2FSK信號寬帶識別算法分析

刁文靜,張志勤

(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.中國電子科技集團公司第十三研究所,河北石家莊050200)

0 引言

傳統的信號分析識別算法大多是針對窄帶接收機的,也就是說,接收機帶寬內僅存在一個信號,并且假定了一個信號樣式集進行分類識別;但是,針對寬帶接收機的信號偵察識別算法,即從進入寬帶接收機信道的眾多個信號中分揀出指定的某種信號的相關算法報道甚少。而寬帶接收機具有搜索速度快、設備量小等優點,尤其在軍事情報偵察和電子對抗方面應用越來越廣泛,因此,研究寬帶信號的自動偵察算法是電子對抗的一個重要課題。低速率2FSK是短波信道中一種常用的調制方式,比如美/法/俄的KG-84信號(75 baud,頻偏425 Hz)和俄國的6512信號(81 baud,頻偏500 Hz)都是2FSK調制方式,在深入分析2FSK信號特征和寬帶接收機特征基礎上,針對低速率2FSK提出了一種寬帶自動識別和參數測量算法,下面給出詳細的分析。

1 2FSK信號特征

在二進制頻移鍵控中載波頻率隨著調制信號1或0而變,1對應于載波頻率 f1,0對應于載波頻率f2。二進制頻移鍵控已調信號的時域表達式為[1]：

2FSK信號在時域的顯著特征是恒包絡。

若基帶信號的“0”、“1”等概出現(即 p=0.5),則非連續相位2FSK信號的功率譜密度函數P2FSK(f)為[1]：

由式(2)可以看出：①2FSK信號的功率譜密度函數由連續譜和離散譜組成,其中,連續譜由2個雙邊譜疊加而成,而離散譜出現在2個載頻位置上;②若2個載頻之差較小,比如小于,則連續譜出現單峰;若載頻之差逐步增大,即 f1與 f2的距離增加,則連續譜將出現雙峰。僅考慮頻差遠大于碼速率頻譜出現雙峰的情況,2FSK信號的瞬時頻率可表示為：

c1c2信息序列。

圖1和圖2分別給出了2FSK信號的頻譜圖和瞬時頻率圖。比較圖1和圖2可以看出：①累積頻譜圖中2個主譜峰位置對應瞬時頻率圖中最大、最小2個頻率位置;②圖2描述了由于碼元跳變引起的信號頻率隨時間的變化規律,此規律涵蓋了符號速率信息。而信號的時頻圖同時描述信號在時域和頻域的變化規律,2FSK信號2個載頻位置對應的圖像灰度向量與瞬時頻率圖類似,它也描述了信號的載頻隨時間和符號跳變引起的變化規律。

圖1 2FSK信號頻譜圖

圖2 2FSK信號瞬時頻率圖

2 算法設計

2.1 寬帶自動識別算法

寬帶接收機相對窄帶接收機的一個最重要的區別就是：信道帶寬內會同時進入眾多個信號,這就意味著原來針對窄帶接收機信號分析識別所常用的時域特征參數(包括瞬時幅度、瞬時相位以及瞬時頻率等)對寬帶信號識別都失去了意義。而為了提高運算速度,通常將FFT運算放在硬件平臺中FPGA實現。因此,如何利用頻譜特征和時頻特征進行分析識別成為寬帶偵察厄待解決的問題。下面給出一種新的分析思路。

2.1.1 特征參數提取由上節分析可知,2FSK信號具有以下2個特征：①頻譜出現2個峰,峰值間隔的一半即為頻偏;

②時頻圖上與累積頻譜譜峰位置對應的2個幅度向量(灰度值)具有互補性,理論上相加后為一常量。

對于特征①,可以用譜峰數目和間隔2個特征參數來描述;

對于特征②,f1與f2的互補性可以用灰度方差來描述。

2.1.2 算法流程

根據2FSK信號上述特征,選擇譜峰數目、譜峰間隔和灰度方差3個特征參數,得到如圖3所示寬帶自動識別算法流程圖。

首先,計算寬帶累積譜并搜索譜峰,計算譜峰間隔,記錄間隔小于一定門限th0的譜峰位置序號,此處可能存在2FSK信號;

