一種改進(jìn)的Link16信號(hào)的頻率估計(jì)算法

賈可新，柳桃榮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

0 引言

Link16數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)窃诿儡娙娐?lián)合作戰(zhàn)中使用廣泛的一種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈［1］。它集通信、導(dǎo)航、識(shí)別功能于一體，為各軍兵種提供一種抗干擾能力強(qiáng)、低截獲概率、保密性能好的通信鏈路。Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用時(shí)分多址（TDMA）的通信方式，系統(tǒng)的每個(gè)成員按照統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)同步工作。在信號(hào)傳輸時(shí)，采用了跳頻、直接序列擴(kuò)頻、隨機(jī)跳時(shí)、信道編碼和脈沖工作等諸多抗干擾措施，具有非常強(qiáng)的反偵察和抗干擾性能。

在通信對(duì)抗領(lǐng)域，許多學(xué)者在Link16信號(hào)的檢測(cè)方面做了大量的工作，如文獻(xiàn)［2］通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了平方倍頻法檢測(cè)Link16信號(hào)的可行性。文獻(xiàn)［3］分析了一種在低信噪比下利用延時(shí)相乘和分段相關(guān)相結(jié)合的方法檢測(cè)Link16信號(hào)的算法。然而，通信對(duì)抗并不僅僅局限于檢測(cè)到Link16信號(hào)，更需要對(duì)Link16信號(hào)的各特征參數(shù)（包括單跳持續(xù)時(shí)間、功率、載波頻率、帶寬和頻率偏移等）進(jìn)行估計(jì)，為L(zhǎng)ink16信號(hào)的分選作準(zhǔn)備。從現(xiàn)在收集的資料來(lái)看，關(guān)于link16信號(hào)的參數(shù)估計(jì)的文獻(xiàn)非常少。

本文從分析Link16的特點(diǎn)出發(fā)，將Link16信號(hào)看作一種特殊的頻率捷變脈沖雷達(dá)信號(hào)，提出可采用類似雷達(dá)脈沖參數(shù)估計(jì)方法估計(jì)Link16信號(hào)的基本特征參數(shù)。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了采用類似于雷達(dá)脈沖信號(hào)的瞬時(shí)測(cè)頻方法估計(jì)Link16信號(hào)的載頻和頻偏時(shí)存在的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于瞬時(shí)測(cè)頻的載頻和頻偏估計(jì)的改進(jìn)方法。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種算法的有效性。

1 Link16信號(hào)特點(diǎn)

Link16信號(hào)是在960～1215MHz的工作頻段上進(jìn)行傳輸，采用了跳頻、跳時(shí)和直接序列擴(kuò)頻相結(jié)合的擴(kuò)頻技術(shù)，具有非常強(qiáng)的抗干擾性能。直接序列擴(kuò)頻帶寬為3.5MHz，跳頻頻率集中頻率間隔為3MHz，從969～1008MHz、1053～1065MHz、1113～1206MHz，總跳頻頻率數(shù)為51個(gè)，相鄰兩跳的載頻間隔不小于30MHz。

Link16信號(hào)采用TDMA的工作方式，以12.8min為一個(gè)時(shí)元，時(shí)元是系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)時(shí)間單位，每個(gè)時(shí)元分為64個(gè)時(shí)幀（12s／幀），時(shí)幀是系統(tǒng)資源的基本分配周期，每幀又分為1536個(gè)時(shí)隙，分成三組，即A、B、C三組，每組含512個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙是系統(tǒng)時(shí)劃分的最小單位，長(zhǎng)為7.8125ms，是系統(tǒng)成員發(fā)射或接收消息的基本時(shí)間單位。每個(gè)時(shí)元有98304個(gè)時(shí)隙。

一個(gè)時(shí)隙一般分為起始段、傳送段和保護(hù)段。起始段和保護(hù)段共占4.4585ms，不發(fā)射信號(hào)。由于Link16信號(hào)的作用距離為550km，只要保護(hù)段不小于2ms，就可以保證本時(shí)隙信號(hào)在下一個(gè)時(shí)隙之前到達(dá)所有成員用戶，因此，起始段在2.4585ms內(nèi)隨機(jī)抖動(dòng)。傳送段占3.354ms，發(fā)射射頻脈沖串，共發(fā)射129個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖寬度為6.4μs，脈沖周期為26μs。各脈沖中的調(diào)制信號(hào)是由32位基碼組成的偽隨機(jī)序列進(jìn)行軟擴(kuò)頻處理得到的，每個(gè)基碼寬度為0.2μs，調(diào)制類型為MSK，頻率偏移2.5MHz。

