復(fù)雜背景下猝發(fā)信號(hào)的捕獲算法

杜亞琦，盧振鈞（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

復(fù)雜背景下猝發(fā)信號(hào)的捕獲算法

杜亞琦1，2，盧振鈞1，2
（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 嘉興314033；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

提出了一種復(fù)雜背景下猝發(fā)信號(hào)的捕獲算法。針對(duì)捕獲自適應(yīng)瞬間通信信號(hào)，該捕獲算法采用了信號(hào)最大積累和雙門限判決等方法，采用高速的DDR2內(nèi)存分組，交替讀寫以實(shí)現(xiàn)其可靠存儲(chǔ)，并解決了其猝發(fā)的隨機(jī)概率問題。實(shí)際信號(hào)測(cè)試中，可以在信號(hào)繁多的幾百M(fèi)Hz寬帶背景下準(zhǔn)確的檢測(cè)到猝發(fā)信號(hào)的信號(hào)頭和信號(hào)尾，并能實(shí)時(shí)、自動(dòng)、完整的捕獲到猝發(fā)信號(hào)，徹底解決了500MHz瞬時(shí)帶寬內(nèi)的猝發(fā)信號(hào)實(shí)時(shí)、盲捕獲問題。

猝發(fā)信號(hào)；捕獲算法；復(fù)雜背景；高速DDR

猝發(fā)通信也稱為自適應(yīng)瞬間通信，在軍事通信中，是比較常用的方法。猝發(fā)通信通過將信息壓縮，并采取隨機(jī)選擇傳輸時(shí)間進(jìn)行突發(fā)方式傳送，持續(xù)通常不到1 s，在瞬間將信號(hào)傳送完畢，它一般用于隱蔽通信領(lǐng)域，比如潛艇、偵察等的通信，因此，如果能夠?qū)Υ祟愋盘?hào)準(zhǔn)確進(jìn)行捕獲，對(duì)反潛和防潛都具有十分重要的作用和意義。

但是猝發(fā)信號(hào)是一類突發(fā)通信信號(hào)，由于其有著持續(xù)時(shí)間短暫和出現(xiàn)時(shí)刻隨機(jī)的特點(diǎn)，是極難對(duì)其進(jìn)行偵察跟蹤和捕獲的［1］。

文中提出了一種新的算法對(duì)猝發(fā)信號(hào)進(jìn)行捕獲。通過先將信號(hào)進(jìn)行最大積累，平滑等運(yùn)算求出信號(hào)背景，再應(yīng)用雙門限判決模式判斷出猝發(fā)信號(hào)的存在性，并找到猝發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，然后通過準(zhǔn)確的時(shí)鐘延時(shí)找到對(duì)應(yīng)的猝發(fā)信號(hào)的頭和尾，完整捕獲到多個(gè)猝發(fā)信號(hào)并進(jìn)行保存。

而且基于這種方法的特性，還可以在捕獲猝發(fā)信號(hào)的同時(shí)屏蔽掉跳頻信號(hào)和TDMA信號(hào)的干擾，傳統(tǒng)的方法是無法實(shí)現(xiàn)的。

1　捕獲的基本原理及實(shí)現(xiàn)方案

1.1該捕獲算法的基本原理

文中算法目的是克服傳統(tǒng)捕獲技術(shù)存在的不足，提高通信偵察裝備對(duì)猝發(fā)信號(hào)捕獲的準(zhǔn)確率，根據(jù)猝發(fā)信號(hào)在時(shí)域上的持續(xù)時(shí)間特性，提出一種新的寬帶猝發(fā)信號(hào)的捕獲方法，這種方法不同于常規(guī)的通信信號(hào)檢測(cè)方法。

