復(fù)雜背景下猝發(fā)信號的捕獲算法

杜亞琦，盧振鈞（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點實驗室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

復(fù)雜背景下猝發(fā)信號的捕獲算法

杜亞琦1，2，盧振鈞1，2
（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點實驗室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

提出了一種復(fù)雜背景下猝發(fā)信號的捕獲算法。針對捕獲自適應(yīng)瞬間通信信號，該捕獲算法采用了信號最大積累和雙門限判決等方法，采用高速的DDR2內(nèi)存分組，交替讀寫以實現(xiàn)其可靠存儲，并解決了其猝發(fā)的隨機概率問題。實際信號測試中，可以在信號繁多的幾百MHz寬帶背景下準(zhǔn)確的檢測到猝發(fā)信號的信號頭和信號尾，并能實時、自動、完整的捕獲到猝發(fā)信號，徹底解決了500MHz瞬時帶寬內(nèi)的猝發(fā)信號實時、盲捕獲問題。

猝發(fā)信號；捕獲算法；復(fù)雜背景；高速DDR

猝發(fā)通信也稱為自適應(yīng)瞬間通信，在軍事通信中，是比較常用的方法。猝發(fā)通信通過將信息壓縮，并采取隨機選擇傳輸時間進行突發(fā)方式傳送，持續(xù)通常不到1 s，在瞬間將信號傳送完畢，它一般用于隱蔽通信領(lǐng)域，比如潛艇、偵察等的通信，因此，如果能夠?qū)Υ祟愋盘枩?zhǔn)確進行捕獲，對反潛和防潛都具有十分重要的作用和意義。

但是猝發(fā)信號是一類突發(fā)通信信號，由于其有著持續(xù)時間短暫和出現(xiàn)時刻隨機的特點，是極難對其進行偵察跟蹤和捕獲的［1］。

文中提出了一種新的算法對猝發(fā)信號進行捕獲。通過先將信號進行最大積累，平滑等運算求出信號背景，再應(yīng)用雙門限判決模式判斷出猝發(fā)信號的存在性，并找到猝發(fā)信號對應(yīng)的頻率點，然后通過準(zhǔn)確的時鐘延時找到對應(yīng)的猝發(fā)信號的頭和尾，完整捕獲到多個猝發(fā)信號并進行保存。

而且基于這種方法的特性，還可以在捕獲猝發(fā)信號的同時屏蔽掉跳頻信號和TDMA信號的干擾，傳統(tǒng)的方法是無法實現(xiàn)的。

1　捕獲的基本原理及實現(xiàn)方案

1.1該捕獲算法的基本原理

文中算法目的是克服傳統(tǒng)捕獲技術(shù)存在的不足，提高通信偵察裝備對猝發(fā)信號捕獲的準(zhǔn)確率，根據(jù)猝發(fā)信號在時域上的持續(xù)時間特性，提出一種新的寬帶猝發(fā)信號的捕獲方法，這種方法不同于常規(guī)的通信信號檢測方法。

文中采用的技術(shù)方案首先對信號進行FFT處理，然后在頻域上對信號頻譜進行平滑和最大值積累，再次平滑處理來求得信號背景，然后減去信號背景，利用雙門限判據(jù)進行信號檢測獲得信號頻率，根據(jù)信號檢測的時間對原始信號進行緩存，以保持完整的信號頭尾信息。根據(jù)檢測結(jié)果獲得的信號頻率對緩存后的原始信號進行下變頻、濾波抽取等處理，并把完整的信號保存到內(nèi)存中。由于受到控制計算機硬盤讀寫速度的限制，這里采用了在短時間內(nèi)把不同的猝發(fā)信號保存到不同的內(nèi)存區(qū)域，來保證一定時間內(nèi)信號不會因為存儲區(qū)域的沖突而丟失，通過硬盤讀寫速度和內(nèi)存區(qū)域的平衡，可以達到連續(xù)不丟失保存多個猝發(fā)信號的目的［2-3］。

1.2具體實現(xiàn)方案

文中提出了一種新的對猝發(fā)信號進行捕獲的方法。這種方法主要通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的大規(guī)模高速硬件資源進行實時連續(xù)處理來實現(xiàn)。為了更好地理解此方法的技術(shù)方案，以下結(jié)合具體實施方式，作進一步的詳細描述。圖1是本發(fā)明提供的寬帶猝發(fā)信號捕獲方法的流程圖。

