一種改進的Link16信號檢測方法

薛 燕,高春芳,楊 欣

(1. 中國電子科技集團公司第三十六研究所, 浙江 嘉興 314033)(2. 嘉興職業技術學院, 浙江 嘉興 314036)

0 引 言

Link16是美國各軍種和北約國家通用的重要戰術數據鏈,在近些年幾場局部戰爭中體現出了高效整合戰場資源和共享信息的能力[1]。Link16是作戰指揮和武器控制系統使用的主要數據鏈,主要用于機載、陸基和艦載作戰平臺之間的戰術信息實時交換,是信息化戰爭中的粘合劑,也是戰斗力提升的倍增器。作為Link16信號偵測處理的基礎和前提, Link16信號的檢測識別工作具有重要的現實意義。

不少文獻對Link16信號檢測方法進行了分析研究。文獻[2]設計了一種基于雙滑動窗的自適應雙門限Link16信號檢測算法,該檢測識別算法具有計算簡單、實時性好、易于工程實現等特點,但是在低信噪比(小于7dB)情況下,檢測效果并不理想。文獻[3]提到倍頻相關檢測法,雖然提高了低信噪比下對Link16信號的檢測能力,但是需要截獲足夠脈沖時,才能達到有效的檢測效果,無法滿足外場數據實時采集處理的要求。因此,迫切需要研究開發出一種實時性高并且能在低信噪比下有較高檢測能力的Link16信號檢測算法。

本文借鑒雙滑動窗算法在突發信號檢測上的應用,設計了一種基于相關處理的雙滑動窗Link16信號檢測方法。該方法具有檢測概率高、實時性強、簡單易實現等特點,且在較低信噪比環境下,也具有較好的檢測性能。

1 Link16信號特征

Link16信號采用混合擴頻通信方式,瞬時3 dB帶寬為3.5 MHz,信號在960 MHz～1 215 MHz范圍內按照偽隨機方式進行跳變,跳頻速率為76 923 Hop/s,為避免對原有系統的干擾,實際跳頻頻點分布在969MHz～1008MHz、1053MHz～1065MHz和1113MHz～1 206 MHz三個頻段上,51個跳頻點按照3 MHz的間隔平均分布在工作頻帶,前后兩頻點的最小間隔為30 MHz[4]。

Link16信號采用時分多址技術,信號的基本單位為時隙,Link16 每個時隙發射的信息構成一條信息,每個脈沖的寬度為6.4 μs,是以一個碼片寬度0.2 μs的32位經過RS(32,15)編碼后的偽隨機序列作為調制信號對載頻做MSK調制而形成的[5]。

2 對Link16信號檢測原理

Link16信號檢測識別主要采用的是基于自相關處理的雙滑窗自適應門限檢測方法,該方法對突發信號檢測具有較高的檢測性能,適合實時處理和工程應用。自相關處理[6]可以有效抑制信道化帶內噪聲,提高對窄帶突發信號的檢測靈敏度。由于輸入數據為寬帶信號數據,需要經過預處理完成寬帶數據的基帶正交變換,獲取基帶IQ數據。預處理過程包括采用多線程程序設計實現同時對51個跳頻頻點信號的控守,根據寬帶信號起始頻率、帶寬及采樣率等參數信息,設置頻譜搬移的頻偏值。然后對頻譜搬移后的寬帶IQ數據進行迭代濾波[7],獲取針對特定跳頻頻率的窄帶信號。對窄帶信號再進行基于自相關處理的雙滑窗自適應門限檢測,并對檢測到的信號進行脈內分析,利用MSK信號調制特性,獲取Link16信號特征參數。檢測流程如圖1所示。

圖1 Link16信號檢測處理流程圖Fig.1 Flow chart of Link16 signal detection and processing

2.1 Link16信號數據模型

對Link16信號參數的測量主要依靠對Link16信號頻譜特征的分析來實現,Link16信號的調制方式為MSK調制。MSK信號具有相位連續、包絡恒定并且帶寬占用小的優點[8],與其他調制樣式相比,比如BPSK調制方式,恒包絡調制的MSK具有極低的旁瓣能量,所產生的頻譜集中度更高,能量主要集中在3 MHz頻譜的帶寬之內。

MSK調制信號在跳頻調制前的一個脈沖三角展開表達式為

Ik=±1,Qk=±1

(1)

式中:Tb為碼元寬度;fc為載波頻率。MSK調制信號的頻譜上不存在獨立的頻率分量,所以利用MSK信號的頻譜特征去實現檢測識別算法研究是行不通的。嘗試對式(1)進行平方運算,進一步研究MSK信號的平方譜譜線特征。

