Clover-2000短波通信協(xié)議信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

張潤生，李廣峰，王曉亞，趙歡歡

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍91290部隊(duì)，北京 102100)

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Clover-2000短波通信協(xié)議信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

張潤生1，李廣峰2，王曉亞1，趙歡歡1

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍91290部隊(duì)，北京 102100)

如何快速檢測(cè)具有特定協(xié)議的信號(hào)是無線電頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。針對(duì)短波頻譜監(jiān)測(cè)中的Clover-2000協(xié)議信號(hào)的寬帶檢測(cè)問題，提出了基于頻譜模板匹配和瞬時(shí)譜自相關(guān)判別的Clover-2000協(xié)議信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，通過預(yù)先建立Clover-2000協(xié)議信號(hào)頻譜模板，逐點(diǎn)滑動(dòng)求最大保持譜與頻譜模板的相關(guān)系數(shù)，構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量實(shí)現(xiàn)該協(xié)議信號(hào)的初步檢測(cè)。之后針對(duì)模板匹配方法無法區(qū)分Clover-2000與2GALE信號(hào)的問題，應(yīng)用瞬時(shí)譜自相關(guān)判別的方法，進(jìn)一步區(qū)分Clover-2000與2GALE信號(hào)。最后通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

模板匹配；檢測(cè)；Clover-2000；頻譜；寬帶

0 引言

短波通信具有通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來應(yīng)用越來越廣泛[2]。短波通信信號(hào)形式也呈現(xiàn)出日益多樣化的趨勢(shì)[3]，對(duì)短波頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)[4]，因此需要研究更加有效的短波信號(hào)檢測(cè)算法。在給定帶寬內(nèi)檢測(cè)具有特定協(xié)議的信號(hào)是無線電頻譜監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要任務(wù)之一[5-6]，Clover-2000協(xié)議是短波頻譜監(jiān)測(cè)中的常見目標(biāo)[7-8]，因此有必要開展Clover-2000信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究。

本文主要研究寬帶多信號(hào)環(huán)境下如何快速檢測(cè)是否存在符合Clover- 2000協(xié)議特征的信號(hào)的問題。由于Clover- 2000協(xié)議信號(hào)與2GALE協(xié)議信號(hào)的頻譜有很強(qiáng)的相似性[9-10]，因此2GALE信號(hào)識(shí)別的文獻(xiàn)對(duì)本文的研究具有很大的借鑒意義。文獻(xiàn)[13]研究了寬帶內(nèi)2GALE信號(hào)的識(shí)別問題，提出了基于頻譜模板匹配的識(shí)別方法，具有較好的識(shí)別效果，但本文未考慮2GALE信號(hào)與Clover- 2000信號(hào)的區(qū)分問題。文獻(xiàn)[14]針對(duì)2GALE和Clover- 2000信號(hào)頻譜相似的問題，采取了基于帶通濾波后子頻帶信號(hào)短時(shí)譜能量的波動(dòng)性檢測(cè)方法來區(qū)分二者，提出一種基于短時(shí)譜能量方差的2GALE和Clover- 2000信號(hào)分辨算法，但該算法需要窄帶濾波，運(yùn)算量較大。

為了實(shí)現(xiàn)帶寬內(nèi)Clover-2000協(xié)議特征的信號(hào)的檢測(cè)，本文首先應(yīng)用文獻(xiàn)[13]中提出的基于頻譜模板匹配的識(shí)別方法對(duì)Clover-2000進(jìn)行初步檢測(cè)。再對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)每一時(shí)刻的瞬時(shí)譜都取無偏自相關(guān)，然后對(duì)所有時(shí)刻的頻譜自相關(guān)值求平均，最后通過檢測(cè)自相關(guān)平均值中是否存在特定的頻率分量來進(jìn)一步確定初步檢測(cè)到的信號(hào)是否為Clover-2000。

1 Clover-2000協(xié)議概述

CLOVER-2000協(xié)議是一種第三代通用短波數(shù)傳協(xié)議，它繼承和發(fā)展了CLOVER-I和CLOVER-II協(xié)議的特性和優(yōu)點(diǎn),保留了ARQ選擇式重傳控制機(jī)制，可以根據(jù)當(dāng)前信道質(zhì)量來調(diào)節(jié)信號(hào)[11-12]。其信道糾錯(cuò)編碼方式為RS碼，該協(xié)議的傳輸速率相比CLOVER-I和CLOVER-II有了一個(gè)很大提高。在不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的情況下,CLOVER-2000的傳輸速率可以達(dá)到2 000 bps，并且?guī)捒刂圃? 000 Hz之內(nèi)( 500～2 500 Hz)，所以它兼容所有的SSB電臺(tái)。CLOVER-2000采用差分相位調(diào)制，因此濾波器的線性相位性質(zhì)和帶寬要求較低。

CLOVER-2000的ARQ傳輸包括5種不同的調(diào)制方式:BPSM、QPSM、8PSM、8P2A和16P4A。最大的數(shù)據(jù)傳輸速度在BPSM調(diào)制時(shí)為35 Byte/s，而在16P4A調(diào)制時(shí)為210 Byte/s。BPSM適用于信號(hào)微弱或強(qiáng)干擾情況,而16P4A則適用于信道質(zhì)量較的好情況。采用8路子載波并行傳輸，相鄰子載波的頻率間隔為250 Hz。頻譜特征如表1所示。

