基于孿生通道自相參的LPI 通信信號(hào)偵察方法

王 偉 ，王欽釗 ，郭傲兵

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京 100072；2.北京特種車(chē)輛研究所，北京 100072）

0 引言

為適應(yīng)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，無(wú)人平臺(tái)測(cè)控鏈路信號(hào)要求具有較好的低截獲性和抗干擾性能。低截獲概率（LPI）通信信號(hào)以特殊的調(diào)制方式在非常寬的帶寬上對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，故LPI 信號(hào)也稱(chēng)擴(kuò)譜信號(hào)或擴(kuò)頻信號(hào)，具有選擇性尋址、傳輸隱蔽、抗干擾能力強(qiáng)的特征，采用常規(guī)方法的接收機(jī)很難探測(cè)。通常LPI 信號(hào)有三類(lèi)：跳頻信號(hào)、Chirp 信號(hào)和直接序列擴(kuò)頻（DSSS）信號(hào)。為提高傳輸安全性和抗干擾能力，一個(gè)LPI 信號(hào)可以組合使用多種擴(kuò)頻技術(shù)（也稱(chēng)為L(zhǎng)PI 混合技術(shù)）。

無(wú)人系統(tǒng)的遙控遙測(cè)鏈路常使用LPI 信號(hào)，且調(diào)制方式和編碼不易提前獲取，因此通過(guò)輻射源偵測(cè)方式對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，需要采用可適用于信號(hào)參數(shù)未知的LPI 信號(hào)偵測(cè)方法。

李國(guó)華分析了LPI 擴(kuò)譜信號(hào)的偵收問(wèn)題，并提出了在電子偵察接收機(jī)上的改進(jìn)思路；何如龍等針對(duì)跳頻通信信號(hào)的偵察和分選方案進(jìn)行了探討；胡來(lái)招給出了偵收弱信號(hào)時(shí)的極限接收靈敏度，并指出了如何減少靈敏度損失；李斌等提出利用大數(shù)據(jù)、智能化等技術(shù)對(duì)電磁偵察數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，以得到更多高價(jià)值情報(bào)數(shù)據(jù)信息并提出了大數(shù)據(jù)挖掘的內(nèi)容及主要處理技術(shù)；Lu Tingting 對(duì)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中帶有虛擬載波的空間交替廣義期望最大化（SAGE）算法進(jìn)行了研究，為解決虛擬載波的信道頻率響應(yīng)問(wèn)題，通過(guò)迭代技術(shù)來(lái)最小化CFR 的誤差以改善信道估計(jì)；Gouda 提出使用傳統(tǒng)的三階自相關(guān)累積量對(duì)直序擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行盲檢測(cè)，但對(duì)頻偏敏感；Shi針對(duì)直擴(kuò)信號(hào)檢測(cè)提出了基于四階累積量的新算法，但性能不佳；Jin Yan 提出使用傳統(tǒng)循環(huán)平穩(wěn)譜進(jìn)行檢測(cè)，但復(fù)雜度較高；Fei 應(yīng)用分形理論進(jìn)行了直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)；Uysal 提出了利用多天線(xiàn)的相位變化特征進(jìn)行檢測(cè)的算法；劉萬(wàn)賢則使用了基于波動(dòng)自相關(guān)的檢測(cè)算法對(duì)突發(fā)直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。上述研究雖然均不同程度地實(shí)現(xiàn)了對(duì)直擴(kuò)信號(hào)的偵收，但均存在性能欠佳、需要先驗(yàn)知識(shí)或參數(shù)估計(jì)、處理增益不高等問(wèn)題；歐陽(yáng)鑫信利用多跳信號(hào)互模糊函數(shù)進(jìn)行相參積累，提升了時(shí)頻差參數(shù)的估計(jì)性能，但在信噪比低于-1 dB 時(shí)與非相參方法區(qū)別不大。