S2(t)MSK=0.5+0.25cos2(2πfL)t+0.25cos2(2πfHt)+

(2)

由式(2)可知,將MSK信號進行平方運算后,平方譜信號包含有三個相對獨立的頻率分量,分別表示為2fL、2fH和2fc,對S2(t)MSK快速傅里葉變換得到幅度譜圖,并對幅度譜進行分析?？梢钥闯?幅度譜圖上包含三根峰值譜線,分別對應為2fL、2fH和2fc的位置,其中2fL和2fH對應譜線間的距離剛好等同于碼元傳輸速率。

2.2 雙滑動窗口檢測的流程和步驟

所謂的雙滑動窗口[9]檢測基本思想為二元假設檢驗,設計前后相鄰兩個窗口,且兩個窗口的長度大小為L,窗長度L的選取需要綜合考慮 ,L選取過大會導致脈寬測量精度誤差大,L選取過小會受突發噪聲干擾影響而產生虛警。結合理論脈寬對應的點數N=6.4×10-6×fs,其中fs為采樣率,實驗表明L設置為點數N的八分之一比較合理。初始狀態時,設置兩個窗口的距離為窗口長度L的一半。假設將兩個窗口命名為窗口A和窗口B。在比較兩個窗口的能量時,首先要分別計算窗口A和窗口B內信號經過預處理后,再進行自相關處理的值,當兩個窗口在經過相關處理后的數據上進行滑動的時候,落入兩個窗口的能量分別為EA和EB,表示方法如下

(3)

式中:R(n)表示自相關處理后的值

Rx(n)=E(x(k)*x(k+n)),

n=1,2,3,…,N

(4)

式中:N為數據長度。

定義m為窗口B的能量值與窗口A能量值的比值,可以表示為式(5)

(5)

窗口A和窗口B從初始位置開始滑動,當兩個窗口都只包含噪聲能量時,EA和EB是相對恒定不變的,它們的比值m也是恒定不變的。兩個窗口在滑動過程中,信號相關峰值逐漸進入窗口B中,窗口B的能量值EB逐步增大。如果此時窗口A還是只包含噪聲能量,兩個窗口能量比值勢必要也逐步增大,如果窗口B滑動到剛好完全包含信號相關峰值時,并且窗口A還是只包含噪聲能量,那么兩窗口的能量比值m將在此時達到最大值,此時即為突發信號的起始時刻。再往后窗口A也漸漸包含信號相關峰值,窗口的能量比值m也逐漸變小,直到窗口A完全包含信號相關峰值,窗口B只包含噪聲時,窗口的能量比值m達到最小值。雙滑動窗口檢測的一個完整周期如圖2所示。

圖2 雙滑動窗口檢測流程圖Fig.2 Flow chart of double sliding windows detection

根據上面的雙滑動窗口的流程圖,算法的具體步驟如下:

(1) 首先,在窗口A和窗口B中使用相同的寬帶脈沖信號長度L,然后標識窗口A的起始和終止位置為Astart、Aend,窗口B的起始和終止位置為Bstart、Bend,其中選取窗口A的中心位置在L/2處,窗口B的中心位置在L處。

(2) 將窗口A和窗口B滑動到(1)中設置的對應位置,分別對兩個窗口內寬帶脈沖信號進行自相關運算,并計算出此刻窗口A 和窗口B的能量EAsum和EBsum。

(6)

(7)

(3) 比較:如果EAsum和EBsum滿足以下條件,可以推斷出在窗口B中可能存在一個突發信號。

(8)

式中:threshold1=value×factor,其中value是經驗值0.35,factor為隨窗口大小而變化的優化因子,在窗口大小達到最小值時達到最大,即為窗口的能量比值的最大值。

(9)

式中:threshold2=1.4/threshold1。

(4) 如果不滿足式(8),繼續同時向前滑動窗口A和窗口B,且滑動步進一致,為當前兩窗口大小的一半,按照步驟(2)和步驟(3)繼續計算和比較,直到滿足式(8)。

(5) 如果滿足式(8),且窗口大小未達到最小值,應該再次將窗口A和窗口B的大小減半,同時改變factor因子,然后按照步驟(2)和步驟(3)計算和比較,從滿足式(8)位置繼續搜尋突發信號。

(6) 如果窗口大小已經達到最小值,說明已經找到了突發信號,并且能夠確定突發信號的起始位置,繼續滑動窗口A和窗口B,按照步驟(2)和步驟(3)計算和比較,直到滿足式(9)時,找到突發信號的終止位置,至此該算法一個信號檢測周期結束。

