朱行濤 劉郁林,何 為,晁志超
(1.國(guó)防信息學(xué)院,武漢430010;2.重慶通信學(xué)院,重慶400035)
跳頻通信技術(shù)由于抗干擾能力強(qiáng)、信息隱蔽性好、頻譜利用率高和易于組網(wǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)一直備受關(guān)注[1]。隨著新軍事變革和通信干擾、抗干擾技術(shù)的發(fā)展以及軍事通信網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用的需求,常規(guī)跳頻抗干擾理論在軍事通信領(lǐng)域面臨著許多新的挑戰(zhàn),這種通信鏈路抗干擾適應(yīng)的方法不再適應(yīng)于通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)系抗干擾的要求,更難以實(shí)現(xiàn)高效抵抗人為惡意干擾和動(dòng)態(tài)干擾。因此,研究開(kāi)發(fā)新型跳頻通信抗干擾技術(shù)具有重要意義。
盲源信號(hào)分離理論作為一種嶄新的抗干擾技術(shù)手段,為解決跳頻通信抗干擾問(wèn)題提供了一種全新的解決思路。所謂盲源信號(hào)分離[2]是指在源信號(hào)和混合系統(tǒng)參數(shù)未知的情況下,根據(jù)輸入源信號(hào)和混合系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特性等先驗(yàn)知識(shí),僅由觀測(cè)信號(hào)恢復(fù)出各個(gè)源信號(hào)的過(guò)程。在跳頻通信系統(tǒng)中,無(wú)論敵人采用何種形式的干擾(同頻干擾、寬帶干擾、窄帶干擾等),其干擾信號(hào)與通信信號(hào)都應(yīng)該是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。利用信號(hào)的獨(dú)立性,采用盲源信號(hào)分離技術(shù),把混合信號(hào)中的干擾信號(hào)和通信信號(hào)分離開(kāi)來(lái),這樣可以極大地抑制掉敵人的干擾信號(hào),從而達(dá)到抗干擾的目的。傳統(tǒng)的特征矩陣聯(lián)合近似對(duì)角化(joint approximative diagonalization of eigenmatrix,JADE)算法[3]利用源信號(hào)間的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性,通過(guò)對(duì)特征矩陣聯(lián)合近似對(duì)角化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離,處理時(shí)延小,算法性能好。二階盲辨識(shí)(second-order blind identification,SOBI)算法[4]通過(guò)對(duì)二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行對(duì)角化實(shí)現(xiàn)分離矩陣的求解,原理清晰,處理時(shí)延小??焖俨粍?dòng)點(diǎn)獨(dú)立分量分析(fixed-point independent component analysis,fast ICA)[5]通過(guò)使衡量信號(hào)非高斯性的代價(jià)函數(shù)(負(fù)熵)最大化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離,計(jì)算量小,收斂速度快。這3種經(jīng)典算法在滿(mǎn)足信號(hào)平穩(wěn)約束和采樣點(diǎn)足夠大的條件下,都能較好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離,但跳頻信號(hào)是非白化和非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào),因此,并不適合直接處理跳頻信號(hào)的盲分離[6]。本文提出一種基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階特征窗盲分離抗干擾方法。該方法首先利用跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)性構(gòu)建二階統(tǒng)計(jì)量分離出通信信號(hào)和干擾信號(hào),為消除分離信號(hào)的次序模糊問(wèn)題,然后,利用偽Wigner-Ville分布(wigner-ville distribute,WVD)[7],提取出有用跳頻信號(hào)而抑制掉干擾。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