然后,根據時頻圖上對應位置灰度方差進一步確認。即,提取時頻圖上每個譜峰對應位置的灰度向量值,計算方差cha1(i)、cha2(i),以及譜峰間隔小于th0的位置對應的灰度向量和方差cha0(i),i為疑似2FSK信號序號。若cha0(i)

圖3 2FSK信號寬帶偵察流程圖

2.2 參數測量算法

中心頻率和頻偏在識別出2FSK信號的同時已經得到,下面主要介紹碼速率的測量方法。

傳統的針對窄帶數據的2FSK碼速率 測量算法都是通過時域采樣數據計算瞬時頻率,然后提取其周期性得到的。對于寬帶數據情況,要想利用窄帶信號處理算法就必須首先進行窄帶濾波將寬帶信號轉為窄帶信號,但是通常2FSK信號的有效帶寬相對寬帶接收機帶寬來說很窄,濾波器難于實現,本文提出了一種基于頻譜數據的處理算法,巧妙地規避的上述問題,原理描述如下。

2FSK信號的時頻圖上2個載頻位置所對應的灰度向量描述了頻率隨碼元跳變而變化的規律,其中隱含了碼元速率的信息,計算2個灰度向量的差值即可完全恢復其變化規律,提取其周期性即可得到碼速率信息。

3 算法測試分析

3.1 寬帶自動識別算法測試分析

取采樣率22 050 Hz,2FSK信號的碼速率75 baud,中心頻率2 500 Hz,頻偏500 Hz,112個符號長度;并加入CW、BPSK、ASK三個干擾信號仿真寬帶多信號情況,參數設置分別為：ASK信號中心頻率4 000 Hz,碼速率 150 baud;BPSK信號中心頻率6 000 Hz,碼速率525 baud;CW信號中心頻率為8 000 Hz。不同信噪比下仿真試驗結果表明,在2FSK信號有效帶寬內的信噪比＞6 dB時,自動偵察正確率達95%以上,虛警率0,漏警率<5%。表1給出了SNR=6 dB時時頻圖上對應各信號載頻位置的灰度方差及和方差的測試結果。

由表1可以看出,仿真測試遍歷了2FSK信號附近存在CW,ASK和BPSK強干擾信號的情況以及非2FSK譜峰虛警的情況,測試數據表明,僅僅2FSK信號2個頻率對應的灰度滿足互補條件,該方法可以有效地從寬帶信號中識別出2FSK信號,驗證了算法的可行性。

表1 各信號對應灰度方差及和方差

3.2 參數測量算法測試分析

取采樣率11 025 Hz,,碼速率75 baud,中心頻率2 500 Hz,頻偏 500 Hz,單次FFT長度 32點,FFT幀數1 024幀,在不同信噪比下個做了多次仿真試驗,結果表明,信噪比大于6 dB時,能正確估計出碼速率。圖4給出了SNR=6 dB時碼速率提取最后一步原理示意圖。由圖4譜峰的橫標位置即可得到碼速率,估計精度取決于頻率分辨率(Fs/N)的大小,其中,Fs為采樣率,N為FFT幀數。

圖4 碼速率提取最后一步示意圖

4 算法的工程實現

短波寬帶信道2FSK信號自動識別的工程實現框圖如圖5所示。

圖5 工程實現框圖

圖5中A/D采樣完成寬帶模擬中頻的數字變換,輸出的寬帶數據給FFT處理模塊,完成寬帶數據從時域到頻域的變換,變換輸出的寬帶頻譜送給DSP處理模塊,2FSK信號自動識別在DSP中實現,并輸出識別結果。

5 結束語

將圖像處理的思想應用于短波寬帶信號識別,為復雜電磁環境下的信號分離和識別技術開辟了新的途徑,同時,也為進一步實現2FSK信號的解調、破譯及實施干擾提供了前提。該算法運算復雜度低,運算速度快,工程易于實現,節約硬件成本,且性能穩健,因此,在短波通信對抗裝備中將會有著廣泛的應用前景。

[1]樊昌信.通信原理[M].北京：國防工業出版社,1995：133-137.

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