文中采用的技術(shù)方案首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT處理，然后在頻域上對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行平滑和最大值積累，再次平滑處理來求得信號(hào)背景，然后減去信號(hào)背景，利用雙門限判據(jù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)獲得信號(hào)頻率，根據(jù)信號(hào)檢測(cè)的時(shí)間對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行緩存，以保持完整的信號(hào)頭尾信息。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果獲得的信號(hào)頻率對(duì)緩存后的原始信號(hào)進(jìn)行下變頻、濾波抽取等處理，并把完整的信號(hào)保存到內(nèi)存中。由于受到控制計(jì)算機(jī)硬盤讀寫速度的限制，這里采用了在短時(shí)間內(nèi)把不同的猝發(fā)信號(hào)保存到不同的內(nèi)存區(qū)域，來保證一定時(shí)間內(nèi)信號(hào)不會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)區(qū)域的沖突而丟失，通過硬盤讀寫速度和內(nèi)存區(qū)域的平衡，可以達(dá)到連續(xù)不丟失保存多個(gè)猝發(fā)信號(hào)的目的［2-3］。

1.2具體實(shí)現(xiàn)方案

文中提出了一種新的對(duì)猝發(fā)信號(hào)進(jìn)行捕獲的方法。這種方法主要通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的大規(guī)模高速硬件資源進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)處理來實(shí)現(xiàn)。為了更好地理解此方法的技術(shù)方案，以下結(jié)合具體實(shí)施方式，作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖1是本發(fā)明提供的寬帶猝發(fā)信號(hào)捕獲方法的流程圖。

圖1　寬帶猝發(fā)信號(hào)捕獲方法的流程圖

首先要求出信號(hào)的背景，然后再進(jìn)行猝發(fā)信號(hào)檢測(cè)。根據(jù)該領(lǐng)域通常的應(yīng)用環(huán)境，假設(shè)處理的信號(hào)帶寬為500MHz，采樣頻率為1 600 MHz。根據(jù)目前FPGA的處理速度，輸入信號(hào)sig（t）為8路并行輸入，每路速率200 MHz。首先對(duì)sig（t）進(jìn)行下變頻濾波和2倍抽取，下變頻頻點(diǎn)為500 MHz帶寬信號(hào)的中心頻點(diǎn)，2倍抽取后的信號(hào)為r（t）。r（t）為4路并行路輸入，進(jìn)行并行快速傅里葉變換（FFT）處理，并行FFT的處理點(diǎn)數(shù)可取為2 048點(diǎn)。然后求出FFT結(jié)果的幅度的對(duì)數(shù)頻譜，并根據(jù)FFT結(jié)果順序，把4路數(shù)據(jù)累加到一路，即每路2 048點(diǎn)FFT對(duì)應(yīng)的第一點(diǎn)累加，第二點(diǎn)累加，依次類推。之后對(duì)累加數(shù)據(jù)求均值，就是除以4。最后對(duì)累加完的均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊平滑處理，每塊長度與FFT的處理點(diǎn)數(shù)相同，也是2 048點(diǎn)。

其中，分塊平滑處理是指對(duì)于連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，指定平滑次數(shù)m，進(jìn)行m塊的數(shù)據(jù)塊的對(duì)應(yīng)位置數(shù)據(jù)的累加求均值，每m個(gè)數(shù)據(jù)塊累加得到一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)塊，具體實(shí)現(xiàn)見公式（1），每一數(shù)據(jù)塊的大小如步驟一中的2 048，即FFT的處理點(diǎn)數(shù)。對(duì)于累加完的均值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)序列表示為｛a1，a2，a3，…，ai，…｝。

在本具體實(shí)施方式中，平滑次數(shù)的控制參數(shù)為m=16。經(jīng)過平滑，最終得到平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R1（f）。R1（f）數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)即為公式1的元素，為下面敘述簡便，令R1（f）序列表示為｛b1，b2，b3，…，bi，…｝，如公式（2）所示。

對(duì)平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R1（f）進(jìn)行指定塊數(shù)的最大值積累。該最大值積累是指在指定一個(gè)最大積累次數(shù)k的情況下，根據(jù)最大積累次數(shù)k進(jìn)行指定塊數(shù)的最大值積累，每隔k個(gè)數(shù)據(jù)塊得到一個(gè)結(jié)果，數(shù)據(jù)塊大小和平滑數(shù)據(jù)塊一致，為2 048，最大值積累結(jié)果見公式（3）：