表1 CLOVER - 2000信號(hào)頻率參數(shù)表

CLOVER-2000信號(hào)的頻譜特征如圖1所示。

圖1 CLOVER-2000信號(hào)的頻譜特征

2 Clover-2000協(xié)議信號(hào)檢測(cè)算法

2.1 算法思想

由于Clover-2000信號(hào)和2GALE信號(hào)的最大保持譜幾乎完全一樣，因此這里考慮采用現(xiàn)有的2GALE信號(hào)檢測(cè)算法對(duì)Clover-2000信號(hào)進(jìn)行初步檢測(cè)。在初步確認(rèn)可能是Clover-2000信號(hào)之后，通過瞬時(shí)譜特征來進(jìn)一步區(qū)分Clover-2000信號(hào)和2GALE信號(hào)。文獻(xiàn)[13]研究了寬帶內(nèi)2GALE信號(hào)的識(shí)別問題，提出了基于頻譜模板匹配的識(shí)別方法，具有較好的識(shí)別效果。因此本文首先采用文獻(xiàn)[13]中的模板匹配算法初步檢測(cè)Clover-2000信號(hào)，然后應(yīng)用2.3節(jié)中的基于瞬時(shí)譜自相關(guān)的單音判別算法進(jìn)一步確認(rèn)是否為Clover-2000信號(hào)。識(shí)別流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖

2.2 基于模板匹配的信號(hào)初步檢測(cè)

(2)

2.3 基于瞬時(shí)譜自相關(guān)累積的信號(hào)判別

Clover-2000為8路并行信號(hào)，2GALE為8FSK，二者相鄰音之間的間隔一樣都是250Hz[15]，最大保持譜形狀極其相似，故基于頻譜模板匹配的方法無法將二者區(qū)分開。究其原因是最大保持譜僅僅攜帶頻域信息，并沒有時(shí)域信息，而二者的區(qū)別正是在時(shí)域，Clover-2000中每一個(gè)音在信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)一直有能量，2GALE是FSK調(diào)制信號(hào)，8個(gè)不同的音交替出現(xiàn)，同一時(shí)刻僅有一個(gè)音有能量。因此在瞬時(shí)譜中Clover-2000信號(hào)表現(xiàn)為8個(gè)譜峰，并且大致形狀保持不變，而2GALE的瞬時(shí)譜中僅有一個(gè)譜峰或兩個(gè)譜峰(FFT點(diǎn)數(shù)適當(dāng)?shù)臈l件下)，并且譜峰位置不固定。因此可以通過這一特征區(qū)分兩種信號(hào)。這里提出基于瞬時(shí)譜自相關(guān)的方法，每一時(shí)刻的瞬時(shí)譜都取無偏自相關(guān)，然后對(duì)所有時(shí)刻的頻譜自相關(guān)值求平均，最后通過檢測(cè)自相關(guān)平均值中是否存在特定的頻率分量來進(jìn)一步確定初步檢測(cè)到的信號(hào)是否為Clover-2000。

(3)

(4)

無偏自相關(guān)的邊界點(diǎn)處，即m接近邊界時(shí)，由于有效數(shù)據(jù)很少，會(huì)造成相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值的偏差，因此可以提取中間有效部分進(jìn)行分析，設(shè)截取數(shù)據(jù)起止位置分別為M1和M2，對(duì)其做DFT。假設(shè)截取數(shù)據(jù)部分有W個(gè)周期，相應(yīng)DFT結(jié)果中就會(huì)在第W個(gè)分量處出現(xiàn)譜峰分量。

(5)

如圖3和圖4所示，截取有效數(shù)據(jù)為9個(gè)周期，則在DFT的第9個(gè)分量處有能量。由于Clover-2000的頻譜結(jié)構(gòu)是固定的，因此M1和M2是可以預(yù)先確定的，則其中的周期數(shù)也是確定的。

圖3 無偏自相關(guān)的均值

圖4 自相關(guān)均值的DFT幅頻特性

2.4 門限確定

本文提出的算法需要通過設(shè)置門限來實(shí)現(xiàn)頻譜模板匹配和瞬時(shí)譜自相關(guān)檢測(cè)，由于第二步中的基于瞬時(shí)譜自相關(guān)的精細(xì)檢測(cè)應(yīng)用DFT運(yùn)算，具有累積增益，在較低信噪比情況下，對(duì)于Clover-2000信號(hào)，DFT特征譜線仍為所有特征譜線的最大值，因此可以通過判斷第9根譜線是否為最大值來判決。由于精細(xì)檢測(cè)有較好的性能，在第一步粗判別時(shí)，可以將門限設(shè)置得較低，這樣未免會(huì)帶來虛警，但通過第二步的精細(xì)判決可以將其剔除，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將粗判決的門限設(shè)為0.5可滿足實(shí)際需要。