圖1　寬帶猝發(fā)信號捕獲方法的流程圖

首先要求出信號的背景，然后再進行猝發(fā)信號檢測。根據(jù)該領(lǐng)域通常的應(yīng)用環(huán)境，假設(shè)處理的信號帶寬為500MHz，采樣頻率為1 600 MHz。根據(jù)目前FPGA的處理速度，輸入信號sig（t）為8路并行輸入，每路速率200 MHz。首先對sig（t）進行下變頻濾波和2倍抽取，下變頻頻點為500 MHz帶寬信號的中心頻點，2倍抽取后的信號為r（t）。r（t）為4路并行路輸入，進行并行快速傅里葉變換（FFT）處理，并行FFT的處理點數(shù)可取為2 048點。然后求出FFT結(jié)果的幅度的對數(shù)頻譜，并根據(jù)FFT結(jié)果順序，把4路數(shù)據(jù)累加到一路，即每路2 048點FFT對應(yīng)的第一點累加，第二點累加，依次類推。之后對累加數(shù)據(jù)求均值，就是除以4。最后對累加完的均值數(shù)據(jù)進行分塊平滑處理，每塊長度與FFT的處理點數(shù)相同，也是2 048點。

其中，分塊平滑處理是指對于連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，指定平滑次數(shù)m，進行m塊的數(shù)據(jù)塊的對應(yīng)位置數(shù)據(jù)的累加求均值，每m個數(shù)據(jù)塊累加得到一個結(jié)果數(shù)據(jù)塊，具體實現(xiàn)見公式（1），每一數(shù)據(jù)塊的大小如步驟一中的2 048，即FFT的處理點數(shù)。對于累加完的均值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)序列表示為｛a1，a2，a3，…，ai，…｝。

在本具體實施方式中，平滑次數(shù)的控制參數(shù)為m=16。經(jīng)過平滑，最終得到平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R1（f）。R1（f）數(shù)據(jù)流中每個數(shù)據(jù)即為公式1的元素，為下面敘述簡便，令R1（f）序列表示為｛b1，b2，b3，…，bi，…｝，如公式（2）所示。

對平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R1（f）進行指定塊數(shù)的最大值積累。該最大值積累是指在指定一個最大積累次數(shù)k的情況下，根據(jù)最大積累次數(shù)k進行指定塊數(shù)的最大值積累，每隔k個數(shù)據(jù)塊得到一個結(jié)果，數(shù)據(jù)塊大小和平滑數(shù)據(jù)塊一致，為2 048，最大值積累結(jié)果見公式（3）：

在本具體實施方式中，積累次數(shù)的控制參數(shù)為k=8。經(jīng)過最大值積累后，最終得到積累后的頻域數(shù)據(jù)塊R2（f）。R2（f）數(shù)據(jù)流中每個數(shù)據(jù)即為公式3的元素，為下面敘述簡便，令R2（f）序列表示為｛c1，c2，c3，…，ci…｝，如公式（4）所示。

對積累后的頻域數(shù)據(jù)塊R2（f）再次求平滑，結(jié)果見公式（5）。

在本具體實施方式中，二次平滑的控制參數(shù)為h=256，最終得到平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R3（f），作為信號背景。

然后R1（f）減去背景信號，獲得頻譜數(shù)據(jù)R4（f），即計算R4（f）=R1（f）-R3（f）。經(jīng)過調(diào)節(jié)平滑次數(shù)，可以有效去除背景中的定頻信號、跳頻信號和TDMA信號。也可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，將此捕獲方法轉(zhuǎn)變成用來捕獲跳頻信號或者TDMA信號的方法。這也是此捕獲算法的另一個優(yōu)點。

最后對R4（f）進行猝發(fā)信號檢測。這里，信號檢測采用了雙門限判據(jù)，以判斷猝發(fā)信號的開始及結(jié)束。如圖2所示，兩個門限分別對應(yīng)信號跳變的上升沿和下降沿。根據(jù)門限來判斷猝發(fā)信號的發(fā)生，保持和結(jié)束。經(jīng)過檢測，獲得信號的頻率，以及對應(yīng)信號的開始時刻和結(jié)束時刻。如果沒檢測到信號，就不做處理，等待信號出現(xiàn)。

圖2　雙門限判決方法示意圖

具體實現(xiàn)的方法為：

1）對信號R4（f）到達的每一塊數(shù)據(jù)求最大值，和門限1進行判決，大于門限為1，否則為0；

2）根據(jù)R4（f）上一塊數(shù)據(jù)塊的最大值的位置，在當(dāng)前R4（f）數(shù)據(jù)塊上的值，和門限2進行判決，大于門限為1，否則為0；