本文提出了一種基于孿生通道自相參的LPI 通信信號(hào)接收方法，實(shí)現(xiàn)了較高的接收靈敏度。

1 擴(kuò)譜調(diào)制信號(hào)的低截獲特性

擴(kuò)譜通信的產(chǎn)生主要依據(jù)香農(nóng)定理和抗干擾理論。

根據(jù)香農(nóng)定理，連續(xù)信道容量公式為：

式中，為信道帶寬，為噪聲單邊功率譜密度，=表示噪聲平均功率，為信號(hào)平均功率?？梢钥闯?，在信道容量C一定的條件下，信道帶寬與信噪比SNR 成此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，想要提高抗截獲能力即降低SNR，可以通過(guò)增加來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)通信抗干擾理論，信息傳輸差錯(cuò)概率是關(guān)于SNR(B/B)的函數(shù)，B、B分別表示信號(hào)帶寬和信息帶寬。根據(jù)通信系統(tǒng)的抗干擾能力要求，通常限定其最大信息傳輸差錯(cuò)概率，以保證信息傳輸質(zhì)量。由此處亦可看出擴(kuò)譜調(diào)制與信噪比的關(guān)系。且在B一定時(shí)，SNR 直接與B有關(guān)。用如下公式表征擴(kuò)譜系統(tǒng)的抗干擾能力，以代表其處理增益，它與B/B大致相當(dāng)。

在信號(hào)理論中，電子偵察接收機(jī)靈敏度為：=KTB FM。其中，是玻爾茲曼常數(shù)，是接收機(jī)工作溫度，B為接收機(jī)噪聲帶寬，KTB是電子偵察接收機(jī)通道內(nèi)的噪聲功率，為接收機(jī)信號(hào)通道的噪聲系數(shù)，為信號(hào)檢測(cè)所需的最小信噪比。減小接收機(jī)帶寬B，可降低接收機(jī)通道內(nèi)噪聲功率，提高接收機(jī)的微弱信號(hào)檢測(cè)能力，即提高其靈敏度。在常規(guī)通信偵察接收機(jī)中，B可小至 5 kHz，比 1 MHz 的接收機(jī)，其靈敏度要高10 lg(1 MHz/5 kHz)=23 dB。

對(duì)功率為P的信號(hào)，擴(kuò)譜前后帶寬分別為B和B。在頻域觀察信號(hào)，其功率將從B擴(kuò)散到B，頻譜密度下降到原來(lái)的B/B，這描述了擴(kuò)譜信號(hào)的低截獲特性。

從圖1 可以看出，信號(hào)擴(kuò)譜前后其頻譜密度發(fā)生較大變化。電子偵察接收機(jī)帶寬從B減小到B的過(guò)程中，接收機(jī)噪聲帶寬減小，接收機(jī)通道內(nèi)噪聲線(xiàn)性減小，進(jìn)入接收機(jī)的功率不變，電子偵察接收機(jī)對(duì)該信號(hào)的靈敏度提高。

圖1 不同電子偵察接收機(jī)帶寬對(duì)擴(kuò)譜前后信號(hào)帶寬的比較

在接收機(jī)帶寬由B減小到B的過(guò)程中，偵察接收機(jī)內(nèi)噪聲持續(xù)減小，進(jìn)入接收機(jī)的未擴(kuò)譜信號(hào)功率不變，接收機(jī)對(duì)未擴(kuò)譜信號(hào)的靈敏度持續(xù)提高。而對(duì)擴(kuò)譜信號(hào)，隨著接收機(jī)帶寬減小，進(jìn)入到偵察接收機(jī)的信號(hào)功率相應(yīng)減小，帶寬為B、B、B的接收機(jī)對(duì)擴(kuò)譜信號(hào)的靈敏度一樣，偵察接收機(jī)的靈敏度沒(méi)有提升。

因此，對(duì)于擴(kuò)譜信號(hào)，偵察接收機(jī)對(duì)擴(kuò)譜信號(hào)的最高靈敏度被限制在=KTB FM。

信號(hào)擴(kuò)譜后，其帶寬B越寬，信號(hào)被電子偵察接收機(jī)截獲的靈敏度越低，這體現(xiàn)了擴(kuò)譜信號(hào)的低截獲特性。