跳頻通信系統(tǒng)盲分離抗干擾技術(shù)包括跳頻混合信號(hào)的盲分離和有用跳頻信號(hào)的提取2個(gè)基本過(guò)程,其系統(tǒng)模型如圖1所示。
圖1 盲分離抗干擾模型Fig.1 Model of blind source separation anti-jamming
圖1中,s(k)=[s1(k),s2(k),…,sn(k)]T是n路彼此獨(dú)立的發(fā)射信號(hào)矢量,通過(guò)一線(xiàn)性瞬時(shí)混合系統(tǒng)A∈Cm×n后,m路接收信號(hào)矢量為x(k)=[x1(k),x2(k),…,xm(k)]T,它們具有如下關(guān)系:
(1)式中:v(k)=[v1(k),v2(k),…,vm(k)]T為與信號(hào)源不相關(guān)的加性噪聲矢量;A也稱(chēng)為混合矩陣,反映的是n×m維信道的傳輸特性(本文僅考慮m≥n的情況)。信號(hào)分離的過(guò)程[8]就是通過(guò)尋找一個(gè)n×m階的滿(mǎn)秩線(xiàn)形變換(或分離)矩陣W,以便由y(k)=Wx(k)定義的輸出矢量y=[y1,y2,…,yn]T的各分量盡可能相互獨(dú)立,實(shí)現(xiàn)從混合信號(hào)x(k)中分離出源信號(hào)s(k)。盲分離后的信號(hào)存在固有的次序模糊問(wèn)題,并不能區(qū)分通信信號(hào)和干擾信號(hào),為消除這種次序模糊,還需要從中有效地提取出有用的跳頻信號(hào)(抑制掉干擾),送到后續(xù)接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)原始信息,這一過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)提取。
一般來(lái)說(shuō),跳頻信號(hào)具有非白化和非平穩(wěn)的特性,針對(duì)跳頻信號(hào)的這一特征,提出一種基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階統(tǒng)計(jì)量盲分離算法。該算法首先對(duì)混合信號(hào)進(jìn)行白化處理,然后,利用跳頻信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)特性構(gòu)造用于估計(jì)分離矩陣的代價(jià)函數(shù)尋找分離矩陣實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)和干擾信號(hào)的分離。
由盲分離的可分離性理論知,一般來(lái)說(shuō)要實(shí)現(xiàn)分離,信號(hào)必須具備隨機(jī)獨(dú)立性,而預(yù)白化是信號(hào)具有更強(qiáng)的隨機(jī)獨(dú)立性準(zhǔn)則的必要(但不充分)條件。通過(guò)預(yù)白化,可以改善盲分離系統(tǒng)的收斂特性并消除冗余或減少噪聲,避免出現(xiàn)病態(tài),提高盲分離的性能[9]。
對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)白化,就是尋找白化矩陣Q∈Cn×m,使得白化后信號(hào)矢量z=Qx的協(xié)方差矩陣為一單位陣。具體白化方法為
(2)式中:Q∈Cn×m稱(chēng)為白化矩陣;D=diag(d1,d2,…,dn)是接收信號(hào)協(xié)方差矩陣Rx=E{xxT}的n個(gè)最大特征值組成的對(duì)角陣;U∈Cm×n是n個(gè)相應(yīng)的特征矢量組成的矩陣。
跳頻信號(hào)是時(shí)變、非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào),這種非平穩(wěn)性可用(3)式表示。