在本具體實(shí)施方式中，積累次數(shù)的控制參數(shù)為k=8。經(jīng)過最大值積累后，最終得到積累后的頻域數(shù)據(jù)塊R2（f）。R2（f）數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)即為公式3的元素，為下面敘述簡便，令R2（f）序列表示為｛c1，c2，c3，…，ci…｝，如公式（4）所示。

對(duì)積累后的頻域數(shù)據(jù)塊R2（f）再次求平滑，結(jié)果見公式（5）。

在本具體實(shí)施方式中，二次平滑的控制參數(shù)為h=256，最終得到平滑后的頻域數(shù)據(jù)塊R3（f），作為信號(hào)背景。

然后R1（f）減去背景信號(hào)，獲得頻譜數(shù)據(jù)R4（f），即計(jì)算R4（f）=R1（f）-R3（f）。經(jīng)過調(diào)節(jié)平滑次數(shù)，可以有效去除背景中的定頻信號(hào)、跳頻信號(hào)和TDMA信號(hào)。也可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，將此捕獲方法轉(zhuǎn)變成用來捕獲跳頻信號(hào)或者TDMA信號(hào)的方法。這也是此捕獲算法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

最后對(duì)R4（f）進(jìn)行猝發(fā)信號(hào)檢測(cè)。這里，信號(hào)檢測(cè)采用了雙門限判據(jù)，以判斷猝發(fā)信號(hào)的開始及結(jié)束。如圖2所示，兩個(gè)門限分別對(duì)應(yīng)信號(hào)跳變的上升沿和下降沿。根據(jù)門限來判斷猝發(fā)信號(hào)的發(fā)生，保持和結(jié)束。經(jīng)過檢測(cè)，獲得信號(hào)的頻率，以及對(duì)應(yīng)信號(hào)的開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。如果沒檢測(cè)到信號(hào)，就不做處理，等待信號(hào)出現(xiàn)。

圖2　雙門限判決方法示意圖

具體實(shí)現(xiàn)的方法為：

1）對(duì)信號(hào)R4（f）到達(dá)的每一塊數(shù)據(jù)求最大值，和門限1進(jìn)行判決，大于門限為1，否則為0；

2）根據(jù)R4（f）上一塊數(shù)據(jù)塊的最大值的位置，在當(dāng)前R4（f）數(shù)據(jù)塊上的值，和門限2進(jìn)行判決，大于門限為1，否則為0；

3）把門限1判定結(jié)果與門限2的判定結(jié)果并列，會(huì)有4種結(jié)果，結(jié)果對(duì)應(yīng)情況和后續(xù)處理如表1所示。

表1　猝發(fā)信號(hào)雙門限判決表

為了得到完成的猝發(fā)信號(hào)的數(shù)據(jù)，要對(duì)輸入信號(hào)r（t）進(jìn)行緩存，緩存的長度由信號(hào)輸入到檢測(cè)模塊的運(yùn)算時(shí)間決定，并能保證可以在檢測(cè)到信號(hào)存在時(shí)保留信號(hào)完整的頭部信息。然后對(duì)緩存后的數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻處理，得到下變頻后的完整數(shù)據(jù)。對(duì)下變頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、抽取，得到時(shí)域上的完整的猝發(fā)信號(hào)。

如果要將猝發(fā)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便將時(shí)域上完整的猝發(fā)信號(hào)連續(xù)保存到內(nèi)存區(qū)域中，則要根據(jù)不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，分別把多個(gè)信號(hào)保存到不同的內(nèi)存區(qū)域中。在短時(shí)間內(nèi)多個(gè)猝發(fā)信號(hào)連續(xù)到達(dá)的情況下，這種方式不會(huì)引起保存內(nèi)容的沖突或者覆蓋，以達(dá)到保存多個(gè)信號(hào)的目的。在完成保存一個(gè)完整的猝發(fā)信號(hào)后，通知控制計(jì)算機(jī)完成捕獲，控制計(jì)算機(jī)可以立刻讀取該內(nèi)存區(qū)域的信號(hào)，讀取完畢后，把該區(qū)域標(biāo)識(shí)為可繼續(xù)保存標(biāo)識(shí)，此時(shí)該區(qū)域可以繼續(xù)捕獲新的猝發(fā)信號(hào)［4］。具體見圖3。

