多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法

劉 沛，紀(jì)學(xué)軍，趙國慶

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法

劉 沛1,2，紀(jì)學(xué)軍1，趙國慶2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對(duì)檢測(cè)門限設(shè)置對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能影響較大的問題，提出一種新的寬頻帶接收條件下衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)方法。對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)功率譜具有的特征進(jìn)行分析，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)對(duì)功率譜進(jìn)行平滑，在此基礎(chǔ)上，將信號(hào)檢測(cè)由多個(gè)門限聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。該方法弱化單一檢測(cè)門限對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，檢測(cè)門限的設(shè)置由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，計(jì)算復(fù)雜度適中。基于衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

信號(hào)檢測(cè)；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓欢嚅T限檢測(cè)

0 引言

在非合作衛(wèi)星通信偵察背景下，對(duì)目標(biāo)頻段內(nèi)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星頻譜態(tài)勢(shì)感知、頻譜管控、信號(hào)情報(bào)偵察、通信對(duì)抗的關(guān)鍵技術(shù)。

衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)包含2個(gè)研究方向，第一，在低信噪比條件下，檢測(cè)接收帶寬內(nèi)是否有信號(hào)存在[1-3]；第二，對(duì)接收帶寬內(nèi)[4-5]的多個(gè)信號(hào)[6]分別進(jìn)行檢測(cè)并分離[7-8]。本文從第二個(gè)方向展開研究，由于衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)涉及第三方盲偵察，因此研究該問題的公開文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[6]提出了一類利用小波變換進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)的方法。其思路是，在寬帶信號(hào)功率譜上利用小波變換進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測(cè)，提取信號(hào)頻率分量與噪聲頻率分量的分界點(diǎn)。該方法存在以下3個(gè)問題，第一，小波尺度的選擇依賴于頻率分辨率，并且當(dāng)寬帶信號(hào)與窄帶信號(hào)并存時(shí)，小波尺度選擇面臨困難；第二，由于觀測(cè)信號(hào)長度、噪聲等影響，信號(hào)功率譜具有起伏特征，因而產(chǎn)生很多虛假奇異點(diǎn)；第三，小波變換系數(shù)在奇異點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)峰值，需要設(shè)定峰值檢測(cè)門限，當(dāng)門限設(shè)定不合適時(shí)，嚴(yán)重影響檢測(cè)性能。

針對(duì)上述問題，提出一種新的寬頻帶衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法。首先，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)在提取信號(hào)趨勢(shì)分量方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)信號(hào)功率譜進(jìn)行平滑，以凸顯信號(hào)的頻率分量，EMD的優(yōu)勢(shì)在于該方法完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，不涉及參數(shù)選擇問題，適用于第三方盲偵察；其次，與傳統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)使用單一門限不同，本文基于對(duì)典型衛(wèi)星通信信號(hào)功率譜特征的分析結(jié)果，將信號(hào)檢測(cè)任務(wù)由多個(gè)門限聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，以弱化單一檢測(cè)門限對(duì)性能的影響；最后，本方法使用的多個(gè)檢測(cè)門限的取值由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，可使檢測(cè)算法更好地適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)。

1 信號(hào)模型

接收濾波器輸出為：

(1)

式中，si(t)為第i個(gè)基帶衛(wèi)星信號(hào)，fi為其載頻，M為接收信號(hào)帶寬內(nèi)包含的信號(hào)個(gè)數(shù)，n(t)為高斯白噪聲。si(t)可表示如下：

(2)

其中，Iik為發(fā)送碼元，gi(t)為脈沖成形濾波器，Ti為碼元周期。由于衛(wèi)星信道是典型非線性信道，信號(hào)包絡(luò)的起伏在衛(wèi)星信道中會(huì)引起頻譜擴(kuò)展和相位失真，因此衛(wèi)星通信通常采用包絡(luò)恒定的PSK調(diào)制方式[8]。

根據(jù)維納欣欽定理[10]，即廣義平穩(wěn)過程的功率譜密度為其自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。由式(2)可得到基帶衛(wèi)星信號(hào)si(t)的功率譜密度表達(dá)式：