以某國(guó)外小型無(wú)人平臺(tái)的測(cè)控鏈路為例，其參數(shù)如下：通信距離：10 km；發(fā)射功率：0.1～0.5 W；圖像數(shù)據(jù)率：1.1 Mbps；指令數(shù)據(jù)率：6.4 kbps；信號(hào)帶寬：圖像數(shù)據(jù)鏈信號(hào)20 MHz，指令數(shù)據(jù)鏈信號(hào)1 MHz。

在示例鏈路信號(hào)中，圖像信號(hào)擴(kuò)譜后帶寬為20 MHz，擴(kuò)譜前帶寬為1.1 MHz（在BPSK中等于數(shù)據(jù)率），其低截獲特性提升了 10 lg（20 MHz/1.1 MHz）=12.6 dB；指 令鏈路的低截獲特性被提升了10lg（1 MHz/6.4 kHz）=21.9 dB。

從上面分析可見(jiàn)，圖像鏈路和指令鏈路信號(hào)采用擴(kuò)譜調(diào)制后，提高了鏈路信號(hào)的低截獲特性。

2 偵察擴(kuò)譜信號(hào)存在的問(wèn)題

對(duì)小型無(wú)人平臺(tái)測(cè)控鏈路進(jìn)行偵察，面臨2 個(gè)難題：

1）信號(hào)的低截獲特性，降低了電子偵察的作用距離；

2）信號(hào)發(fā)射功率小，使得所需的接收機(jī)處理增益和靈敏度更高。

通常情況下，相參處理或匹配濾波處理，能夠通過(guò)對(duì)信號(hào)的能量積累提高偵察靈敏度，但需要掌握信號(hào)的調(diào)制參數(shù)，獲取信號(hào)處理增益。由于多數(shù)情況下被偵察的鏈路信號(hào)的擴(kuò)譜調(diào)制參數(shù)未知，不能通過(guò)匹配濾波方式對(duì)其進(jìn)行相參積累處理以提升接收機(jī)靈敏度。通常的做法是：

1）以非相參積累方法進(jìn)行處理，提高接收機(jī)靈敏度；

2）采用體積更大、增益更高的接收天線(xiàn)以提高系統(tǒng)靈敏度。

以上做法帶來(lái)的問(wèn)題是：

1）采用非相參積累方法，如果對(duì)信號(hào)進(jìn)行次非相參積累，信噪比提升約為，想要得到與相參處理相當(dāng)?shù)撵`敏度，需要的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)將更大（如，要提高10 dB 的靈敏度，對(duì)鏈路信號(hào)的積累次數(shù)=100 次，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)增加100 倍）；

2）采用更大的接收天線(xiàn)，如果系統(tǒng)靈敏度要提高10 dB，則根據(jù)天線(xiàn)理論，天線(xiàn)增益=4π/，天線(xiàn)有效接收面積將增加10 倍。

因此，受限于物理尺寸的約束，通常采用提高接收機(jī)靈敏度的方法來(lái)提高對(duì)鏈路信號(hào)的偵察能力。

3 基于孿生通道自相參的高靈敏度接收方法

3.1 非相參積累處理

為了充分說(shuō)明孿生通道自相參的效果，將其與現(xiàn)有的時(shí)頻域非相參積累增益進(jìn)行對(duì)比。

2 個(gè)通道中信號(hào)的通用模型為：

式中，()為待處理的信號(hào)，()為參考信號(hào)，()、()為互不相關(guān)的獨(dú)立噪聲信號(hào)。

2 個(gè)信號(hào)()和()的共軛乘法運(yùn)算用?代表，則有：

式中,()為有效信號(hào)，()為新噪聲。

共軛乘法后，信號(hào)()的處理增益為：

式中，=()?()表示共軛乘法的處理增益，SNR表示接收通道1 的輸入信噪比，SNR表示接收通道2（其中的信號(hào)取為參考信號(hào)）的輸入信噪比。

對(duì)于通信和雷達(dá)而言，信號(hào)處理是協(xié)作的，參考信號(hào)對(duì)應(yīng)的信噪比SNR=+∞，即理想的孿生通道自相參處理增益等于。對(duì)于未知參數(shù)的鏈路信號(hào)，信號(hào)處理是非協(xié)作的，參考信號(hào)對(duì)應(yīng)的信噪比SNR是一個(gè)有限值，這使得共軛乘法后處理增益損失為1+(1+SNR)/SNR。