(7) 通過以上步驟可以檢測到突發脈沖信號的起始和終止位置,結合信號采樣率可以計算檢測脈寬,如果檢測脈寬滿足在Link16信號脈寬大小一定范圍內波動,即6.4 μs±0.2 μs,則可初步判定滿足Link16信號特征,將檢測到的突發脈沖信號保存下來進一步分析,否則直接丟棄。

(8) 對檢測到的信號結果MSK信號調制特征對脈內頻譜特征進行分析。目前,對MSK調制方式的識別研究多是基于循環譜的信號檢測方法[10-12],該方法主要利用了MSK自身循環平穩信號的特征,對有限的數據進行采集后,再實現譜相關運算,但此方法只可以對MSK信號的參數值做估計,并不能識別出信號采用何種調制方式,而且限制數據采集量。為了達到快速識別檢測MSK信號的目的,通過分析信號平方譜的譜線特征,提取調制信號識別特征參數的方式,可以達到良好的效果。

3 算法性能分析實驗

本實驗主要用于對基于寬帶數據的Link16信號的檢測,并利用Matlab對實驗結果進行仿真驗證。輸入數據由SMJ100A信號發生器發送,并通過4通道寬帶接收機接收采集,輸出為4路寬帶中頻數據。為了模擬信號的真實性,信號中添加-6 dB～10 dB自定義信噪比的高斯白噪聲。

4通道接收機的各個通道的采樣帶寬可以設置為60 MHz、80 MHz等,和模擬前端設備有關,根據Link16信號頻點分布特征,每個通道對應的射頻中心頻率通過前端設備控制在不同的頻點,實現截獲在51個跳頻點上偽隨機跳變的Link16信號,輸出特定采樣率的寬帶中頻信號,采用P4SP結構的數據封裝結構,脈沖輸出采用單脈沖模式,脈沖周期和寬度分別為13μs、6.4 μs,單個時隙包含有444個脈沖。如圖3所示,為寬帶中頻信號的一段時域波形圖,圖中時域波形圖包含4個時隙,局部放大圖即為包含單時隙444個脈沖的時域波形圖。

圖3 寬帶中頻信號的時域信號圖Fig.3 Time domain signal diagram of wideband IF signal

圖4是在圖3所示的寬帶中頻數據中截取一個時隙信號數據,在每個通道中心頻率的基準上,針對51個跳頻頻點,分別移至原來的零頻率位置,做窄帶迭代平滑濾波,降采樣處理后的基帶IQ數據幅值圖。由于濾波器帶寬選擇大于相鄰兩跳頻率間隔3 MHz,所以在濾波器帶寬內存在由相鄰信道的頻譜交疊而引入的鄰道干擾。在圖4中可以看到局部放大圖中共包含四段脈沖信號,其中第二段脈沖信號的幅度值最大,正是需要獲取分析的跳頻通道信號,其他幾段脈沖信號則為相鄰跳頻通道的干擾信號。

圖4 基帶IQ數據幅值圖Fig.4 Baseband IQ data amplitude graph

為了將本信道信號截取出來,進行后續的MSK調制的識別算法研究,本文采用雙窗滑動相關的信號檢測算法檢測到本信道信號的起始和終止位置。檢測結果如圖5所示。在圖5中選取一個脈沖信號檢測結果的局部放大圖,可以觀察到信號檢測結果中存在明顯的Link16脈沖信號m值峰值,通過圖5中門限threshold1和threshold2即可確定本信道脈沖信號脈寬是否在6.4 μs±0.5 μs范圍內。通過找門限threshold1和門限threshold2之前的m值峰值即可找到信號起始位置,終止位置即為兩個threshold2之間的波谷位置。通過脈沖信號起始和終止位置并結合脈沖信號采樣率即可計算出信號帶寬大致為6.4 μs,滿足Link16信號的脈沖寬度特征。同時通過兩個相鄰脈沖信號檢測結果中峰值位置,可以獲取兩個脈沖信號之間的距離,結合脈沖信號采樣率,即可計算出脈沖信號周期為13 μs,滿足Link16信號的脈沖周期和占空比特征。根據各個脈沖信號的起始和終止位置可將脈內數據截取保存下來,用于后續MSK調制模式信號的識別。

圖5 基于相關處理的雙滑動窗信號檢測結果Fig.5 Signal detection results of double sliding windows based on correlation processing