按照極限的定義,把跳頻信號(hào)在時(shí)間軸分成等間隔的若干個(gè)小數(shù)據(jù)塊,當(dāng)數(shù)據(jù)塊的時(shí)長(zhǎng)足夠短時(shí),每個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)的跳頻信號(hào)可認(rèn)為是平穩(wěn)的。因此,定義一個(gè)長(zhǎng)度為T(mén)的特征窗,長(zhǎng)度為N的信號(hào)矢量z可分成M個(gè)不重疊的等長(zhǎng)特征窗。
顯然,有N=M·T,每個(gè)小數(shù)據(jù)塊zi是近似平穩(wěn)的,這就是所謂的跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)性。
記第i個(gè)小數(shù)據(jù)塊zi的自相關(guān)矩陣為Ri(τ)=E{zi(t) zi(t+τ)T}0≤τ≤T,也稱(chēng)為特征窗自相關(guān)矩陣。在后續(xù)應(yīng)用中,為保證特征窗自相關(guān)矩陣為Ri(τ)的準(zhǔn)確性,一般采用(5)式進(jìn)行計(jì)算。
經(jīng)過(guò)預(yù)白化和特征窗處理后的跳頻信號(hào)為白化的平穩(wěn)信號(hào),可以利用平穩(wěn)信號(hào)常用的非對(duì)角化的自相關(guān)矩陣構(gòu)造代價(jià)函數(shù)[10]:
(6)式中:‖·‖F(xiàn)為Frobenius范數(shù)運(yùn)算;diag(·)為對(duì)角化矩陣運(yùn)算;Λyi為分塊后的分離信號(hào)yi(t)自協(xié)方差的對(duì)角陣,實(shí)際計(jì)算中可由diag[ WRi(τ) WT]逼近替代;I為單位矩陣,diag[ WWT-I]2F是為避免陷入零解而引入的一約束項(xiàng)。由Frobenius范數(shù)的定義和矩陣跡的求導(dǎo)公式[11]可推導(dǎo)出代價(jià)函數(shù)的梯度為
利用自然梯度算法更新分離矩陣,使代價(jià)函數(shù)J(W)最小,從而獲得Wopt:
解混后的信號(hào)存在固有的次序模糊問(wèn)題,需要從中提取出有用的跳頻信號(hào)(抑制掉干擾),送到后續(xù)接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)原始信息。提取算法包含2個(gè)基本過(guò)程:①對(duì)分離出的信號(hào)進(jìn)行特征提取(跳頻信號(hào)頻率、跳頻周期、跳變時(shí)刻的位置等);②通過(guò)比較各跳變時(shí)刻的位置,辨別出有用的那一路信號(hào)。
WVD是Cohen類(lèi)時(shí)頻分布的一種,WVD具有良好的時(shí)頻聚集性,對(duì)每個(gè)時(shí)刻,其能量主要集中在瞬時(shí)頻率處,對(duì)于每個(gè)時(shí)刻t,求信號(hào)的WVD變換的最大幅值所處在的頻率值f即為信號(hào)在時(shí)刻t的瞬時(shí)頻率。信號(hào)y(t)的WVD定義為
其解析信號(hào)下的表達(dá)式為
(10)式中:z(t)是y(t)的解析信號(hào),即z(t)=y(t)+jH( y(t));H( y(t))表示Hilbert變換。采用解析信號(hào)可以減少WVD分布的交叉項(xiàng)干擾數(shù)目。為降低和消除WVD帶來(lái)的交叉干擾,可對(duì)變量τ加窗函數(shù)h(τ),這種加窗處理后的WVD分布通常稱(chēng)為偽Wigner-Ville分布(pseudo-wigner-ville distribute,PWVD),定義為
(11)式中,h( t)是奇數(shù)長(zhǎng)度的正實(shí)窗函數(shù),滿(mǎn)足h(0)=0。其實(shí)際為在頻域作平滑低通濾波。同樣如果在頻域加窗,相當(dāng)于對(duì)WVD變換在時(shí)域作了平滑。時(shí)頻域同時(shí)加窗的WVD稱(chēng)為平滑偽WVD分布(smoothed pseudo-wigner-ville distribute,SPWVD)。
(12)式中:h( t)和g( t)是奇數(shù)長(zhǎng)度的正實(shí)窗函數(shù),滿(mǎn)足h(0)=G(0)=1。
對(duì)觀測(cè)信號(hào)采樣后得到的N長(zhǎng)序列{y(1),y(2),…,y( N)},采樣頻率fs,對(duì)每個(gè)時(shí)間its,SPWVD峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為信號(hào)的瞬時(shí)頻率估計(jì)值^fi。根據(jù)瞬時(shí)頻率估計(jì)值,還可以估計(jì)出跳頻信號(hào)其他參數(shù),具體步驟如下。