3.2 相參積累處理及孿生通道自相參處理

基于孿生通道自相參處理的高靈敏度接收方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“自相參處理”）原理如圖2 所示。

圖2 基于孿生通道自相參處理的高靈敏度接收原理圖

首先，需要滿(mǎn)足以下2 點(diǎn)：

1）參考通道的信號(hào)()與接收通道的信號(hào)()的關(guān)系滿(mǎn)足()=(-)，其中為延遲時(shí)間，為幅度，這可以通過(guò)對(duì)信號(hào)的預(yù)先采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)；

2）參考通道信噪比SNR不小于接收通道信噪比SNR，這可以通過(guò)設(shè)計(jì)2 個(gè)完全相同的接收機(jī)來(lái)保證，采用相同的硬件設(shè)計(jì)和器件，并對(duì)通道噪聲水平進(jìn)行標(biāo)定和校正，以保證2 個(gè)通道的一致性。

然后，將2 個(gè)通道中信號(hào)()的Fourier 變換與()的Fourier 變換的共軛相乘，并進(jìn)行累加。

信號(hào)()的Fourier 變換為：

信號(hào)()的Fourier 變換為：

于是，時(shí)頻域相參積累表達(dá)式為：

式中，*表示共軛運(yùn)算；()表示信號(hào)()每次Fourier 變換后在頻域上的功率形式；()表示信號(hào)()在頻域上的能量表現(xiàn)形式，為次的能量疊加結(jié)果。

從式（8）可以看出，信號(hào)處理后包含 2 項(xiàng)：第 1 項(xiàng)為信號(hào)能量的頻域表現(xiàn)形式，第2 項(xiàng)為新的噪聲。經(jīng)過(guò)次積累后，頻域上的功率()變?yōu)槟芰俊?)，信號(hào)處理增益為。

自相參處理積累包含共軛乘法和相參積累2 個(gè)過(guò)程，因此相對(duì)于理想的相參積累增益，總的處理增益損失為：

式（9）表明，相同條件下，SNR越大，則處理增益損失越小。顯然，自相參處理積累的信號(hào)處理增益損失與積累次數(shù)無(wú)關(guān)，只與積累前的信噪比有關(guān)。相同條件下，SNR=SNR時(shí)，SNR越大則處理增益損失越小，反之越大，如圖3 所示。

圖3 自相參處理的積累損失與輸入信噪比關(guān)系

從理論上分析，非相參處理、常規(guī)相參處理、自相參處理等輻射源偵察信號(hào)處理方法的特點(diǎn)及對(duì)比如表1 所示，表中為對(duì)接收信號(hào)的積累次數(shù)。

表1 輻射源偵察的信號(hào)處理方法對(duì)比表

從表1 可以看出,自相參處理具有以下特點(diǎn):

1）與非自相參處理方法相比，在相同的信號(hào)積累次數(shù)和相同的信號(hào)處理時(shí)間下，自相參處理信號(hào)處理增益更高，提高了接收靈敏度；

2）與常規(guī)相參處理方法相比，自相參處理的參考信號(hào)為時(shí)刻前接收到的自身信號(hào)，因此無(wú)需事先知道信號(hào)調(diào)制參數(shù)，尤其是對(duì)擴(kuò)譜調(diào)制信號(hào)，作用對(duì)象范圍更廣；

3）信號(hào)處理增益損失與積累次數(shù)無(wú)關(guān)，只與積累前的信噪比有關(guān)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有非相參積累方法的信號(hào)處理增益損失隨積累次數(shù)增加而增加的不足；