圖3　不同信號(hào)保存示意圖

2　捕獲算法的難點(diǎn)分析

此捕獲算法的一個(gè)難點(diǎn)在于要記錄每個(gè)步驟的操作對(duì)信號(hào)的處理時(shí)間，對(duì)緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，都要根據(jù)相應(yīng)的處理時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，保證檢測(cè)結(jié)果和原始數(shù)據(jù)的同步。比如求R4（f）時(shí)，關(guān)鍵的就是要準(zhǔn)確計(jì)算出從R1（f）開始的時(shí)刻到計(jì)算出信號(hào)背景R3（f）時(shí)用了多少個(gè)時(shí)鐘周期，要用同時(shí)刻的R1（f）數(shù)據(jù)減去信號(hào)背景，才能得到準(zhǔn)確的R4（f）來判斷猝發(fā)信號(hào)是否存在。

另外，在計(jì)算信號(hào)背景時(shí)，兩次平滑與一次積累的參數(shù)需要控制好，否則再對(duì)R4（f）進(jìn)行猝發(fā)信號(hào)檢測(cè)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)漏判信號(hào)或者信號(hào)存儲(chǔ)不完整的情況。

3　結(jié)束語

該算法原理簡單，通用性和可移植性強(qiáng)，捕獲準(zhǔn)確率高，捕獲信號(hào)完整，而且可以屏蔽掉跳頻信號(hào)和TDMA信號(hào)等。此算法的可行性已經(jīng)得到驗(yàn)證，完全符合設(shè)計(jì)的要求。另外通過對(duì)算法參數(shù)的稍加修改，還可以將此算法轉(zhuǎn)變成用于捕獲跳頻信號(hào)或TDMA信號(hào)的方法，更加證明了此算法的實(shí)用性。

［1］劉雪.通信對(duì)抗盲偵察關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［2］向敬成，王意青，毛自燦，等.信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990.

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［4］隋丹，葛臨東.突發(fā)信號(hào)盲存在性檢測(cè)的兩種算法［J］.信號(hào)處理，2008，24（5）:863-866.

［5］陶克飚.猝發(fā)信號(hào)的截獲與測(cè)向［J］.通信對(duì)抗，2004（4）:36-39.

［6］隋丹.通信信號(hào)盲檢測(cè)技術(shù)研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2008.

［7］馮文江，王紅霞，侯劍輝，等.一種適合突發(fā)通信的信號(hào)檢測(cè)改進(jìn)算法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30（2）: 58-60.

The acquisition algorithm of burst signal in complex background

DU Ya-qi1，2，LU Zhen-jun1，2
（1.Science and Technology on Communication Information Security Control Laboratory，Jiaxing 314033，China；2.No.36 Research Institute of CETC，Jiaxing 314033，China）

An algorithm for acquisition of burst signal in complex background was proposed in this paper.For adaptive instantaneous communication signalacquisition，the acquisition algorithm using themaximum signalaccumulation and double threshold decisionmethod、high-speed DDR2 Memory packet alternating reading and writing in order to achieve the reliable storage，and solved the problem of random probability of the burst.The head and tail signal can be detected accurately in background with hundreds ofmegabytes bandwidth.And in order tomeet the requirements of the subsequent recognition and demodulation，the algorithm can detect burst signal real-timely，automatically，completely.Completely solve the real-time、blind acquisition of the burstsignal in the instantaneousbandwidth of500MHz.

burst signal；acquisition algorithm；complex background；high-speed DDR

TN911.1

A

1674-6236（2016）19-0188-03

2015-10-14稿件編號(hào)：201510078

杜亞琦（1982—），女，河北衡水人，碩士，工程師。研究方向：信號(hào)處理。