①求待測(cè)信號(hào)y(t)的解析形式zy(t),并計(jì)算zy(t)的PSPWVD(t,f);
② 求出PSPWVD(t,f)在每個(gè)采樣時(shí)刻its的最大值,記為f(i);
④求出f(i)出現(xiàn)峰值的位置,得到峰值位置序列pi(i=1,2,…,P),則各跳變時(shí)刻點(diǎn)的位置為。在觀測(cè)時(shí)間間隔Nt內(nèi)包含的跳頻s信號(hào)完整跳的個(gè)數(shù)為P-1。
通過(guò)對(duì)解混后的n路長(zhǎng)度為N的信號(hào)做SPWVD,可估計(jì)出第i路分離信號(hào)的P個(gè)跳變時(shí)刻點(diǎn)為。而對(duì)實(shí)際跳頻通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),收發(fā)雙方同用一份聯(lián)絡(luò)規(guī)定,這就意味著有用的那路跳頻信號(hào)的P個(gè)跳變時(shí)刻點(diǎn)(n1,n2,…,nP)是已知的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),可定義n個(gè)時(shí)間差平方和為
很顯然,當(dāng)分離信號(hào)的第i路就是我們要找的有用信號(hào)時(shí),其時(shí)間差平方和SUM(i)→0。故提取出的有用信號(hào)是第d路分離信號(hào)即
為驗(yàn)證本文所提盲分離算法的性能,我們進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真按照干擾信號(hào)的不同,分2種情況進(jìn)行:鄰道干擾(即干擾源為跳頻信號(hào))和阻塞干擾。
仿真時(shí)采用2×2的陣列即發(fā)射兩路跳頻源信號(hào),并假設(shè)第1路跳頻信號(hào)為有用信號(hào);第2路為干擾信號(hào),利用2副天線(xiàn)進(jìn)行接收,混合矩陣在[1,-1]隨機(jī)產(chǎn)生,為了方便處理,適當(dāng)?shù)亟档土颂l信號(hào)頻率,這并不影響算法驗(yàn)證。2路跳頻信號(hào)都采用2FSK形式,采樣頻率為2 000 Hz,其中,第1路跳頻信號(hào)跳速為10跳/s,數(shù)字符號(hào)周期Ts=0.1 s,載頻為30 Hz和40 Hz,頻率跳變間隔為60 Hz,跳頻隨機(jī)序列為[0,4]的整數(shù);第2路跳頻信號(hào)跳速為5跳/s,數(shù)字符號(hào)周期Ts=0.2 s,載頻為25 Hz和35 Hz,頻率跳變間隔30 Hz,跳頻隨機(jī)序列為[0,9]的整數(shù)。仿真時(shí)長(zhǎng)t=1.6 s,即跳頻信號(hào)長(zhǎng)度為3 200,共分成K=160個(gè)塊,每個(gè)塊長(zhǎng)T=20。期望跳頻信號(hào)和鄰道跳頻干擾信號(hào)分離前后的波形如圖2所示。
圖2 鄰道干擾盲分離信號(hào)波形圖Fig.2 Signal wave form diagram of BSS for adjacent channel interference
仿真時(shí)采用2×2的陣列即發(fā)射一路期望跳頻源信號(hào),一路阻塞干擾信號(hào),并假設(shè)第1路信號(hào)為有用信號(hào),第2路為干擾信號(hào),利用兩副天線(xiàn)進(jìn)行接收,混合矩陣在[1,-1]隨機(jī)產(chǎn)生,為了方便處理,適當(dāng)?shù)亟档土颂l信號(hào)頻率,這并不影響算法驗(yàn)證。跳頻信號(hào)采用2FSK形式,采樣頻率為2 000 Hz,跳速為10跳/s,數(shù)字符號(hào)周期Ts=0.1 s,載頻為30 Hz和40 Hz,頻率跳變間隔60 Hz,跳頻隨機(jī)序列為[0,4]的整數(shù);阻塞干擾信號(hào)由噪聲經(jīng)濾波和功率放大產(chǎn)生。仿真時(shí)長(zhǎng)t=1.6 s即跳頻信號(hào)長(zhǎng)度為3 200,共分成K=160個(gè)塊,每個(gè)塊長(zhǎng)T=20。期望跳頻信號(hào)和阻塞干擾信號(hào)分離前后的波形如圖3所示。
