差3個(gè)特征參數(shù),得到如圖3所示寬帶自動(dòng)識(shí)別算法流程圖。

首先,計(jì)算寬帶累積譜并搜索譜峰,計(jì)算譜峰間隔,記錄間隔小于一定門限th0的譜峰位置序號(hào),此處可能存在2FSK信號(hào);

然后,根據(jù)時(shí)頻圖上對(duì)應(yīng)位置灰度方差進(jìn)一步確認(rèn)。即,提取時(shí)頻圖上每個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)位置的灰度向量值,計(jì)算方差cha1(i)、cha2(i),以及譜峰間隔小于th0的位置對(duì)應(yīng)的灰度向量和方差cha0(i),i為疑似2FSK信號(hào)序號(hào)。若cha0(i)

圖3 2FSK信號(hào)寬帶偵察流程圖

2.2 參數(shù)測(cè)量算法

中心頻率和頻偏在識(shí)別出2FSK信號(hào)的同時(shí)已經(jīng)得到,下面主要介紹碼速率的測(cè)量方法。

傳統(tǒng)的針對(duì)窄帶數(shù)據(jù)的2FSK碼速率 測(cè)量算法都是通過(guò)時(shí)域采樣數(shù)據(jù)計(jì)算瞬時(shí)頻率,然后提取其周期性得到的。對(duì)于寬帶數(shù)據(jù)情況,要想利用窄帶信號(hào)處理算法就必須首先進(jìn)行窄帶濾波將寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)為窄帶信號(hào),但是通常2FSK信號(hào)的有效帶寬相對(duì)寬帶接收機(jī)帶寬來(lái)說(shuō)很窄,濾波器難于實(shí)現(xiàn),本文提出了一種基于頻譜數(shù)據(jù)的處理算法,巧妙地規(guī)避的上述問題,原理描述如下。

2FSK信號(hào)的時(shí)頻圖上2個(gè)載頻位置所對(duì)應(yīng)的灰度向量描述了頻率隨碼元跳變而變化的規(guī)律,其中隱含了碼元速率的信息,計(jì)算2個(gè)灰度向量的差值即可完全恢復(fù)其變化規(guī)律,提取其周期性即可得到碼速率信息。

3 算法測(cè)試分析

3.1 寬帶自動(dòng)識(shí)別算法測(cè)試分析

取采樣率22 050 Hz,2FSK信號(hào)的碼速率75 baud,中心頻率2 500 Hz,頻偏500 Hz,112個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度;并加入CW、BPSK、ASK三個(gè)干擾信號(hào)仿真寬帶多信號(hào)情況,參數(shù)設(shè)置分別為：ASK信號(hào)中心頻率4 000 Hz,碼速率 150 baud;BPSK信號(hào)中心頻率6 000 Hz,碼速率525 baud;CW信號(hào)中心頻率為8 000 Hz。不同信噪比下仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,在2FSK信號(hào)有效帶寬內(nèi)的信噪比＞6 dB時(shí),自動(dòng)偵察正確率達(dá)95%以上,虛警率0,漏警率<5%。表1給出了SNR=6 dB時(shí)時(shí)頻圖上對(duì)應(yīng)各信號(hào)載頻位置的灰度方差及和方差的測(cè)試結(jié)果。

由表1可以看出,仿真測(cè)試遍歷了2FSK信號(hào)附近存在CW,ASK和BPSK強(qiáng)干擾信號(hào)的情況以及非2FSK譜峰虛警的情況,測(cè)試數(shù)據(jù)表明,僅僅2FSK信號(hào)2個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的灰度滿足互補(bǔ)條件,該方法可以有效地從寬帶信號(hào)中識(shí)別出2FSK信號(hào),驗(yàn)證了算法的可行性。

表1 各信號(hào)對(duì)應(yīng)灰度方差及和方差

3.2 參數(shù)測(cè)量算法測(cè)試分析

取采樣率11 025 Hz,,碼速率75 baud,中心頻率2 500 Hz,頻偏 500 Hz,單次FFT長(zhǎng)度 32點(diǎn),FFT幀數(shù)1 024幀,在不同信噪比下個(gè)做了多次仿真試驗(yàn),結(jié)果表明,信噪比大于6 dB時(shí),能正確估計(jì)出碼速率。圖4給出了SNR=6 dB時(shí)碼速率提取最后一步原理示意圖。由圖4譜峰的橫標(biāo)位置即可得到碼速率,估計(jì)精度取決于頻率分辨率(Fs/N)的大小,其中,Fs為采樣率,N為FFT幀數(shù)。

圖4 碼速率提取最后一步示意圖

4 算法的工程實(shí)現(xiàn)

短波寬帶信道2FSK信號(hào)自動(dòng)識(shí)別的工程實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 工程實(shí)現(xiàn)框圖

圖5中A/D采樣完成寬帶模擬中頻的數(shù)字變換,輸出的寬帶數(shù)據(jù)給FFT處理模塊,完成寬帶數(shù)據(jù)從時(shí)域到頻域的變換,變換輸出的寬帶頻譜送給DSP處理模塊,2FSK信號(hào)自動(dòng)識(shí)別在DSP中實(shí)現(xiàn),并輸出識(shí)別結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

將圖像處理的思想應(yīng)用于短波寬帶信號(hào)識(shí)別,為復(fù)雜電磁環(huán)境下的信號(hào)分離和識(shí)別技術(shù)開辟了新的途徑,同時(shí),也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)的解調(diào)、破譯及實(shí)施干擾提供了前提。該算法運(yùn)算復(fù)雜度低,運(yùn)算速度快,工程易于實(shí)現(xiàn),節(jié)約硬件成本,且性能穩(wěn)健,因此,在短波通信對(duì)抗裝備中將會(huì)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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