3 仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：參照文獻(xiàn)[13]，做如下實(shí)驗(yàn)設(shè)置：頻譜模板采用標(biāo)準(zhǔn)的無噪聲CLOVER- 2000信號(hào)構(gòu)造。檢測(cè)判決門限設(shè)定為0.5，目標(biāo)信號(hào)最大保持譜的FFT點(diǎn)數(shù)設(shè)定為2 048點(diǎn)，在信噪比-5～5 dB條件下檢驗(yàn)本文算法和文獻(xiàn)[14]中算法的正確檢測(cè)率和虛警率，蒙特卡羅仿真次數(shù)為1 000次。其中信噪比定義為信號(hào)所在帶內(nèi)信號(hào)的功率與噪聲功率之比。評(píng)價(jià)虛警概率時(shí)，目標(biāo)信號(hào)設(shè)定為與CLOVER- 2000信號(hào)帶寬一樣的2GALE信號(hào)、8PSK信號(hào)和4FSK信號(hào)。信號(hào)采樣率為48 000 Hz，試驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)長度為1 s。在初步檢測(cè)階段采用文獻(xiàn)[13]中的模板匹配算法，在區(qū)分CLOVER- 2000與2GALE信號(hào)時(shí)，比較本文算法和文獻(xiàn)[14]算法的性能。

從圖5可以看出兩種算法得正確檢測(cè)率都隨著信噪比的增加而增加。在信噪比為-2 dB時(shí)，本文提出的算法已經(jīng)達(dá)到100%的檢測(cè)率，而文獻(xiàn)[14]中的算法需要信噪比為2 dB時(shí)才能達(dá)到同樣的性能。本文提出的算法之所以在如此低信噪比下還能達(dá)到優(yōu)良的性能，首先是因?yàn)槭褂玫哪０迤ヅ渌惴ň哂行盘?hào)累積的作用，能把與模板做相似的頻譜片段能量累積，同時(shí)由于模板與噪聲相關(guān)性很小，又起到抑制噪聲的效果，因此可以帶來信噪比增益。其次本文算法采用了基于瞬時(shí)譜自相關(guān)算法，由于Clover2000的頻譜中存在周期分量，通過無偏自相關(guān)操作，有助于提取這種周期分量，并抑制噪聲，通過時(shí)間平滑進(jìn)一步降低了噪聲。同時(shí)應(yīng)用DFT操作，帶來信號(hào)累積增益。

圖6給出了兩種算法的虛警率，也就是錯(cuò)誤檢測(cè)概率。這種概率主要由2GALE信號(hào)識(shí)別為Clover-2000信號(hào)而造成的。

圖5 Clover-2000檢測(cè)正確率 圖6 Clover-2000檢測(cè)虛警率

本文算法虛警率很低，在信噪比為-5 dB時(shí)，虛警率仍不到5%，說明本文算法可以很好地區(qū)分2GALE信號(hào)Clover-2000信號(hào)。而文獻(xiàn)[14]中提出的算法信噪比0 dB以下時(shí)，虛警率很高，可見在低信噪比下，該算法不能很好地區(qū)分2GALE信號(hào)Clover-2000信號(hào)。

4 結(jié)束語

為了區(qū)分2G-ALE信號(hào)和Clover2000信號(hào)，本文提出了基于瞬時(shí)譜自相關(guān)和時(shí)間平滑單音檢測(cè)的算法，通過模板普配、時(shí)間平滑和DFT變換實(shí)現(xiàn)了降噪，提高了檢測(cè)性能。該算法可以有效區(qū)分2G-ALE信號(hào)和Clover2000信號(hào)。在信噪比為-2 dB時(shí)仍具有較好的正確檢測(cè)率。該算法已應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用，具有較好的效果。

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Detection Technology of Clover-2000 HF Communication Protocol Signals

ZHANG Run-sheng1,LI Guang-feng2,WANG Xiao-ya1,ZHAO Huan-huan1

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Unit 91290,PLA,Beijing 102100,China)

The rapid detection of specified protocol signals is an important task in spectrum monitoring field.In view of broadband detection of Clover-2000 protocol signals in HF spectrum monitoring,this paper proposes a detection technology of Clover-2000 protocol signals based on spectrum template matching and instantaneous spectral autocorrelation.Firstly,the standard spectrum template is constructed according to the second Clover-2000 protocol,and then the maxhold spectrum of the input signal is calculated,after that the set of correlation coefficient between the template and the sliding maxhold spectrum is computed to realize the preliminary detection of the Clover-2000 signals.To separate Clover-2000 signal from 2GALE,the instantaneous spectral autocorrelation is used.Finally,the effectiveness of this algorithm is proved by simulations and practical data.

template matching;detection;Clover-2000;spectrum;wideband

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.03

張潤生，李廣峰，王曉亞，等.Clover-2000短波通信協(xié)議信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):13-16.

2016-07-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81370038)

張潤生(1984—)，男,博士，通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，主要研究方向:通信信號(hào)處理。李廣峰 (1972—),男,高級(jí)工程師，主要研究方向:通信技術(shù)。

TN391.4

A

1003-3114(2016)06-13-4