多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號自動檢測方法

劉 沛，紀學(xué)軍，趙國慶

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號自動檢測方法

劉 沛1,2，紀學(xué)軍1，趙國慶2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對檢測門限設(shè)置對信號檢測性能影響較大的問題，提出一種新的寬頻帶接收條件下衛(wèi)星信號檢測方法。對衛(wèi)星通信信號功率譜具有的特征進行分析，并利用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)對功率譜進行平滑，在此基礎(chǔ)上，將信號檢測由多個門限聯(lián)合實現(xiàn)。該方法弱化單一檢測門限對檢測結(jié)果的影響，檢測門限的設(shè)置由數(shù)據(jù)驅(qū)動，計算復(fù)雜度適中?；谛l(wèi)星實測數(shù)據(jù)的信號檢測結(jié)果驗證了該方法的有效性。

信號檢測；經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?；多門限檢測

0 引言

在非合作衛(wèi)星通信偵察背景下，對目標頻段內(nèi)信號進行自動檢測是實現(xiàn)衛(wèi)星頻譜態(tài)勢感知、頻譜管控、信號情報偵察、通信對抗的關(guān)鍵技術(shù)。

衛(wèi)星信號檢測包含2個研究方向，第一，在低信噪比條件下，檢測接收帶寬內(nèi)是否有信號存在[1-3]；第二，對接收帶寬內(nèi)[4-5]的多個信號[6]分別進行檢測并分離[7-8]。本文從第二個方向展開研究，由于衛(wèi)星信號自動檢測涉及第三方盲偵察，因此研究該問題的公開文獻較少。文獻[6]提出了一類利用小波變換進行衛(wèi)星信號檢測的方法。其思路是，在寬帶信號功率譜上利用小波變換進行奇異點檢測，提取信號頻率分量與噪聲頻率分量的分界點。該方法存在以下3個問題，第一，小波尺度的選擇依賴于頻率分辨率，并且當寬帶信號與窄帶信號并存時，小波尺度選擇面臨困難；第二，由于觀測信號長度、噪聲等影響，信號功率譜具有起伏特征，因而產(chǎn)生很多虛假奇異點；第三，小波變換系數(shù)在奇異點處會出現(xiàn)峰值，需要設(shè)定峰值檢測門限，當門限設(shè)定不合適時，嚴重影響檢測性能。

針對上述問題，提出一種新的寬頻帶衛(wèi)星信號自動檢測方法。首先，利用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)在提取信號趨勢分量方面的優(yōu)勢，對信號功率譜進行平滑，以凸顯信號的頻率分量，EMD的優(yōu)勢在于該方法完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動，不涉及參數(shù)選擇問題，適用于第三方盲偵察；其次，與傳統(tǒng)信號檢測使用單一門限不同，本文基于對典型衛(wèi)星通信信號功率譜特征的分析結(jié)果，將信號檢測任務(wù)由多個門限聯(lián)合實現(xiàn)，以弱化單一檢測門限對性能的影響；最后，本方法使用的多個檢測門限的取值由數(shù)據(jù)驅(qū)動，可使檢測算法更好地適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)。

1 信號模型

接收濾波器輸出為：

(1)

式中，si(t)為第i個基帶衛(wèi)星信號，fi為其載頻，M為接收信號帶寬內(nèi)包含的信號個數(shù)，n(t)為高斯白噪聲。si(t)可表示如下：

(2)

其中，Iik為發(fā)送碼元，gi(t)為脈沖成形濾波器，Ti為碼元周期。由于衛(wèi)星信道是典型非線性信道，信號包絡(luò)的起伏在衛(wèi)星信道中會引起頻譜擴展和相位失真，因此衛(wèi)星通信通常采用包絡(luò)恒定的PSK調(diào)制方式[8]。

根據(jù)維納欣欽定理[10]，即廣義平穩(wěn)過程的功率譜密度為其自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。由式(2)可得到基帶衛(wèi)星信號si(t)的功率譜密度表達式：

(3)

(4)

此時基帶衛(wèi)星信號si(t)的功率譜密度為：

(5)

從式(5)看出，當發(fā)送碼元統(tǒng)計獨立時，衛(wèi)星基帶信號的功率譜密度完全由脈沖成形濾波器決定。假設(shè)脈沖成形濾波器滿足奈奎斯特準則[10]，即，∑uSi(f+u/Ti)=Ti，并且發(fā)送與接收濾波器相同，則有Si(f)等價于升余弦函數(shù)[10]，即：

(6)

式中，βi為滾降系數(shù)，取值范圍為0～1。從式(6)可以得到關(guān)于Si(f)的2個性質(zhì)。

(7)

2 問題描述

(8)

式中，fi為第i個信號的中心頻率，Bi為第i個信號的帶寬。

在式(8)所示的信號檢測問題中，檢測門限t′的選擇決定信號檢測的性能。當接收信號帶寬較寬(>60 MHz)時可能包含2個轉(zhuǎn)發(fā)器信號，此時由于噪聲底不平坦(N0不為常數(shù))，確定檢測門限t′的取值較為困難。另外，上述信號檢測問題僅從信號功率大于噪聲功率的角度進行信號檢測，并未考慮衛(wèi)星信號功率譜密度所具有的特性，如前述的性質(zhì)1與性質(zhì)2。下面從上述2個性質(zhì)出發(fā)提出一種衛(wèi)星信號檢測問題新的描述方法。

