基于寬帶接收的星載信號處理技術?

蘇琳

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

基于寬帶接收的星載信號處理技術?

蘇琳

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

分析了衛星有效載荷信號處理需求，提出了基于寬帶接收的星載信號處理技術流程，針對星載硬件資源有限和需要實現對重點信號搜索匹配的要求，同時考慮到寬帶接收時接收靈敏度較差等問題，給出了適于星載實現的多信號分離、低信噪比下調制識別和輻射源細微特征提取方法，通過仿真驗證了算法的有效性。

電子偵察衛星；寬帶接收；信號處理；多信號分離；調制識別；細微特征提取

1 引言

電子偵察衛星作為獲得情報信息的重要手段，主要任務是掌握地面的無線電信號情況，識別信號特征并測定輻射源位置，解讀通信內容，從中破譯其信息內涵。通過分析國外電子偵察衛星現狀和未來規劃［1-5］可以看出，美、俄等軍事強國非常重視電子偵察衛星的發展，其偵察載荷頻段越來越寬，偵察信息從地面處理向星上處理發展，信息獲取從事后向實時處理或近實時處理分發發展，這些都對我國電子偵察衛星偵察載荷信號處理技術發展有很大的啟示。

2 電子偵察衛星有效載荷信號處理技術發展需求

電子偵察衛星的功能集中體現在其有效載荷上，只有具備強大的載荷處理能力，尤其是星上實時處理能力，才能充分發揮電子偵察衛星的功效。根據偵察任務的不同，星載信號處理需求具有多元化、多樣式和多層次的特點。通常可以分為兩類基本需求，第一類需求是在星上盡可能保留原始信息，在地面進行深化處理。但是考慮到星上數據存儲和數傳能力有限，因此對全采集數據需要采用帶寬估計、通帶濾波、采樣抽取等處理，在保證信號信息完整的條件下，盡可能降低數據量。第二類需求是提高星上處理能力，對具有先驗知識或者具備處理條件的信號可以增加星上解調等功能，一方面可以提高信息實時獲取能力，另一方面也可以大幅度降低星上存儲和數傳壓力。滿足第二類類任務需求的星載信號處理流程如圖1所示。

與窄帶星載信號處理方法相比，基于寬帶接收的信號處理方法增加了多信號分離和輻射源細微特征提取等功能。針對星載硬件資源有限、星上處理算法不應過于復雜及偵收時效性要求較高等特點，本文后續將詳細研究適于星載實現的處理方法。

3 需要重點發展的星載寬帶信號處理技術

圖1 窄帶星載信號處理流程Fig.1 Narrowband space-borne signal processing flow

隨著通信技術的發展，以及為解決頻譜資源日益擁擠的問題，各種高效頻譜調制方式不斷得到應用，電子偵察衛星面臨的信號環境更加復雜。為了加快信號搜索速度，提高信號截獲概率和情報獲取能力，偵察載荷接收信道越來越寬，由此帶來接收帶寬內信號數量大幅度增加，并存在大量多個信號混疊的混合信號等問題。同時，相對于窄帶而言，寬開接收還會導致數字動態和接收靈敏度等變差。如果沿用以往窄帶處理流程，并采用時、頻濾波等傳統信號處理手段對這些混合信號進行檢測和識別性能將大幅度降低。針對這些問題，本文提出了一種新的基于寬帶接收的星載信號處理流程，如圖2所示。

圖2 基于寬帶接收的星載信號處理流程Fig.2 Space-borne signal processing flow based on wideband reception

在星載寬帶偵察條件下，由于衛星運行軌道較高，波束覆蓋范圍大，同一時刻接收的信號會很多，也就形成了時域高度密集、頻譜嚴重重疊的多信號混疊的電磁環境。因此，基于寬帶偵收的星載信號處理需重點研究三類技術：一是多信號分離技術，特別需要研究對頻譜混疊信號的盲分離方法；二是信號識別技術，由于接收頻域寬開，進入接收帶寬的噪聲較多、信號信噪比較低，再考慮到衛星高速運動而產生的多普勒效應，因此需要研究適應低信噪比和快多普勒變化的識別技術；三是輻射源細微特征提取技術，通過提取信號的細微特征，完成在大量目標中對重點輻射源的個體識別。

