一種數(shù)字調制通信信號的識別方法

李寶雙，徐 曄

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

1 概 述

通信已經(jīng)廣泛應用于現(xiàn)代生活的各個領域，而跳頻通信作為通信的重要分支［1］，因其突出的抗干擾性、高效的頻譜利用率、較好的兼容性和易于實現(xiàn)，在軍事領域中有著無可替代的地位。對跳頻通信的信號偵察是現(xiàn)代電子對抗的一個主要方向，根據(jù)跳頻通信的基本原理和信號特點，利用高速A／D采樣可以有效地估計跳頻通信信號，然后根據(jù)估計結果完成網(wǎng)臺分選。

2 原 理

跳頻通信信號為：

式中：Δf為頻率跳變間隔；hn為跳變碼；m（t）為信息序列；θn為初相。

其瞬時特征如圖1～5所示。

圖1 跳頻通信信號

2.1 跳頻信號的基本特征參數(shù)

每個跳頻網(wǎng)臺特有的基本特征參數(shù)包括：

（1）跳頻速率：跳頻信號在單位時間內的跳頻次數(shù)。

（2）駐留時間：跳頻信號在一個頻點停留的時間。其倒數(shù)是跳頻速率，它和跳頻圖案直接決定了跳頻系統(tǒng)的很多技術特征。

圖2 跳頻通信信號的幅度特征

圖3 跳頻通信信號的頻率特征

圖4 跳頻通信信號的相位特征

（3）頻率集：跳頻電臺所使用的所有頻率集合組成頻率集，頻率集完整順序組成跳頻圖案。所有的頻率集合叫做頻率集，集合大小為跳頻數(shù)目 （信道數(shù)目）。

（4）跳頻范圍：又稱為跳頻帶寬，表明跳頻電臺的工作頻率范圍。

（5）跳頻間隔：跳頻電臺工作頻率之間的最小間隔，或稱頻道間隔，通常其它的頻率差是跳頻間隔的整數(shù)倍。

圖5 跳頻通信信號的功率特征

上述參數(shù)中的頻率范圍、跳頻間隔、跳頻圖案、跳頻速率是跳頻通信網(wǎng)臺的 “指紋”參數(shù)，是進行分選的基礎。

2.2 跳頻通信信號的參數(shù)估計

跳頻通信信號參數(shù)估計，包括通信信號的跳變周期 （即跳頻速率）、跳變時刻、跳頻的頻率等參數(shù)。跳頻通信信號是一個非平穩(wěn)的信號，考慮其非平穩(wěn)性，采用時頻分析方法如維格納威利 （WVD）和短時傅里葉變換 （STFT）對其進行分析［2］，實現(xiàn)對其參數(shù)的估計。

設定單位時間寬度很短的窗函數(shù)w（t），使窗口函數(shù)在時間軸方向上滑動，信號x（t）的STFT定義為：

如上式，根據(jù)窗函數(shù)時移的特性，使STFT同時具有時間函數(shù)和頻率函數(shù)的特性，對于任意時刻t，其短時傅里葉變換 （STFT）可視為t時刻“局部頻譜”，利用窗分析計算二維時頻參數(shù)。

離散STFT，其時間和頻率都離散化，設時間變量的采樣周期為T，頻率變量的采樣周期為F，x（n）為離散信號，則STFT的離散化形式為：

對觀測信號采樣后得長度為N的序列x（n），n＝0，1，2，…N－1，采樣頻率為fs，STFT估計跳頻信號參數(shù)的步驟如下：

（1）對x（n）進行短時傅里葉變換，計算出x（n）時頻圖STFT （m，n）。

（2）計算STFT （m，n）在每個時刻m的最大值，得到矢量y（m）。

（4）計算出y（m）峰值位置，峰值序列p（m），m＝1，2，…，p，p為峰值個數(shù)，可以計算第1次跳變的時刻。

（5）平均第一峰值出現(xiàn)的位置為：

跳變時刻由下式求出：

式中：“［·］”代表取整。

（7）估計觀測信號內包含的跳頻頻率，得到跳頻公式：

3 跳頻網(wǎng)臺分選

在實際的通信對抗環(huán)境中，電磁環(huán)境十分復雜，定頻、噪聲、外界干擾以及多個跳頻網(wǎng)臺的信號混合交迭。跳頻通信網(wǎng)臺分選就是從復雜的磁環(huán)境中，將混合交迭在一起的跳頻網(wǎng)臺通過處理的跳頻信號分選出來。