(3)

(4)

此時(shí)基帶衛(wèi)星信號(hào)si(t)的功率譜密度為：

(5)

從式(5)看出，當(dāng)發(fā)送碼元統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，衛(wèi)星基帶信號(hào)的功率譜密度完全由脈沖成形濾波器決定。假設(shè)脈沖成形濾波器滿足奈奎斯特準(zhǔn)則[10]，即，∑uSi(f+u/Ti)=Ti，并且發(fā)送與接收濾波器相同，則有Si(f)等價(jià)于升余弦函數(shù)[10]，即：

(6)

式中，βi為滾降系數(shù)，取值范圍為0～1。從式(6)可以得到關(guān)于Si(f)的2個(gè)性質(zhì)。

(7)

2 問題描述

(8)

式中，fi為第i個(gè)信號(hào)的中心頻率，Bi為第i個(gè)信號(hào)的帶寬。

在式(8)所示的信號(hào)檢測(cè)問題中，檢測(cè)門限t′的選擇決定信號(hào)檢測(cè)的性能。當(dāng)接收信號(hào)帶寬較寬(>60 MHz)時(shí)可能包含2個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)，此時(shí)由于噪聲底不平坦(N0不為常數(shù))，確定檢測(cè)門限t′的取值較為困難。另外，上述信號(hào)檢測(cè)問題僅從信號(hào)功率大于噪聲功率的角度進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并未考慮衛(wèi)星信號(hào)功率譜密度所具有的特性，如前述的性質(zhì)1與性質(zhì)2。下面從上述2個(gè)性質(zhì)出發(fā)提出一種衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)問題新的描述方法。

現(xiàn)有K個(gè)判決門限tk(k=1,…,K)，且tK<…

(9)

(10)

(11)

3 算法流程

根據(jù)上述信號(hào)檢測(cè)問題描述，下面提出一種新的寬頻帶衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)方法。從前述信號(hào)檢測(cè)問題描述(9-10)中發(fā)現(xiàn)，確定檢測(cè)門限與信號(hào)功率譜的交點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵。受噪聲和觀測(cè)數(shù)據(jù)長度等因素的影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜估計(jì)中含有較多高頻分量，此時(shí)判決門限與信號(hào)功率譜的交點(diǎn)有多個(gè)，無法根據(jù)前述信號(hào)檢測(cè)問題的描述構(gòu)造檢測(cè)方法。因此首要解決的問題是對(duì)功率譜進(jìn)行去噪，得到一個(gè)相對(duì)平滑的功率譜。

經(jīng)EMD分解后得到有限個(gè)IMF，階數(shù)較小的IMF以噪聲分量為主，而階數(shù)較高的IMF以信號(hào)分量為主。根據(jù)EMD進(jìn)行去噪，本質(zhì)是選擇一個(gè)分解階數(shù)d，當(dāng)進(jìn)行d次EMD分解后，余項(xiàng)中包含的信息主要為信號(hào)趨勢(shì)信息。

算法流程：

條件1：

條件2：

上述檢測(cè)方法的思路及所涉及的參數(shù)如圖1所示。需要說明的是，算法流程③中，在確定初始門限與平滑后信號(hào)功率譜的交點(diǎn)對(duì)后，必須對(duì)交點(diǎn)對(duì)進(jìn)行篩選，將功率譜密度較小的交點(diǎn)對(duì)去除。一種方法是，若交點(diǎn)對(duì)頻率范圍內(nèi)功率譜密度的均值大于某一閾值，則該交點(diǎn)對(duì)通過篩選。該閾值反映了本文提出的檢測(cè)算法對(duì)待檢測(cè)信號(hào)應(yīng)具有的最低信噪比，通常該閾值取值為1～3 dB。