3.1 多信號分離技術

多信號混疊包括兩種典型情況，即頻譜非混疊和頻譜混疊。對于第一種情況，我們文獻［6］中已經進行了研究討論。下面重點研究頻譜混疊的多信號盲分離方法。

頻譜混疊的多信號盲分離可以分為單通道盲分離和多通道盲分離。目前，單通道盲分離還在研究階段且算法相對復雜，難以在星上實現，這里重點討論多通道的盲分離問題。假設N個窄帶遠場通信信號s（t）入射到M個陣元組成的天線陣上，由于各個信號的入射方向不同而引起的幅度衰減和時間延遲的不同，得M個陣元接收到的混合信號如下所示：

[x1（t），x2（t），…，xM（t）]T，N為源信號數目，M為陣元數目，N＞M，A=[a1，…，aN]∈ CCM×N為復數矩陣。

在實際信號環境中，由于電磁環境復雜，天線接收到的混合信號個數往往大于陣元個數，面臨的是一個欠定盲分離問題。下面給出一種基于“兩步法”的欠定盲分離算法：首先通過二階欠定盲辨識來估計混合矩陣A［7］，然后把通過子空間正交投影的方法估計出源信號［8］。假設源信號相互獨立，計算信號不同時延下的協方差矩陣Ck1≤k≤() K，即：

定義三階張量C和矩陣D，其中（C）ijk=（Ck）ij，Dkr=D[]krr。通過對張量C進行正則分解就可以估計出混合矩陣A。在混合矩陣A已知的條件下可以估計出源信號。先通過短時傅里葉變換把信號變換到時頻域，則信號模型可以表示為

假定任意時頻點上同時存在的不為零的源信號數目為L，對應的混合矩陣列矢量為一般情況令L=M-1，則上式可以簡化為

通過計算矩陣AL的偽逆就可以估計出不為零的源信號，即：

最后，通過逆短時傅里葉變換就可以估計出源信號的時域波形。

在以下仿真條件下，通過MATLAB仿真驗證上述算法的有效性：陣元數M=3，源信號數N=4，陣元間距1／2波長，信號頻率為350 kHz、500 kHz、750 kHz、950 kHz，調制樣式為MSK，信息速率為270 kbit／s，采樣率為2.7 MHz。結果表明，該算法能夠從混合信號中較好地恢復出源信號。

3.2 低信噪比和多普勒頻率快速變化下信號識別技術

星載寬帶接收條件下，信號識別主要面臨的問題是低信噪比和多普勒頻率的快速變化。這兩個問題會導致信號參數估計精度下降，從而降低信號的識別正確率。設偵收帶寬為B0，信號帶寬為Bs，設計帶通濾波器濾波后，信號功率近似不變，信噪比改善為B0／Bs。下面重點討論多普勒變化率補償方法及其效果。

多普勒頻率的快速變化將對信號識別帶來不良影響。例如，判定BPSK信號的必要條件之一就是：信號倍方后，頻譜圖會出現單個強峰。而當多普勒頻率快變時，頻譜峰被展寬，相應地降低了譜峰強度，特別是在信噪比較低時，容易使得譜峰淹沒在噪聲中，從而降低了識別正確率，因此需要補償多普勒的變化，重新將譜峰能量聚集起來。

可以采用兩類方法進行多普勒變化率補償，一是基于定位輔助的補償方法，即首先對輻射源定位，然后基于輻射源位置及衛星星歷數據反推并補償多普勒變化率；二是基于信號的補償方法，即在信號建模及識別算法中考慮多普勒變化率的影響，此處主要討論后者。以BPSK信號為例，其復包絡可表示為