現(xiàn)有K個判決門限tk(k=1,…,K)，且tK<…

(9)

(10)

(11)

3 算法流程

根據(jù)上述信號檢測問題描述，下面提出一種新的寬頻帶衛(wèi)星信號檢測方法。從前述信號檢測問題描述(9-10)中發(fā)現(xiàn)，確定檢測門限與信號功率譜的交點是實現(xiàn)信號檢測的關(guān)鍵。受噪聲和觀測數(shù)據(jù)長度等因素的影響，觀測數(shù)據(jù)的功率譜估計中含有較多高頻分量，此時判決門限與信號功率譜的交點有多個，無法根據(jù)前述信號檢測問題的描述構(gòu)造檢測方法。因此首要解決的問題是對功率譜進行去噪，得到一個相對平滑的功率譜。

經(jīng)EMD分解后得到有限個IMF，階數(shù)較小的IMF以噪聲分量為主，而階數(shù)較高的IMF以信號分量為主。根據(jù)EMD進行去噪，本質(zhì)是選擇一個分解階數(shù)d，當進行d次EMD分解后，余項中包含的信息主要為信號趨勢信息。

算法流程：

條件1：

條件2：

上述檢測方法的思路及所涉及的參數(shù)如圖1所示。需要說明的是，算法流程③中，在確定初始門限與平滑后信號功率譜的交點對后，必須對交點對進行篩選，將功率譜密度較小的交點對去除。一種方法是，若交點對頻率范圍內(nèi)功率譜密度的均值大于某一閾值，則該交點對通過篩選。該閾值反映了本文提出的檢測算法對待檢測信號應(yīng)具有的最低信噪比，通常該閾值取值為1～3 dB。

圖1 多門限聯(lián)合檢測

4 實驗結(jié)果

本實驗利用在非合作條件下偵收的衛(wèi)星信號對檢測算法進行性能分析。接收帶寬為20～40MHz，采樣頻率為200MHz，用于信號檢測的樣本點數(shù)目為1M，計算FFT時使用的點數(shù)為128K，頻譜分辨率為1.525 9kHz。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)待檢測信號的最小帶寬來決定頻譜分辨率與FFT點數(shù)。對功率譜利用EMD進行平滑的次數(shù)d與待檢測信號帶寬以及頻譜分辨率有關(guān)，一般地，當頻譜分辨率值減小時，應(yīng)增大d的取值，反之亦然。在上述頻率分辨率條件下，通常選為3或4；

對3顆Ku頻段衛(wèi)星采集的245個信號進行檢測，被檢測信號的帶寬從80kHz～10MHz，其中正確檢測信號224個，檢測正確率為91.4%；漏檢21個信號，虛警10個信號。

圖2給出了本檢測方法對噪聲底不平坦條件下信號的檢測結(jié)果，信號1～4與信號5～6的噪聲底不同，但本方法可以同時將二者準確的被檢測出來；另外，本方法對發(fā)送數(shù)據(jù)具有較強周期性或擴頻信號也具有較強的檢測能力。該類信號由于周期性存在，通常功率譜上具有多個等間距的譜線存在，此類信號若僅從功率的角度進行檢測，容易被識別為多個窄帶信號，而本算法利用平滑濾波操作，可以很好地解決該問題，但存在的問題是平滑后功率譜的信噪比下降較大。

圖2 噪底不平坦情況的信號檢

周期性信號檢測性能如圖3所示。

圖3 周期性信號的檢測性能

5 結(jié)束語

通過對衛(wèi)星通信信號功率譜進行分析，得到2個性質(zhì)；將它們作為區(qū)分信號與噪聲的特征，從理論上提出一種多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號檢測方法。并且在算法實現(xiàn)流程中，利用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)在提取信號趨勢分量方面的優(yōu)勢，對接收帶寬內(nèi)信號的功率譜進行平滑。本文提出的信號檢測方法弱化單一門限對最終檢測結(jié)果的影響，檢測門限的設(shè)置由數(shù)據(jù)驅(qū)動，進而增加檢測算法對不同數(shù)據(jù)的魯棒性，并且算法復(fù)雜度適中。

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Automatic Detection of Satellite Signal Using Multiple Thresholds

LIU Pei1,2,JI Xue-jun1,ZHAO Guo-qing2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.College of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China)

For the problem that the inappropriate detection threshold influences the performance of signal detection,a new method is proposed for detection of satellite signal within wide frequency bandwidth.The characteristics of the power spectrum of satellite communication signal is analyzed and the power spectrum is smoothed by using the idea of Empirical Mode Decomposition (EMD),based on which the signal detection is accomplished by multiplethresholds.The proposed method not only alleviates the detection performance deterioration introduced by inappropriate single detection threshold,but also has moderate computational complexity.Moreover,the multiple detection thresholds are data-driven.Experimental results based on the real satellite signal data validate the proposed detection method.

signal detecting;empirical mode decomposition (EMD);multiple threshold detection

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.04

劉 沛，紀學(xué)軍，趙國慶.多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號自動檢測方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):17-20，62.

2016-7-21

國家自然科學(xué)基金項目(81370038)

劉 沛(1983—)，男，主要研究方向：信號特征提取與識別。紀學(xué)軍(1966—)，男，研究員，主要研究方向：電磁場與微波技術(shù)。趙國慶(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要主要研究方向：電子信息對抗技術(shù)。

TN911.3

A

1003-3114(2016)06-17-4