Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法研究

王四紅，王 磊，董石磊

(中國(guó)人民解放軍63891部隊(duì)，河南洛陽 471003)

0 引言

Link16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菑V泛使用的一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，旨在保障各種指揮、控制平臺(tái)及武器間交換監(jiān)視與指揮、控制信息，以提高各兵種作戰(zhàn)能力的通信、導(dǎo)航和識(shí)別能力。Link16數(shù)據(jù)鏈通信以時(shí)分多址的方式工作，系統(tǒng)的每個(gè)成員都按照統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)基同步工作，在信號(hào)上采用了跳頻、直擴(kuò)、跳時(shí)、信道編碼和脈沖工作等諸多的抗干擾措施，具有很強(qiáng)的反偵察和抗干擾性能。下面針對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)在檢測(cè)的過程中信號(hào)特征參數(shù)的變化問題，深入分析了Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)特征參數(shù)估計(jì)方法。

1 問題的提出

對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)包含了2個(gè)方面:一是判斷信號(hào)的存在性;二是測(cè)量提取Link16數(shù)據(jù)鏈擴(kuò)頻信號(hào)特征參數(shù)。只有完成了這2個(gè)任務(wù)，才能進(jìn)行信號(hào)處理的后續(xù)工作。Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)采用了直接序列擴(kuò)頻、高速跳頻和跳時(shí)相結(jié)合的技術(shù)，Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的占空比達(dá)6.4/26，信號(hào)的平均能量很低，是一種類似雷達(dá)信號(hào)的窄脈沖信號(hào)。但與雷達(dá)信號(hào)相比，其發(fā)射機(jī)的峰值功率又很小，信號(hào)帶寬又相對(duì)較寬，導(dǎo)致到達(dá)接收機(jī)輸入端的信號(hào)是一種低信噪比的擴(kuò)頻信號(hào)。因此，對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)具有相當(dāng)?shù)碾y度。

文獻(xiàn)［1］詳細(xì)分析了在相同的數(shù)據(jù)樣本長(zhǎng)度下，對(duì)跳擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)性能，若要提高Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)性能，需加大數(shù)據(jù)采集樣本數(shù)量。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，如果數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)影響信號(hào)數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)采集時(shí)間過短，樣本數(shù)量不足，又會(huì)降低對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)性能。因此可采取把不同頻率的信號(hào)變換到同一中頻頻率上后相疊加再進(jìn)行檢測(cè)和估計(jì)的方法，將大大提高對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)性能。

為了實(shí)現(xiàn)這一過程，需要合理估計(jì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)載頻、碼速率和擴(kuò)頻序列等關(guān)鍵參數(shù)。雖然Link16數(shù)據(jù)鏈射頻頻率跳變范圍、擴(kuò)頻碼速率以及擴(kuò)頻序列已知，但在實(shí)際情況中，Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)跳頻圖案未知，偵收的信號(hào)受到環(huán)境噪聲、信號(hào)傳播衰減和多普勒頻移等因素的影響，其信號(hào)特征參數(shù)可能發(fā)生變化，原始的信號(hào)特征參數(shù)并不適合作為接收端的分析依據(jù)。因此，研究了一種針對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈的射頻信號(hào)載頻、碼速率和擴(kuò)頻序列等關(guān)鍵參數(shù)的估計(jì)方法。

2 Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，信號(hào)的基本單位為時(shí)隙，時(shí)長(zhǎng)為7.8125 ms，每個(gè)時(shí)隙分成信息段和保護(hù)段2部分，信息段長(zhǎng)度為3.354 ms，保護(hù)段長(zhǎng)度為4.4585 ms。信息段包含129個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的寬度為6.4 μs，脈沖重復(fù)周期為26 μs。各脈沖之間進(jìn)行跳頻，載頻在頻段960～1215 MHz之間偽隨機(jī)選擇。跳頻點(diǎn)以3 MHz間隔均勻分布，共51個(gè)頻點(diǎn)，相鄰脈沖的載頻最小間隔為30 MHz［2］。