對BPSK信號進行倍方處理，可得：

其中exp（-j2παt2）表征了對多普勒變化率的補償，在α-f二維平面內搜索，當時，F達到最大值若不考慮多普勒變化

在考慮信號噪聲的條件下進行MATLAB仿真分析，以進一步說明補償多普勒變化率的必要性。設BPSK信號持續時間為0.1 s，多普勒變化率為800 Hz／s，信噪比為-12 dB。圖3給出了多普勒變化率補償前后倍方信號的頻譜圖。補償多普勒變化率后，信號頻譜峰值明顯增強，抗噪能力大大提升，從而有利于提高信號識別正確率。率，即令α=0，則無論f如何取值，都無法使得Fα

圖3 多普勒補償前后的倍方信號頻譜圖Fig.3 The square signal spectrum diagram before and after Doppler compensation

3.3 輻射源信號細微特征分析技術

對輻射源進行準確個體識別時，需要提取信號細微特征，分析其特征能夠提高星載寬帶信號處理的偵收效率，實現對重點信號的快速匹配。通信輻射源細微特征可以在時域、頻域、變換域等體現，研究表明，瞬時頻率是一類有效的細微特征，許多系統在接通、斷開甚至是穩態時，由于物理設備之間固有的差異性，信號的瞬時頻率具有不同的變化規律。

假設真實的信號為

式中，Tw為信號持續時間，A（t）為幅度，φ（t）表示相位為瞬時頻率。考慮信號的如下離散觀測樣點：

式中，n=1，2，…，N，N為信號樣點數，T為采樣間隔，ε（nT）為零均值、方差為σ2復高斯白噪聲。

當信噪比足夠高，若將相位的觀測表示成φ（nT），則其可近似為

式中，相位噪聲u（nT）服從高斯分布，且相互獨立。

圖4 不同方法的瞬時頻率估計效果對比Fig.4 The results contrastof different instantaneous frequency estimationmethods

瞬時頻率是相位的導數，因此，只要估計出相位函數，就可以求得瞬時頻率，于是，問題就轉化為從一組觀測數據{(nT，φ（nT ）)，n=1，2，…，N}中估計未知函數φ（t）的過程。對瞬時頻率的測量可以采用多種方法，圖4顯示了基于相位局部多項式逼近的瞬時頻率估計方法與相位多項式建模法的估計性能仿真分析結果。可以看出，前者性能要優于后者，它通過局部逼近的方式較好地實現了模型偏差與估計方差的折衷，抑制了噪聲的影響。

總體來看，輻射源細微特征提取方法運算量較大，今后還需要進一步優化算法，使其能夠滿足星載實時處理要求。

4 結束語

未來，世界主要軍事強國將繼續大力發展電子偵察衛星，而且隨著偵察對象的通信和雷達技術的不斷發展，星上寬帶接收處理需求越來越迫切，對電子偵察載荷的技術要求也越來越高。很多信號處理技術通過在地面驗證成熟后可逐步向星上實時處理轉化，在電子偵察衛星戰略情報保障能力不斷提升的同時，大幅度提高戰役和戰術情報保障能力。本文提出了基于寬帶接收的信號處理流程，給出了主要關鍵技術及其解決途徑，可為發展電子偵察衛星有效載荷提供較好的技術支撐。

［1］馮如.美國電子偵察衛星的發展概況［J］.國際太空，2000（10）：6-9. FENGRu.Electronic Reconnaissance Satellites Development Survey of USA［J］.Space International，2000（10）：6-9.（in Chinese）

［2］陳茂良，徐捷.現代電子偵察衛星的應用與發展［J］.國際太空，2001（10）：16-19. CHENMao-liang，XU Jie.Application and Development of Modern Electronic Reconnaissance Satellites［J］.Space International，2001（10）：16-19.（in Chinese）

［3］焦遜，陳永光.電子偵察衛星對抗技術研究［J］.電子對抗技術，2004，19（1）：34-38. JIAO Xun，CHEN Yong-guang.On Study of the Countermeasures AgainstElectronic Reconnaissance Satellites［J］.ElectronicWarfare Technology，2004，19（1）：34-38.（in Chinese）

