低信噪比下相位編碼信號識別技術(shù)

鄧杏松,徐文君,趙榮琦

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

當(dāng)今戰(zhàn)場的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,相位編碼、線性調(diào)頻等非常規(guī)雷達(dá)信號不斷增多。雷達(dá)信號調(diào)制特征識別能夠?yàn)槔走_(dá)信號分選提供有力的幫助,是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號識別的重要手段。但是低信噪比情況下非常規(guī)雷達(dá)信號的特征提取和識別仍然存在問題,這是當(dāng)前電子戰(zhàn)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向[1]。

目前,很多研究都已對相位編碼信號的識別處理方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]采用對信號的瞬時(shí)相位或瞬時(shí)頻率進(jìn)行檢測的方法進(jìn)行相位編碼識別處理,這一方法對信噪比要求很高。文獻(xiàn)[3]通過構(gòu)造相位跳變點(diǎn)樣本,利用相關(guān)處理方法對相位跳變點(diǎn)進(jìn)行檢測,該方法具有一定的相關(guān)處理增益,但改善有限。文獻(xiàn)[4]分析了利用小波變換檢測調(diào)制信號的有效性,文獻(xiàn)[5]提出了基于小波模值疊加的碼速率估計(jì)方法,驗(yàn)證了在低信噪比下碼速率估計(jì)的有效性。

本文給出了一種基于兩級信道化結(jié)構(gòu)和小波變換的調(diào)相信號檢測方法,實(shí)現(xiàn)了低信噪比情況下相位編碼信號的檢測。利用信道化提高增益,使用信道化后信道內(nèi)的零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,避免檢測相位跳變時(shí)的小波尺度盲區(qū),通過檢測小波變換模值的突變點(diǎn)進(jìn)行相位調(diào)制特征識別。最終,將兩級信道化的測量參數(shù)進(jìn)行綜合分析,形成脈沖描述字,保證了各參數(shù)的測量精度,提高了信號識別的適應(yīng)性。

1 兩級信道化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信道化接收機(jī)是當(dāng)前常用的滿足電子戰(zhàn)需求的寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu),通過信道劃分,將接收的信號從頻域上分離,具有高頻率分辨率、高靈敏度、能夠處理時(shí)域疊加信號等優(yōu)點(diǎn)[6]。信道化結(jié)構(gòu)通過抑制子信道帶寬外的噪聲提升信號的信噪比。為更好地滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)對接收機(jī)高靈敏度的要求,本文設(shè)計(jì)了一種兩級信道化結(jié)構(gòu)以適應(yīng)更低的信噪比。以瞬時(shí)帶寬500 MHz、中頻960 MHz的設(shè)計(jì)要求為例,本文以模數(shù)(AD)采樣率為1.28 GHz進(jìn)行兩級信道化設(shè)計(jì)。

為保證信道化接收機(jī)的帶內(nèi)信號截獲概率,本文采用50%交疊的信道劃分方式,如圖1所示。兩級信道化結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)方式,第1級信道化輸入為AD采樣的實(shí)信號,取信道數(shù)32,獨(dú)立信道數(shù)為16,子帶寬度為40 MHz,理論信噪比增益為12 dB。第2級信道化輸入為第1級信道化選擇的子信道數(shù)據(jù)。第2級信道化輸入信號有效帶寬為-40 MHz～40 MHz,取信道數(shù)8,獨(dú)立信道數(shù)為8,子信道帶寬為10 MHz,理論信噪比增益為9 dB。

圖1 信道化信道劃分示意圖

本文設(shè)計(jì)的兩級信道化結(jié)構(gòu)采用系統(tǒng)穩(wěn)定性好、能實(shí)現(xiàn)線性相位的有限長度沖激響應(yīng)(FIR)濾波器,一級信道化的原型濾波器為192階,二級信道化的原型濾波器為48階,兩級原型濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 原型濾波器幅頻響應(yīng)曲線

本文設(shè)計(jì)的兩級信道化接收機(jī)的信號檢測與處理流程如圖3所示。首先,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取送入第1級信道化子信道進(jìn)行參數(shù)提取。然后,從第1級信道化子信道輸出的16路信道數(shù)據(jù)中選取1路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,同時(shí)將該路數(shù)據(jù)送入第2級信道化子信道進(jìn)行處理。接著,從第2級信道化子信道數(shù)據(jù)中選取1路數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)提取,并對選擇的第2級子信道數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,根據(jù)小波模值的跳變情況完成調(diào)制類型識別,獲取脈內(nèi)特征。最后,將兩級信道化的測量參數(shù)進(jìn)行綜合分析形成脈沖描述字。

圖3 信號處理流程

2 相位調(diào)制信號的檢測和識別方法

小波變換是一種線性時(shí)頻變換,是分析非恒定信號和突變信號的有效方法。Haar小波對相位變化的短時(shí)信號具有較強(qiáng)的檢測能力,非常適合探測信號的突變成分。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)給出了使用Haar小波的相位調(diào)制信號的小波變換形式。處理相位編碼信號,當(dāng)Haar小波位于一個(gè)碼元周期內(nèi)部時(shí),小波變換模值為:

(1)

當(dāng)Haar小波位于碼元跳變點(diǎn)處,小波變換模值為:

(2)

式中:A為信號幅度;T為碼元寬度;wc為信號載波頻率;β為相鄰碼元的相位差。

根據(jù)公式(1)可以看出,當(dāng)小波窗位于碼元周期內(nèi)時(shí),小波變換的模值是1個(gè)與頻率有關(guān)的常數(shù);如公式(2)所示,當(dāng)小波窗位于2個(gè)相鄰的碼元之間時(shí),該小波變換的模值出現(xiàn)1個(gè)峰值,即表明存在相位變化。因此可以根據(jù)小波模值實(shí)現(xiàn)信號相位和頻率變化的檢測。