3.1 跳頻網(wǎng)臺跳頻圖案

跳頻網(wǎng)臺跳頻圖案如圖6所示。

3.2 跳頻網(wǎng)臺分選方法

（1）跳頻網(wǎng)臺的到達方向分選法。跳頻網(wǎng)臺的到達方向 （到達時間 （TOA）、方位）分選法的依據(jù)是：同一網(wǎng)臺信號的來波方向相同，不同網(wǎng)臺信號來波方向不同。其基本思路是：實時測量出跳頻信號的來波方位，按照跳頻信號的來波方位把同一來波方位的信號歸入同一類，如圖7所示。這種分選方法的優(yōu)點是分選方法簡單，實時性好；缺點是對偵察系統(tǒng)的測向能力要求較高，當不同網(wǎng)臺信號的來波方向趨于一致或網(wǎng)臺移動時，分選效果較差。

圖6 跳頻網(wǎng)臺的跳頻圖案

來波方位分選法的分選能力主要取決于跳頻測向設備的測向速度和精度。測向速度直接決定該分選方法對跳速的分辨力；測向精度直接決定該分選方法的空間分辨能力。

圖7 頻率－方位二維關系圖

（2）跳頻網(wǎng)臺的到達時間分選法。到達時間（TOA）分選法是到達時間與駐留時間分選法的簡稱，是利用同一跳頻網(wǎng)信號出現(xiàn)的連續(xù)性和跳頻速率的穩(wěn)定性對跳頻信號進行分類。其依據(jù)是：同一跳頻網(wǎng)的跳頻信號的跳速恒定不變，且每一跳具有相同的駐留時間和頻率轉換時間。

到達時間分選法的基本思路：檢測出每個跳頻信號的出現(xiàn)時刻和消失時刻，根據(jù)同網(wǎng)臺信號在出現(xiàn)時間上的連續(xù)性以及跳頻速率的相對穩(wěn)定性，把出現(xiàn)時間與消失時刻滿足一定相關特征的信號歸入一類，以達到跳頻網(wǎng)臺的分選目的。

這種分選方法的優(yōu)點是對恒跳速跳頻網(wǎng)臺分選能力強；缺點是對偵察系統(tǒng)時間測量精度要求高，不具備對變速跳頻網(wǎng)與正交跳頻網(wǎng)的分選能力。接收系統(tǒng)的時間分辨力直接決定著分選能力。

圖8給出了一種利用到達時間法進行網(wǎng)臺分選的方法。

圖8 網(wǎng)臺分選結果

假定在規(guī)定的時間內有N個頻率的信號到達。分別記下它們的到達時間和信號駐留時間，分選步驟是：

（a）對信號駐留時間進行比較，找出N個信號中駐留時間最小且相等的那些，如有M個，排成一個序列。

（b）計算M序列中相鄰2個信號的到達時間間隔，依次為窗口尺度，分選出所有相同跳頻周期的信號，完成一個網(wǎng)臺的信號分選。

（c）在提取出第1網(wǎng)臺信號之后，剩下N－M信號中，重復進行前面2個步驟，完成第2個網(wǎng)臺的分選，依次類推，直至分選完成。

若幾個非正交跳頻網(wǎng)的跳速相同，由于非正交跳頻網(wǎng)的網(wǎng)與網(wǎng)之間互不相干，可以按到達時刻建立相應頻率表，每張頻率表就是一個同跳速的非正交跳頻網(wǎng)。

（3）跳頻網(wǎng)臺的綜合分選法［4］。綜合分選法是綜合利用跳頻信號來波方位、到達時間、駐留時間、跳躍相位和信號幅度等特征和技術參數(shù)之間的關系來對跳頻信號進行歸類的分選方法。

這種分選方法的基本思路是：按照同一跳頻網(wǎng)信號之間的相關關系來實現(xiàn)信號分類。即有相關關系的信號歸入一類，不具有相關關系的信號互相分開。

這種分選方法的優(yōu)點是綜合利用了跳頻信號的所有可用信號特征和技術參數(shù)之間的相關性，分選能力較強；缺點是對偵察系統(tǒng)的信號測量能力要求較高。

［1］梅文華.跳頻通信 ［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］高崢.基于STFT的超短波跳頻網(wǎng)臺信號分選 ［J］.電信技術研究，2004 （3）：8－14.

［3］陳新寧.跳頻通信偵察技術研究 ［D］.長沙：國防科學技術大學，2006.

［4］馮瑩.跳頻信號偵察技術研究與仿真 ［D］.西安：西安電子科技大學，2010.