圖1 多門限聯(lián)合檢測(cè)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)利用在非合作條件下偵收的衛(wèi)星信號(hào)對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行性能分析。接收帶寬為20～40MHz，采樣頻率為200MHz，用于信號(hào)檢測(cè)的樣本點(diǎn)數(shù)目為1M，計(jì)算FFT時(shí)使用的點(diǎn)數(shù)為128K，頻譜分辨率為1.525 9kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)待檢測(cè)信號(hào)的最小帶寬來決定頻譜分辨率與FFT點(diǎn)數(shù)。對(duì)功率譜利用EMD進(jìn)行平滑的次數(shù)d與待檢測(cè)信號(hào)帶寬以及頻譜分辨率有關(guān)，一般地，當(dāng)頻譜分辨率值減小時(shí)，應(yīng)增大d的取值，反之亦然。在上述頻率分辨率條件下，通常選為3或4；

對(duì)3顆Ku頻段衛(wèi)星采集的245個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，被檢測(cè)信號(hào)的帶寬從80kHz～10MHz，其中正確檢測(cè)信號(hào)224個(gè)，檢測(cè)正確率為91.4%；漏檢21個(gè)信號(hào)，虛警10個(gè)信號(hào)。

圖2給出了本檢測(cè)方法對(duì)噪聲底不平坦條件下信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，信號(hào)1～4與信號(hào)5～6的噪聲底不同，但本方法可以同時(shí)將二者準(zhǔn)確的被檢測(cè)出來；另外，本方法對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)周期性或擴(kuò)頻信號(hào)也具有較強(qiáng)的檢測(cè)能力。該類信號(hào)由于周期性存在，通常功率譜上具有多個(gè)等間距的譜線存在，此類信號(hào)若僅從功率的角度進(jìn)行檢測(cè)，容易被識(shí)別為多個(gè)窄帶信號(hào)，而本算法利用平滑濾波操作，可以很好地解決該問題，但存在的問題是平滑后功率譜的信噪比下降較大。

圖2 噪底不平坦情況的信號(hào)檢

周期性信號(hào)檢測(cè)性能如圖3所示。

圖3 周期性信號(hào)的檢測(cè)性能

5 結(jié)束語

通過對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)功率譜進(jìn)行分析，得到2個(gè)性質(zhì)；將它們作為區(qū)分信號(hào)與噪聲的特征，從理論上提出一種多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號(hào)檢測(cè)方法。并且在算法實(shí)現(xiàn)流程中，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)在提取信號(hào)趨勢(shì)分量方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)接收帶寬內(nèi)信號(hào)的功率譜進(jìn)行平滑。本文提出的信號(hào)檢測(cè)方法弱化單一門限對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果的影響，檢測(cè)門限的設(shè)置由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而增加檢測(cè)算法對(duì)不同數(shù)據(jù)的魯棒性，并且算法復(fù)雜度適中。

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Automatic Detection of Satellite Signal Using Multiple Thresholds

LIU Pei1,2,JI Xue-jun1,ZHAO Guo-qing2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.College of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China)

For the problem that the inappropriate detection threshold influences the performance of signal detection,a new method is proposed for detection of satellite signal within wide frequency bandwidth.The characteristics of the power spectrum of satellite communication signal is analyzed and the power spectrum is smoothed by using the idea of Empirical Mode Decomposition (EMD),based on which the signal detection is accomplished by multiplethresholds.The proposed method not only alleviates the detection performance deterioration introduced by inappropriate single detection threshold,but also has moderate computational complexity.Moreover,the multiple detection thresholds are data-driven.Experimental results based on the real satellite signal data validate the proposed detection method.

signal detecting;empirical mode decomposition (EMD);multiple threshold detection

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.04

劉 沛，紀(jì)學(xué)軍，趙國慶.多門限聯(lián)合的衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):17-20，62.

2016-7-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81370038)

劉 沛(1983—)，男，主要研究方向：信號(hào)特征提取與識(shí)別。紀(jì)學(xué)軍(1966—)，男，研究員，主要研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。趙國慶(1953—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要主要研究方向：電子信息對(duì)抗技術(shù)。

TN911.3

A

1003-3114(2016)06-17-4