從圖2-圖3中可看出,利用基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階統(tǒng)計(jì)量盲源分離算法,可有效分離期望跳頻信號(hào)和干擾信號(hào)。但分離后的信號(hào)存在幅度和次序模糊問(wèn)題,還需通過(guò)特征提取得到期望的跳頻信號(hào)。
仿真中采用PI值來(lái)定量衡量算法的分離效果,PI值的定義為[12](15)式中:gij是全局系統(tǒng)矩陣G=WQH的第(i,j)個(gè)元素;maxi|gij|表示G的第i行矢量各個(gè)元素;取絕對(duì)值后的最大值。分離性能越好,PI值越接近0。JDAE算法和基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階統(tǒng)計(jì)量盲源分離算法在不同信噪比下的分離性能曲線(xiàn)如圖4所示。
圖3 阻塞干擾盲分離信號(hào)波形圖Fig.3 Signal wave form diagram of BSS for blocking interference
圖4 不同盲源分離方法抑制噪聲能力比較Fig.4 Noise reduction ability comparison of different blind source separation method
從圖4中可看出,基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階統(tǒng)計(jì)量盲源分離算法比JADE算法具有更優(yōu)的分離性能。這是因?yàn)楸疚乃惴ǔ浞掷锰l信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性,通過(guò)預(yù)白化和加特征窗處理,最大限度減弱噪聲的影響,在較少采樣點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離。而JADE算法是基于平穩(wěn)信號(hào)四階累計(jì)量的學(xué)習(xí)算法,對(duì)噪聲比較敏感,需要較多的采樣點(diǎn)才能準(zhǔn)確分離信號(hào)。
圖5為對(duì)有用跳頻信號(hào)(即第1路發(fā)射信號(hào))做平滑偽WVD分布得到的WVD等高線(xiàn)圖。從圖5中可得到各持續(xù)時(shí)間里的信號(hào)頻率,并準(zhǔn)確定位各跳變時(shí)刻點(diǎn)位置,為下一步信號(hào)提取奠定基礎(chǔ)。
圖5 有用跳頻信號(hào)WVD等高線(xiàn)圖Fig.5 WVD contour map of desired frequency hopping signal
對(duì)分離信號(hào)做平滑偽WVD分布得到兩路分離信號(hào)的WVD等高線(xiàn)如圖6-圖7所示。從圖6-圖7中可準(zhǔn)確定位出各分離信號(hào)跳變時(shí)刻點(diǎn)位置,與有用跳頻信號(hào)的跳變時(shí)刻相比較,把有用信號(hào)提取出來(lái)。很顯然,分離信號(hào)2為最終提取出的有用跳頻信號(hào)。
圖6 分離信號(hào)1的WVD等高線(xiàn)圖Fig.6 WVD contour map of separated signal 1
在復(fù)雜電磁環(huán)境下,常規(guī)的跳頻通信難以高效抵抗人為的惡意干擾和動(dòng)態(tài)干擾,通過(guò)分離提取出通信信號(hào)而抑制掉干擾,盲分離理論為此提供了一種全新的解決思路。本文提出一種基于跳頻信號(hào)短時(shí)平穩(wěn)的二階特征窗盲分離抗干擾方法,該方法包括分離和提取2步:①通過(guò)預(yù)白化和定義特征窗函數(shù),實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)的白化和短時(shí)平穩(wěn),在此基礎(chǔ)上構(gòu)建分離的代價(jià)函數(shù);②利用偽Wigner-Ville分布,實(shí)現(xiàn)有用跳頻信號(hào)的提取,達(dá)到通信抗干擾的目的。仿真結(jié)果表明:新算法比JADE算法具有更好的分離效果,分離后的信號(hào)通過(guò)提取算法能有效地被提取出來(lái)。
圖7 分離信號(hào)2的WVD等高線(xiàn)圖Fig.7 WVD contour map of separated signal 2
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