對采樣信號直接進(jìn)行小波變換時(shí),當(dāng)wca為2π的整數(shù)倍時(shí),公式(1)、(2)中的小波變換的模值為0,峰值消失,根據(jù)小波變換的模值無法判斷相位變化,即存在小波尺度盲區(qū)。為此,文獻(xiàn)[7]提出在進(jìn)行小波變換前,將信號由中頻變換為零頻可以消除存在的無效小波尺度。即wc≈0時(shí),公式(1)、(2)可轉(zhuǎn)換為:

(3)

(4)

當(dāng)n=iT,小波模值的峰值為:

(5)

公式(5)表明,將信號由中頻轉(zhuǎn)換為基帶信號后,小波變換的峰值模值主要受小波尺度和碼元間的相位差影響。小波尺度a在不大于碼元周期的范圍內(nèi),取值越大,小波模值越大,抗噪聲能力越強(qiáng);但根據(jù)公式(4),小波尺度a取值較大時(shí),時(shí)間分辨率降低。本文取小波尺度a=2,以獲得良好的時(shí)間精度。

兩級信道化后,子信道內(nèi)帶寬為10 MHz,遠(yuǎn)小于采樣時(shí)鐘頻率。根據(jù)上述將信號由中頻變換為零頻進(jìn)行處理的要求,利用兩級信道化后子信道內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換恰好能滿足小波變換前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻移的要求,從而避免了可能存在的小波尺度盲區(qū)。

3 參數(shù)綜合處理流程

采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過兩級信道化處理后,對各級信道化數(shù)據(jù)的測量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)綜合以形成最終的脈沖描述字,綜合分析處理方法如圖4所示。當(dāng)?shù)?級信道化和第2級信道化數(shù)據(jù)均存在有效信號時(shí),由于兩級信道化之前都進(jìn)行了數(shù)據(jù)抽取,所以第1級信道化的時(shí)間測量參數(shù)具有更高的時(shí)間精度,信號脈寬和到達(dá)時(shí)間的測量更加準(zhǔn)確;當(dāng)?shù)?級信道化處理結(jié)果存在有效信號、第2級信道化結(jié)果無有效信號時(shí),表明信號持續(xù)時(shí)間很短,經(jīng)過第2級信道化前的數(shù)據(jù)抽取后,信號無法被正確識別,所以選擇第1級信道化的測量參數(shù)作為信號特征;當(dāng)?shù)?級信道化處理結(jié)果無有效信號、第2級信道化結(jié)果有有效信號時(shí),表明信號強(qiáng)度較小,需要經(jīng)過兩級信道化的增益后才能被正確識別,因此選擇第2級信道化的測量參數(shù)作為信號特征;當(dāng)兩級信道化處理結(jié)果均未檢出有效信號時(shí),則說明無有效信號。

4 仿真結(jié)果與分析

圖5(a)為13位巴克碼(1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1)調(diào)制的二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號在0 dB信噪比下的小波變換模值,圖5(b)為13位泰勒四相碼(0,1,2,3,0,3,0,3,0,3,2,1,0)調(diào)制的正交相移鍵控(QPSK)信號在3 dB信噪比下的小波變換模值,由上往下依次為采樣數(shù)據(jù)直接進(jìn)行小波變換的模值、第1級信道化后子信道數(shù)據(jù)的小波變換模值、第2級信道化后子信道數(shù)據(jù)的小波變換模值。圖5表明,在低信噪比條件下,對采樣數(shù)據(jù)直接進(jìn)行小波變換,根據(jù)小波模值無法進(jìn)行定位。第1級信道化后子信道數(shù)據(jù)的小波變換模值在部分位置出現(xiàn)了峰值,但與噪底的模值區(qū)分度不高,定位的準(zhǔn)確性不高。第2級信道化后子信道數(shù)據(jù)的小波變換模值有明顯的峰值,且噪底模值較小,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

圖5 小波變換模值圖

為考察相位編碼信號識別正確率隨信噪比的變化情況,采用蒙特卡洛仿真法,選擇小波尺度a=2,在各個(gè)信噪比下進(jìn)行仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果如圖6所示。根據(jù)BPSK信號識別率仿真曲線,當(dāng)信噪比不小于-5 dB時(shí),能保證識別正確率達(dá)到95%以上。根據(jù)QPSK信號識別率仿真曲線,當(dāng)信噪比不小于-1 dB時(shí),能保證識別正確率達(dá)到95 %以上。

圖6 不同信噪比下調(diào)相信號識別率

5 結(jié)束語

本文給出了一種基于二級信道化結(jié)構(gòu)和小波變換的相位編碼信號檢測方法,實(shí)現(xiàn)了低信噪比情況下相位編碼信號的檢測。利用信道化提高檢測靈敏度的同時(shí),使用信道化后子信道內(nèi)的零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,避免了檢測相位跳變時(shí)的小波尺度盲區(qū),保證了單一尺度下使用小波變換模值進(jìn)行相位跳變點(diǎn)檢測的可靠性。仿真結(jié)果表明,兩級信道化結(jié)構(gòu)提高了信號檢測的靈敏度,降低了調(diào)相信號檢測對信噪比的要求,利用小波變換能夠?qū)崿F(xiàn)相位編碼信號的正確檢測。本文在數(shù)據(jù)處理過程中僅選擇單一尺度進(jìn)行小波變換,后續(xù)可以綜合多尺度小波變換的結(jié)果進(jìn)一步提高識別靈敏度和正確率。