為了避免與其他系統(tǒng)發(fā)生干擾，實(shí)際頻段分為969～ 1008 MHz、1053～ 1065 MHz和 1113～1206 MHz三個(gè)子頻段。Link16每個(gè)時(shí)隙發(fā)射的信息構(gòu)成一條消息，每個(gè)脈沖的寬度為6.4 μs，是以一個(gè)碼片寬度0.2 μs的32位偽隨機(jī)序列作為調(diào)制信號(hào)對(duì)載頻做MSK調(diào)制而形成的［3］。與BPSK調(diào)制相比，MSK調(diào)制所形成的頻譜能量更集中，絕大部分處在3 MHz的帶寬之內(nèi)。

3 Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法

3.1 載頻和碼速率估計(jì)算法

對(duì)于直擴(kuò)信號(hào)的載頻估計(jì)法一般有倍頻檢測(cè)法和時(shí)域延時(shí)相乘法等［4］。倍頻檢測(cè)法是針對(duì)PSK調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的一種檢測(cè)方法，采用平方變換才能產(chǎn)生新的頻率分量，消除相位跳變，從直接序列擴(kuò)頻信號(hào)中直接用濾波法提取載波。延遲相乘法采用信號(hào)與自身延遲相乘的方式估計(jì)擴(kuò)頻碼的碼速率。由于Link16數(shù)據(jù)鏈射頻信號(hào)采用MSK調(diào)制，在時(shí)域始終處于相位連續(xù)狀態(tài)，因此上述方法并不適合對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)參數(shù)估計(jì)。

對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)參數(shù)的測(cè)量主要依靠對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的頻譜特征的分析來實(shí)現(xiàn)［5］。Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的調(diào)制方式為MSK調(diào)制。對(duì)于MSK信號(hào)，設(shè)接收機(jī)接收到的信號(hào)為:

且已知MSK信號(hào)表達(dá)式:

式中，A為振幅;fc為載波頻率;Ts為碼元寬度;ak為第k個(gè)碼元的信息;φk為第k個(gè)碼元的相位常數(shù);n(t)為高斯白噪聲。令

由上式可以看出，Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的2個(gè)譜峰頻點(diǎn)為:

對(duì)接收端的Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)進(jìn)行濾波后，通過檢測(cè)2個(gè)峰值的位置不但可以得到Link16信號(hào)的載頻，而且可以得到擴(kuò)頻碼的碼速Rs，設(shè)2個(gè)頻率峰值為f1和f2，得到

Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)是頻率跳變的MSK信號(hào)，采用TDMA工作方式，每個(gè)脈沖周期為26 μs。各脈沖之間進(jìn)行跳頻，載頻在頻段960～1215 MHz之內(nèi)51個(gè)頻點(diǎn)偽隨機(jī)選擇，跳頻點(diǎn)以3 MHz間隔均勻分布，帶寬不超過3.5 MHz，相鄰脈沖的載頻最小間隔為30 MHz，因此只需對(duì)信號(hào)每次采集時(shí)長(zhǎng)不超過2個(gè)脈沖周期便可按照上述方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)載頻和碼速率的估計(jì)。

3.2 擴(kuò)頻序列估計(jì)算法

序列估計(jì)算法的前提是已經(jīng)捕獲到載波并且建立了時(shí)隙與脈沖的同步。Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)所采用的跳頻、跳時(shí)信號(hào)同步的具體方法不在討論范圍之內(nèi)。

接收到L個(gè)字符的數(shù)據(jù)，按照碼片速率進(jìn)行采樣(本文考慮每個(gè)碼元采一點(diǎn))，將采樣得到的序列排列成L×32的矩陣為:

式中，S為信號(hào)功率;ci，j為第i個(gè)字符對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列的第j位;nj，i為對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)上的高斯白噪聲。矩陣中第i行的行向量xi表示第i個(gè)字符的接收序列，即