我們用三個參數來說明該測試方法的有效性,召回率Recall、精確率Precision、準確度Accuracy。三個參數值越高,檢測效果越好。在式(10)中,correct為正確檢測次數,missed為漏檢測次數,wrong錯誤檢測次數,total為總檢測次數。

(10)

(11)

(12)

在不同信噪比下,運用改進算法對一個時隙內所有444個脈沖信號進行處理后,我們可以得到Link16信號檢測結果的三個參數,表1所示是不同信噪比下測試樣本和使用改進算法后的測試結果。

表1 測試樣本和檢測結果Tab.1 Test samples and test results

從表1的實驗結果分析來看,可以發現該算法對信噪比-4 dB以上的測試樣本檢測效果是比較理想的,特別是信噪比為2 dB和4 dB的測試樣本,能夠完全檢測出一個時隙內的所有脈沖,召回率Recall、精確率Precision、準確度Accuracy均能達到100%。同時也可以看到,隨著樣本信噪比減小,正確檢測次數也隨之減小,漏檢測次數和錯誤檢測次數隨之增加,當信噪比在-6 dB以下時,召回率Recall、精確率Precision、準確度Accuracy均低于99.5%,檢測結果不十分理想。

對一個時隙內所有444個脈沖信號運用改進后的檢測算法,在不同信噪比下檢測Link16信號脈寬測量均值。圖6為兩種算法情況下,信噪比在-10 dB～10 dB范圍內的脈寬測量值對比圖,可以看出使用雙滑窗自適應雙門限算法,信噪比在7 dB以上時,脈寬測量值精確率能達到95%以上,但是當信噪比在7 dB以下時,測量精確率直線下降,在信噪比為5 dB時,測量精確率只能達到75%左右。反觀改進后的基于相關處理的雙滑動窗算法,當信噪比在-6 dB以下時,脈寬測量值誤差較大,最大可超過0.4 μs,但測量精度也在90%以上;在-6 dB～10 dB范圍內的脈寬測量值誤差較小,在0.02 μs以內,測量精度也在99%以上,其中在信噪比大于-2 dB以后,脈寬測量值較為穩定。實驗結果表明本檢測算法性能較高,可以準確檢測出符合Link16信號脈寬特征的信號。

圖6 兩種算法計算脈寬測量值對比圖Fig.6 Comparison diagram of pulse width measurements calculated by the two algorithms

對脈內信號取平方后分析其幅度譜,基本處理流程如下:

(1) 利用波峰識別檢測算法,對幅度譜進行分析,如果檢測到至少兩條峰值譜線,則認為符合MSK信號的調制特征,將繼續后續分析處理,否則將終止分析流程,判定為非MSK信號,進而否定其為Link16信號的可能性;

(2) 假如在步驟(1)中識別檢測到兩條明顯的峰值譜線,將這兩個特征峰對應頻點分別表示為f1、f2,并且滿足等式f2-f1=1/Tb,如果兩個特征峰中心位置處還存在有一條有效信道載頻譜線,即可以判斷出待測信號具備MSK數字調制信號特征。

截取檢測到的脈內信號平方的幅度譜如圖7所示:信號的平方譜中包含兩根相對明顯的譜線,將兩根譜線對應頻點表示為f1=2fL和f2=2fH,在兩條譜線對應的頻點連線中心位置處有一根譜線,此根譜線對應頻點剛好為兩倍載頻2fc,根據上述這些關系很容易獲取MSK調制的碼速率大小。 根據MSK信號碼速率計算公式Rb=(f2-f1),從Rs=Δn×fs/N計算結果可得碼速率為5 Msymbol/s,其中fs為采樣率,N為總采樣點數,Δn為兩條譜線之間的采樣點數, 符合Link16脈內采用碼速率為5 Msymbol/s的MSK調制的典型頻域特性。

圖7 脈內信號平方的幅度譜Fig.7 The square spectrum of Intra-pulse signals

至此,可以判斷本跳頻通道有信號,并且為Link16信號,通過脈沖內頻譜特征分析,進行MSK調制方式的識別,估計出調制參數,完成了對寬帶信號中Link16目標信號的截獲識別。

4 結束語

本文重點研究基于寬帶數據檢測識別Link16信號,并根據MSK信號調制特征估計調制參數的方法及其流程,提出了基于相關處理的雙滑動窗的Link16信號檢測方法,同時完成了MSK調制信號的檢測識別算法研究。所提算法在特定信噪比環境下具有較好的目標信號檢測性能。相較于雙滑動窗自適應門限Link16信號檢測方法,改進后的基于相關處理的雙滑動窗檢測算法明顯提高了在低信噪比下對Link16信號的檢測能力。