2 Link16的參數(shù)估計(jì)

由Link16信號(hào)的特點(diǎn)可知，該信號(hào)可看作一種特殊的頻率捷變脈沖雷達(dá)信號(hào)，其特征參數(shù)（主要包括單跳持續(xù)時(shí)間、功率、載波頻率、到達(dá)時(shí)間等）可考慮采用類似于文獻(xiàn)［4～5］給出的雷達(dá)信號(hào)參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行估計(jì)，即首先根據(jù)單跳檢測(cè)結(jié)果估計(jì)單跳的功率，獲得單跳的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和單跳持續(xù)時(shí)間，然后利用單跳持續(xù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)估計(jì)單跳載波頻率。

設(shè)單跳持續(xù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)為x（n），樣本個(gè)數(shù)為N。在估計(jì)載波頻率時(shí)可采用如下兩種瞬時(shí)測(cè)頻方法。

方法1是采樣直接平均法。首先計(jì)算一次延遲的相關(guān)值：

然后通過(guò)計(jì)算相關(guān)值得相位，獲得載波頻率，即：

式中，fs為采樣頻率。

方法2是瞬時(shí)頻率平均法。首先求x（n）的各樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位差：

然后計(jì)算瞬時(shí)頻率：

最后通過(guò)瞬時(shí)頻率取平均，獲得載波頻率：

由于Link16信號(hào)采用的調(diào)制方式為MSK，故可在瞬時(shí)頻率平均法的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典的絕對(duì)平均法估計(jì)出信號(hào)的頻率偏移，即首先從瞬時(shí)頻率中剔除載波頻率影響，可得：

將剩余瞬時(shí)頻率取絕對(duì)值后，取平均，得頻率偏移：

3 改進(jìn)的參數(shù)估計(jì)

第2節(jié)中討論的載波頻率和頻率偏移的估計(jì)算法即使在高信噪比的情況下也無(wú)法獲得準(zhǔn)確的估計(jì)值，這是因?yàn)長(zhǎng)ink16信號(hào)的單跳僅包括32個(gè)0、1符號(hào)數(shù)據(jù)，其個(gè)數(shù)的不平衡影響了估計(jì)的精度。為了克服上述缺陷，本文提出方法3以估計(jì)載波頻率和頻率偏移，即在瞬時(shí)頻率平均法獲得瞬時(shí)頻率后，尋找瞬時(shí)頻率f（n）中大于f0的序列f1（n）和小于f0的序列f2（n），分別對(duì)這兩個(gè)序列取平均，即：

因此，MSK信號(hào)的載波頻率為：

信號(hào)的頻率偏移為：

與第2節(jié)的算法相比，本文提出的這種頻率分割平均法不受信號(hào)攜帶0、1符號(hào)不平衡的影響。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要用于對(duì)比分析前述測(cè)頻算法的估計(jì)精度。設(shè)采樣頻率600MHz，單跳的采樣點(diǎn)數(shù)為3840個(gè)，相鄰頻點(diǎn)的跳頻間隔為30MHz。信道化點(diǎn)數(shù)為64，抽取因子為32，濾波器階數(shù)為256。在50～250MHz范圍內(nèi)均勻取51個(gè)頻點(diǎn)，作為載波頻率。跳頻周期為26μs。信道化后的信噪比在5～20dB之間變化，每個(gè)信噪比下進(jìn)行500次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)。

上述三種方法對(duì)MSK信號(hào)載波頻率的估計(jì)精度的對(duì)比曲線如圖1所示。方法1和2在信噪比較高時(shí)，估計(jì)性能較差，與真實(shí)值之間存在一定的偏差。方法3在信噪比較高時(shí)，載頻估計(jì)精度較高，隨著信噪比的增加，估計(jì)誤差趨向于0。

圖1 三種載波頻率估計(jì)算法的估計(jì)精度對(duì)比曲線

利用絕對(duì)平均法和分割平均法估計(jì)頻率偏移的結(jié)果如圖2所示。絕對(duì)平均法的估計(jì)誤差在高信噪比下不趨向于0。而分割平均法在頻率較高時(shí)具有較高的估計(jì)精度，且隨著信噪比的增加，估計(jì)誤差趨向于0。由圖1、2可知，本文提出的方法具有更優(yōu)的估計(jì)精度。

圖2 兩種頻率偏移估計(jì)算法的估計(jì)精度對(duì)比曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)針對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的瞬時(shí)測(cè)頻方法用于估計(jì)Link16信號(hào)的載頻和頻偏時(shí)存在的問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)的載頻和頻偏估計(jì)算法。與已有算法相比，所提算法具有更優(yōu)的檢測(cè)性能。值得注意是，本文討論的link16信號(hào)的基本參數(shù)測(cè)量算法是信號(hào)分選的基礎(chǔ)，當(dāng)存在link16組網(wǎng)信號(hào)時(shí)，需根據(jù)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行組網(wǎng)信號(hào)分選?！?/p>

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