3）把門限1判定結(jié)果與門限2的判定結(jié)果并列，會有4種結(jié)果，結(jié)果對應(yīng)情況和后續(xù)處理如表1所示。

表1　猝發(fā)信號雙門限判決表

為了得到完成的猝發(fā)信號的數(shù)據(jù)，要對輸入信號r（t）進行緩存，緩存的長度由信號輸入到檢測模塊的運算時間決定，并能保證可以在檢測到信號存在時保留信號完整的頭部信息。然后對緩存后的數(shù)據(jù)進行下變頻處理，得到下變頻后的完整數(shù)據(jù)。對下變頻后的數(shù)據(jù)進行濾波、抽取，得到時域上的完整的猝發(fā)信號。

如果要將猝發(fā)信號進行存儲，以便將時域上完整的猝發(fā)信號連續(xù)保存到內(nèi)存區(qū)域中，則要根據(jù)不同信號的到達時刻，分別把多個信號保存到不同的內(nèi)存區(qū)域中。在短時間內(nèi)多個猝發(fā)信號連續(xù)到達的情況下，這種方式不會引起保存內(nèi)容的沖突或者覆蓋，以達到保存多個信號的目的。在完成保存一個完整的猝發(fā)信號后，通知控制計算機完成捕獲，控制計算機可以立刻讀取該內(nèi)存區(qū)域的信號，讀取完畢后，把該區(qū)域標(biāo)識為可繼續(xù)保存標(biāo)識，此時該區(qū)域可以繼續(xù)捕獲新的猝發(fā)信號［4］。具體見圖3。

圖3　不同信號保存示意圖

2　捕獲算法的難點分析

此捕獲算法的一個難點在于要記錄每個步驟的操作對信號的處理時間，對緩存中的數(shù)據(jù)進行處理時，都要根據(jù)相應(yīng)的處理時間進行數(shù)據(jù)對齊，保證檢測結(jié)果和原始數(shù)據(jù)的同步。比如求R4（f）時，關(guān)鍵的就是要準(zhǔn)確計算出從R1（f）開始的時刻到計算出信號背景R3（f）時用了多少個時鐘周期，要用同時刻的R1（f）數(shù)據(jù)減去信號背景，才能得到準(zhǔn)確的R4（f）來判斷猝發(fā)信號是否存在。

另外，在計算信號背景時，兩次平滑與一次積累的參數(shù)需要控制好，否則再對R4（f）進行猝發(fā)信號檢測時，就會出現(xiàn)漏判信號或者信號存儲不完整的情況。

3　結(jié)束語

該算法原理簡單，通用性和可移植性強，捕獲準(zhǔn)確率高，捕獲信號完整，而且可以屏蔽掉跳頻信號和TDMA信號等。此算法的可行性已經(jīng)得到驗證，完全符合設(shè)計的要求。另外通過對算法參數(shù)的稍加修改，還可以將此算法轉(zhuǎn)變成用于捕獲跳頻信號或TDMA信號的方法，更加證明了此算法的實用性。

［1］劉雪.通信對抗盲偵察關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［2］向敬成，王意青，毛自燦，等.信號檢測與估計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990.

［3］Van Trees H L.Detection，estimation and modulation theory［M］.New York:Wiley，2001.

［4］隋丹，葛臨東.突發(fā)信號盲存在性檢測的兩種算法［J］.信號處理，2008，24（5）:863-866.

［5］陶克飚.猝發(fā)信號的截獲與測向［J］.通信對抗，2004（4）:36-39.

［6］隋丹.通信信號盲檢測技術(shù)研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2008.

［7］馮文江，王紅霞，侯劍輝，等.一種適合突發(fā)通信的信號檢測改進算法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，30（2）: 58-60.

The acquisition algorithm of burst signal in complex background

DU Ya-qi1，2，LU Zhen-jun1，2
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Jiaxing 314033，China；2.No.36 Research Institute of CETC，Jiaxing 314033，China）

An algorithm for acquisition of burst signal in complex background was proposed in this paper.For adaptive instantaneous communication signalacquisition，the acquisition algorithm using themaximum signalaccumulation and double threshold decisionmethod、high-speed DDR2 Memory packet alternating reading and writing in order to achieve the reliable storage，and solved the problem of random probability of the burst.The head and tail signal can be detected accurately in background with hundreds ofmegabytes bandwidth.And in order tomeet the requirements of the subsequent recognition and demodulation，the algorithm can detect burst signal real-timely，automatically，completely.Completely solve the real-time、blind acquisition of the burstsignal in the instantaneousbandwidth of500MHz.

burst signal；acquisition algorithm；complex background；high-speed DDR

TN911.1

A

1674-6236（2016）19-0188-03

2015-10-14稿件編號：201510078

杜亞琦（1982—），女，河北衡水人，碩士，工程師。研究方向：信號處理。