式中，k=0，1，…，31;i=1，2，…，L － 1 。以第 1個(gè)接收序列的x0為基準(zhǔn)，對(duì)后面的L－1個(gè)接收序列{xi，i=1，2，…，L － 1}，求出它們與x0的互相關(guān)函數(shù):

式中，xi(〈j+k〉32)表示對(duì)序列xi(j)向左循環(huán)移 k位，即滿足下式:

求出使Ri(k)最大值的k值記為k0。因?yàn)楦鱾€(gè)字符對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列是通過循環(huán)移位產(chǎn)生的，所以當(dāng)xi和x0移位到對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列相位相同時(shí)，即對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列相等，c0，j=ci，〈j+k〉32，j=1，2，…，31時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相關(guān)峰，使相關(guān)函數(shù)值Ri(k)最大。因 此 k0即 是 擴(kuò) 頻 序 列 {ci，j，j=1，2，…，31}和{c0，j，j=1，2，…，31 }之間的相對(duì)位移大小。

于是將第i個(gè)采樣序列向左周期移k0位，得到=〈j+k0〉32)。按照這個(gè)方法對(duì)除第1個(gè)接收序列外的所有 L －1 個(gè)序列，i=1，2，…，L －1}，它們對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列都是與x0相同的。

因?yàn)長(zhǎng)ink16數(shù)據(jù)鏈的擴(kuò)頻碼是隨著時(shí)隙而變化的，而一個(gè)時(shí)隙包含129個(gè)脈沖，所以一次處理的字符個(gè)數(shù)L不能超過129個(gè)［6］。如果是為了偵聽Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)或分析其參數(shù)，一般取L=129，即用一個(gè)時(shí)隙的所有數(shù)據(jù)來估計(jì)序列。為了降低序列估計(jì)的錯(cuò)誤率，可以提高接收數(shù)據(jù)的采樣速率，即在一個(gè)碼片時(shí)間內(nèi)多次采樣，再通過累加求平均的方法減少噪聲的影響。

4 算法仿真與實(shí)現(xiàn)

4.1 載頻和碼速率仿真試驗(yàn)

采用參數(shù)如下:直擴(kuò)碼為31位的m序列加一位基碼組成的 M序列，碼速率5 Mbps，碼元寬度6.4 μs，脈沖周期26 μs，信號(hào)噪聲為高斯白噪聲，采樣頻率為3.2 GHz。由于Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)十分密集，為了方便觀察，只取1個(gè)脈沖，生成的Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)源時(shí)域波形和頻譜如圖1所示。

圖1 Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)時(shí)域波形

單個(gè)脈沖的載頻估計(jì)如圖2所示。從圖2中可以明顯看出2根離散的譜線，即MSK信號(hào)對(duì)應(yīng)的f1和f2，這2根譜線所在的中心位置就是Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的2倍載頻fc處，通過搜索譜峰位置的方法就可以很容易地確定信號(hào)的載頻和碼速率的大小。

圖2 單個(gè)脈沖的載頻估計(jì)

4.2 擴(kuò)頻序列仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所述算法的有效性，用MATLAB進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。由于是為了驗(yàn)證在時(shí)間、頻率已經(jīng)同步的情況下進(jìn)行擴(kuò)頻序列盲估計(jì)的性能，因此仿真信號(hào)只進(jìn)行了M序列擴(kuò)頻。

仿真用以下參數(shù)設(shè)置:在每個(gè)碼片的時(shí)間間隔內(nèi)采樣 8次，碼片速率為5 MHz，采樣速率為40 MHz。擴(kuò)頻碼采用的是一個(gè)自相關(guān)性較好的M序列，該序列由一個(gè)31位M序列擴(kuò)展一位基碼后形成。Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)通過AWGN信道后用上述的算法估計(jì)擴(kuò)頻序列。每次序列估計(jì)處理所用到的數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)L在仿真中分別取為5、15、30、60和129。L=60時(shí)，是用一個(gè)時(shí)隙內(nèi)少于一半數(shù)目的脈沖來估計(jì)擴(kuò)頻序列;L=129時(shí)，則是用一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的全部129個(gè)脈沖進(jìn)行序列估計(jì)。