4）當(dāng)積累次數(shù)足夠大時(shí)，自相參積累比非相參積累能適應(yīng)更低的輸入信噪比，對(duì)電磁環(huán)境要求更低，應(yīng)用場(chǎng)景更廣泛。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比以下幾種典型的高靈敏度接收處理體制的特點(diǎn)。

假設(shè)信號(hào)脈沖寬度為40 μs，系統(tǒng)采樣率為500 MSPS，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為20 000。4 種處理體制對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表2 所示。

表2 典型信號(hào)處理體制及參數(shù)設(shè)置

仿真實(shí)驗(yàn)一：?jiǎn)屋d頻脈沖信號(hào)，樣本點(diǎn)20 000，中頻50 MHz，輸入信噪比SNR=-17 dB（因第三種、第四種方法需要進(jìn)行2 路自相參處理，會(huì)有預(yù)期額外增益，故將其每路的信噪比設(shè)置為-20 dB），試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 幾種體制對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)信噪比改善情況

從圖4（b）四種處理方法的輸出信號(hào)可以看出，對(duì)常規(guī)連續(xù)波信號(hào)，第一種處理方法（大點(diǎn)數(shù)FFT）輸出信噪比最好，第三種處理方法輸出信號(hào)可檢測(cè)，第二、四種方法不能檢測(cè)信號(hào)。

仿真實(shí)驗(yàn)二：線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，樣本點(diǎn)20 000，初始頻率50 MHz，調(diào)制帶寬10 MHz，輸入信噪比同仿真實(shí)驗(yàn)一，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 幾種體制對(duì)應(yīng)的LFM 信號(hào)信噪比改善情況

從圖5（b）四種處理方法的輸出信號(hào)可以看出，對(duì)調(diào)頻信號(hào)，僅采用“自相參處理+相參積累”的第三種處理方法輸出信號(hào)具有可檢測(cè)性，其它方法不能檢測(cè)信號(hào)。

通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)一和仿真實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果可以得出結(jié)論：

1）“大點(diǎn)數(shù)FFT”體制，難以適應(yīng)低信噪比下的寬帶信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)測(cè)量；

2）“小點(diǎn)數(shù)FFT+非相參積累”體制，對(duì)寬帶信號(hào)低信噪比信號(hào)檢測(cè)的適應(yīng)性有所提高；

3）“自相參處理+相參積累”體制，在低信噪比條件下信號(hào)檢測(cè)的適應(yīng)性高于“小點(diǎn)數(shù)FFT+非相參積累”體制；

4）“自相參處理+非相參積累”體制，在低信噪比條件下信號(hào)檢測(cè)的適應(yīng)性低于“自相參處理＋相參積累”體制。

可以看出，“小點(diǎn)數(shù)FFT+非相參積累”和“自相參+相參積累”比其余2 種方式獲取的處理增益更高，“自相參處理+相參積累”的處理方法具有如下特點(diǎn)：事先無(wú)需信號(hào)調(diào)制參數(shù)、更高的處理增益、較低的增益損失、較高的接收靈敏度、很好的寬帶信號(hào)適應(yīng)性。

以上仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于孿生通道自相參的處理方法，在一定條件下具有更高的接收靈敏度，可以用于偵收具有低截獲特性的擴(kuò)譜鏈路信號(hào)，可有效提高對(duì)地面無(wú)人平臺(tái)及測(cè)控站的偵察距離和探測(cè)概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境下利用傳統(tǒng)的信號(hào)偵察方法對(duì)LPI 通信信號(hào)進(jìn)行偵察，面臨著信號(hào)參數(shù)未知、接收靈敏度低、對(duì)輸入信噪比要求較高等問(wèn)題。本文提出的基于孿生通道自相參的LPI 通信信號(hào)接收方法，能夠提高復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)LPI 通信信號(hào)的偵察接收能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人平臺(tái)測(cè)控鏈路的高效偵察探測(cè)，進(jìn)而對(duì)無(wú)人平臺(tái)或其操控站進(jìn)行偵察定位，并對(duì)其實(shí)施干擾反制，對(duì)開(kāi)展反制無(wú)人平臺(tái)研究具有較重要的參考價(jià)值。