［4］梅國寶，吳世龍.電子偵察衛星的發展、應用及面臨的挑戰［J］.艦船電子對抗，2005，28（4）：28-32. MEIGuo-bao，WU Shi-long.Development，Application and Challenge Confronted with Electronic Reconnaissance Satellite［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2005，28（4）：28 -32.（in Chinese）

［5］梁巍，周潤松.國外偵察衛星的最新進展［J］.航天器工程，2007，16（2）：30-40. LIANGWei，ZHOU Run-song.New Development of Foreign Reconnaissance Satellite［J］.Spacecraft Engineering，2007，16（2）：30-40.（in Chinese）

［6］蘇琳.一種新的衛星通信信號快速盲檢測方法［J］.電訊技術，2011，51（5）：91-95. SU Lin.A Novel Fast Blind Detection Algorithm for Satellite Communication Signal［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（5）：91-95.（in Chinese）

［7］Lathauwer L D，Castaing J.Blind identification of underdetermined mixtures by simultaneousmatrix diagonalization［J］. IEEE Transactions on Signal Processing，2008，56（3）：1096 -1105.

［8］Abdeldjalil A，Nguyen L，Karim A，et al.Underdetermined blind separation of nondisjoint sources in the time-frequency domain［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2007，55（3）：897-907.

SU Linwasborn in Nanchong，Sichuan Province，in 1979.She received theM.S.degree in 2009.She is now an engineer.Her research concerns digital communication signal processing and integrated aerospace electronics technology.

Email：slbea＠163.com

《電訊技術動態》征稿啟事

《電訊技術動態》（月刊）創刊于1972年，是由中國西南電子技術研究所主辦的內部刊物，主要報道與下述專業領域相關的國際廠商科研動態；外軍先進裝備研發、試驗和使用情況；學術交流和展會信息。本著服務于國內軍工科研的目的，提供國外軍事技術與裝備的最新發展動態，服務于研發生產為宗旨的辦刊原則，將《電訊技術動態》發展成國內以軍工電子為主的行業動態是我們長期不懈的目標。

為促進《電訊技術動態》更好地交流與發展，熱誠歡迎業內學者、專家及科研人員踴躍投稿。

投稿領域：

來稿要求及注意事項：

（1）文稿務必主題明確，論述合理，邏輯嚴謹，數據可靠，敘述清楚，文字精煉；

（2）文稿一般不應超過4 000字，盡量提供word文檔，對于文中的圖片請以附件形式添加發送至指定投稿郵箱；

（3）投稿務必署名，且對于譯稿標明原文詳細出處；

（4）請務必采用Email投稿，投稿郵箱：dianxundongtai＠163.com。來稿請注明作者詳細通信地址、聯系電話和有效電子郵箱；

（5）本刊編輯部將在15天之內對來稿作出取舍，可通過電話或電子郵件查詢稿件審查情況，如逾期未收到處理意見，作者有權對稿件另行處理。稿件一經刊用，本刊將酌情從優支付稿酬并贈送當期樣刊。請勿一稿多投，否則后果自負。

電話：（028）87555677 87555634傳真：（028）87538378

Space-borne Signal Processing Technology Based on W ideband Reception

SU Lin
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The signal processing requirement of satellite payload is analysed，and the processing flow based on wideband reception is put forward.According to the requirement of realizing important targetmatching and in consideration of the hardware resource limitation and the poor receiving sensitivity of wideband reception，the multi-signal blind separation，modulation type recognition under low Signal-to-Noise Ratio（SNR）and fingerprint signatures analysis algorithms are given，which are suitable for space-borne equipment.Simulation results show the effectiveness of the algorithms.

electronic reconnaissance satellite；wideband reception；signal processing；multi-signal separation；modulation type recognition；fingerprint signature extract

TN911.7

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.07.023

蘇琳（1979—），女，四川南充人，2009年獲工程碩士學位，現為工程師，主要研究方向為數字通信信號處理、航天載荷系統綜合化設計。

1001-893X（2011）07-0113-05

2011-05-19；

2011-06-20