通過仿真，在不同信噪比的情況下分別計(jì)算出序列估計(jì)錯(cuò)誤率，仿真結(jié)果曲線如圖3所示。圖中，序列估計(jì)錯(cuò)誤率指的是誤比特率，估計(jì)序列與原始的擴(kuò)頻序列相近(相關(guān)性較強(qiáng))，仍具有實(shí)際意義。因此這里并未采用誤符號(hào)率。

圖3 序列估計(jì)錯(cuò)誤率曲線

從圖3可以看出，在信噪比高于－9 dB、處理符號(hào)數(shù)L＞15時(shí)，序列估計(jì)錯(cuò)誤率小于10－1，符合應(yīng)用的要求。這里提出的算法的估計(jì)性能會(huì)受到序列自相關(guān)性的影響，序列自相關(guān)越好，估計(jì)性能就越好。由于Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)采用的是以比較短的M序列作為擴(kuò)頻序列，序列的自相關(guān)性并不是很好，所以直接應(yīng)用算法進(jìn)行估計(jì)，錯(cuò)誤率會(huì)比較高。為了提高估計(jì)性能，可以通過對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以減少噪聲的影響。在仿真中采用了8點(diǎn)的過采樣，可以得到比較精確的估計(jì)結(jié)果。另外，從圖中可以看出，L分別為30、60和129時(shí)的3條曲線比較接近，即使在處理符號(hào)數(shù)L=30時(shí)，也沒有比處理符號(hào)數(shù)L=129時(shí)性能降低多少，說明即使只用一個(gè)時(shí)隙內(nèi)較少的若干數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行序列估計(jì)，也有比較好的性能。

5 結(jié)束語

Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)采用了一種混合擴(kuò)頻通信方式，由直接擴(kuò)頻和跳頻組合構(gòu)成。在對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)存在性檢測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的載頻、碼速率和擴(kuò)頻序列等相關(guān)參數(shù)的估計(jì)方法，針對(duì)低信噪比情況下對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)的檢測(cè)問題，通過對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)關(guān)鍵參數(shù)估計(jì)算法的研究，可以為用于提高信號(hào)檢測(cè)性檢測(cè)時(shí)增加樣本量奠定理論基礎(chǔ)。另一方面，研究對(duì)象為L(zhǎng)ink16數(shù)據(jù)鏈這種跳擴(kuò)信號(hào)，對(duì)于加深理解常規(guī)直擴(kuò)信號(hào)與跳擴(kuò)信號(hào)的工作性能差異也有積極的借鑒意義。 ■

［1］朱 攀.直接序列—跳頻混合擴(kuò)頻信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)方法研究［D］.成都:電子科技大學(xué)碩士論文，2007:56－70.

［2］蔡曉霞，陳 紅，郭建蓬.Link16通信信號(hào)結(jié)構(gòu)分析［J］.艦船電子對(duì)抗，2004(6):20 －25.

［3］蔡曉霞，陳 紅，王可人，等.Link-16信號(hào)結(jié)構(gòu)研究［J］.現(xiàn)代軍事通信，2004(6):14 －18.

［4］孫銘芳.直擴(kuò)信號(hào)檢測(cè)和PN碼參數(shù)估計(jì)的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(1):18－23.

［5］JIN Yan.A Cyclic-Cumulant Based Method for DS-SS Signal Detection and Parameter Estimation［J］.IEEE，2005(4)10－15.

［6］申振寧，曾興雯，周子琛，等.LINK16系統(tǒng)仿真與性能分析［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005(2):23－25.