一種TDMA信號用戶盲分離方法*

(西南電子電信研究所，成都 610041)

0 引 言

時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)作為一種多用戶的復用方式，具有單載頻復用、頻譜利用率高、通信配置靈活、適用處理突發(fā)業(yè)務等特點，是衛(wèi)星通信的關鍵技術之一[1-2]。由于TDMA信號中的載頻可以承載多個用戶，每個用戶通過分配的時隙進行突發(fā)通信。在第三方偵收過程中，對同一用戶時隙進行提取分類，再進行后續(xù)信息獲取，能避免其他用戶帶來的交叉干擾。尤其在目標測向定位中，多用戶之間的干擾嚴重影響定位性能。

無先驗知識情況下的TDMA用戶盲分離，首先要進行突發(fā)信號檢測，準確檢測出突發(fā)時隙的起始位置[3-4]。由于衛(wèi)星接收站和衛(wèi)星之間的相對運動，導致接收信號含有較大的多普勒頻偏[5]，因而對TDMA信號頻偏估計具有較高的要求。鑒于能量檢測算法具有較好的抗頻偏性能，本文采用雙滑動窗口檢測算法[6]。

本文根據(jù)提取的TDMA信號特征信息采用聚類的方法將信號用戶分離。然而在實際TDMA信號處理過程中，由于很難確定TDMA的用戶數(shù)量，常用的特征聚類算法[7-8]雖能夠較好地進行特征分類，但是較大程度地依賴于數(shù)據(jù)先驗信息，并受噪聲干擾影響較大。由于DBSCAN(Ddensity-based Spatial Clustering of Applications with Noise)[9-11]聚類算法無需確定聚類的個數(shù)，并且對噪聲適應性較好，因此本文提出基于信號特征的DBSCAN用戶分離方法。該算法能夠適應不同的用戶特征，同時具有良好的抗噪聲性能和較高的正確分選率。

1 TDMA信號特征提取

1.1 信號模型

TDMA信號模型可以表示調(diào)制信號與多個矩形脈沖串的乘積，信號可以理想表示為

x(t)=u(t)·s(t)+ε(t)=

(1)

式中：u(t)表示為矩形脈沖門函數(shù)；Tr為幀長度，Tw為包含保護間隙的每一突發(fā)寬度，即時隙長度；n表示為幀號；s(t)為已調(diào)信號；ε(t)表示加性高斯白噪聲。本文中s(t)為數(shù)字調(diào)制信號，其模型為

s(t)=r(t)cos(2πfct+φ0)。

(2)

1.2 TDMA突發(fā)雙滑動窗口檢測

圖1 雙滑動窗檢測原理

圖2 雙滑動窗檢測流程

1.3 TDMA信號特征提取流程

1.3.1 幅度特征

設模采信號為x(n)，本文模采信號通指將模擬信號采樣得到的數(shù)字信號，采樣率fs，中頻fc，信號帶寬bw。信號瞬時幅度A(n)的求取如圖3所示。

圖3 求取信號幅度流程

獲得信號幅度A(n)后，可求取幅度K特征：

K=E[u2(n)]/(E[u(n)])2-2。

式中:u(n)為信號幅度的平方。幅度包絡平坦度，即幅度抖動的期望值的求解方法如下：先求幅度A(n)的包絡ξa(n)，將A(n)作Hilbert變換，得到解析信號，然后取模：

ξa(n)=abs(Hilbert(A(n)))，

(3)

再對ξa(n)求平坦度

Ra=var[ξa(n)]/(E[ξa(n)])2。

(4)

零中心歸一化幅度譜密度最大值

rmax=max|DFT(Acn(i))|2/N。

(5)

(6)

短時方差是指在特定的短暫時間窗內(nèi)信號幅值的方差或功率:

(7)

短時電平和是指在特定的短暫時間窗內(nèi)信號幅值之和：

c3(t)=sum{|x(t-TL/2:t+TL/2)|}。

(8)

1.3.2 頻率特征

信號瞬時頻率的求取如圖4所示。

圖4 求取信號頻率流程

非弱頻率標準差：調(diào)制信號一般都占有一定的帶寬，而連續(xù)波(Continuous Wave，CW)信號只有一個頻率分量，頻率標準差是表征信號帶寬的一個量，其定義為σf=std(f(n))。

頻率包絡平坦度，即頻率抖動的期望值：先求頻率f(n)的包絡ξf(n)，將f(n)作Hilbert變換，得到解析信號，然后取模：

ξf(n)=abs(Hilbert(f(n)))，

(9)

再對ξf(n)求平坦度：

Rf=var[ξf(n)]/(E[ξf(n)])2。

(10)

頻偏ΔVf=fc′-fc，其中fc′為真實頻率的估計，fc為通信雙方設定的載頻。

2 基于特征聚類的TDMA信號分離

DBSCAN算法將數(shù)據(jù)化分為基于半徑Eps領域的所有點的集合。Eps領域定義為與某一點p的距離小于等于Eps點的集合。定義數(shù)據(jù)點個數(shù)MinPts，算法基于半徑Eps，將在半徑Eps內(nèi)含有超過MinPts數(shù)目的點定義為核心點，數(shù)目小于MinPts但落在核心點的領域內(nèi)的點定義為邊界點，除此之外剩余的點為噪聲點。DBSCAN算法實現(xiàn)過程如圖5所示，其通過檢查數(shù)據(jù)集中的Eps領域來搜索簇，如果點p的Eps鄰域包含的點多于MinPts個，則創(chuàng)建一個以p為核心對象的簇，以該核心對象為出發(fā)點，DBSCAN迭代地聚集從這些核心對象直接密度可達的樣本生成聚類簇，直到所有核心對象被訪問過為止。如圖5所示，黑色點為所有數(shù)據(jù)點，紅色點為核心點，圓圈定義為半徑Eps領域，綠色箭頭表示為密度可達生成聚類簇的過程。從圖5可見算法能發(fā)現(xiàn)任意形狀的聚類簇，能較好地排除噪聲的干擾，聚類結(jié)果不受輸入序列的影響。

圖5 密度可達生成聚類簇示意圖

DBSCAN算法需要確定兩個重要的參數(shù)Eps領域和MinPts[12]，參數(shù)的選取不同會導致不同的聚類結(jié)果。MinPts不能選擇過大，否則會導致將領域點的數(shù)據(jù)誤判為噪聲；也不能選擇過小，否則會導致核心點數(shù)量過多，從而將噪聲誤判為簇類里數(shù)據(jù)。同樣Eps領域決定了噪聲在聚類簇中的歸屬，本文采用繪制降序k-距離圖的方法估計參數(shù)Eps，再根據(jù)每個點的領域?qū)ο髷?shù)量來確定MinPts[4,12]。

本文基于特征聚類的TDMA信號用戶分離的算法流程如圖6所示。

圖6 基于特征聚類的TDMA信號用戶分離算法流程

3 仿真實驗結(jié)果

3.1 仿真數(shù)據(jù)

仿真實驗條件設置為：信號調(diào)制方式為QPSK，分別包含5個用戶和10個用戶，用戶時隙長約0.586 ms，采樣率fs=12.56 MHz，碼元速率fd=1.024 MHz，載頻fc=3 MHz。分別測試0 dB和10 dB信噪比條件下的TDMA突發(fā)檢測、用戶分離算法性能。圖7為0 dB信噪比條件下的時域波形，其中橫軸代表歸一化時間，縱軸為信號幅度。由于噪聲較高，突發(fā)時隙難以分辨，導致低信噪比突發(fā)時隙漏檢較高。

圖7 信噪比為0 dB時TDMA仿真信號時域波形圖

從圖7的時域波形圖中可以看出，在低信噪比下，人肉眼也不容易區(qū)分出突發(fā)信號，該實驗中信號總突發(fā)數(shù)為3 495，采用雙窗能量檢測算法檢測的突發(fā)數(shù)為1316，能部分檢測出突發(fā)信號。采用載波頻偏和突發(fā)功率特征值，圖8(a)為5個用戶的突發(fā)檢測分離結(jié)果，其中2個低功率用戶突發(fā)沒有被檢測出，功率較大的3個用戶能成功分離。圖8(b)為10個用戶的突發(fā)檢測分離結(jié)果，其中5個低功率用戶突發(fā)沒有被檢測出，功率較大的5個用戶能成功分離。該實驗證明在低信噪比下雙窗能量檢測算法不能完全檢測出突發(fā)信號，但聚類算法能對檢測的結(jié)果進行正確分離，從分離結(jié)果中可看出，該方法能標記出噪聲點、核心點和邊緣點，具備較好的分離性能。

(a) 5個用戶的信號分離結(jié)果

圖9為10 dB信噪比條件下的時域波形，從該時域波形上能直接分辨出用戶突發(fā)時隙。采用雙窗能量檢測算法檢測的突發(fā)數(shù)為3 494，只漏檢1個突發(fā)。

圖9 信噪比為10 dB時TDMA仿真信號時域波形圖

同樣采用載波頻偏和突發(fā)功率特征值進行用戶聚類，圖10(a)和圖10(b)給出了用戶的分離結(jié)果，可看出正確分離出了5個用戶和10個用戶，驗證了算法的有效性。通過分離后的用戶時隙與實際用戶時隙對比驗證，分離準確率大于96%。

(a) 5個用戶的信號分離結(jié)果

3.2 實際信號數(shù)據(jù)

實驗采用某方向?qū)嶋H接收的衛(wèi)星TDMA網(wǎng)臺數(shù)據(jù)進行驗證，該網(wǎng)臺包含5個頻點TDMA信號，共約12 150個突發(fā)，突發(fā)信噪比在3～8 dB之間，信號的時域波形如圖11所示。

圖11 TDMA實際信號時域波形圖

考慮到不同頻點之間帶來的特征差異，這里分別對每個頻點進行突發(fā)檢測和用戶分離驗證。共提取頻域和時域10維特征，采用分離度較好的突發(fā)功率和載波頻偏特征進行聚類，并將數(shù)據(jù)歸一化處理后的分離結(jié)果如圖12所示。結(jié)果表明，各頻點用戶數(shù)為4～5個，用戶突發(fā)時隙能夠成功分離，采用主站網(wǎng)控信令時隙分配信息進行對比驗證，各頻點分離準確性大于90%。

圖12 TDMA實際信號用戶分離結(jié)果

4 結(jié) 論

本文主要探討了基于TDMA信號特征進行用戶聚類的信號分選方法，對TDMA信號的檢測和特征提取進行了深入的研究，并基于DBSCAN算法，針對無先驗知識的TDMA信號提出了基于特征聚類的用戶分選方法。在實驗中，首先利用仿真實驗驗證了該方法的正確性，并利用實際數(shù)據(jù)驗證了該方法在實際網(wǎng)臺的有效性，仿真實驗結(jié)果表明該方法能夠有效檢測TDMA信號，能夠正確提取信號特征，實現(xiàn)有效的信號用戶分選。