Link16数据链信号参数估计方法研究

王四红，王 磊，董石磊

(中国人民解放军63891部队，河南洛阳 471003)

0 引言

Link16数据链是广泛使用的一种战术数据链，旨在保障各种指挥、控制平台及武器间交换监视与指挥、控制信息，以提高各兵种作战能力的通信、导航和识别能力。Link16数据链通信以时分多址的方式工作，系统的每个成员都按照统一的系统时基同步工作，在信号上采用了跳频、直扩、跳时、信道编码和脉冲工作等诸多的抗干扰措施，具有很强的反侦察和抗干扰性能。下面针对Link16数据链信号在检测的过程中信号特征参数的变化问题，深入分析了Link16数据链信号结构特点，重点研究了对Link16数据链信号特征参数估计方法。

1 问题的提出

对Link16数据链信号的检测包含了2个方面:一是判断信号的存在性;二是测量提取Link16数据链扩频信号特征参数。只有完成了这2个任务，才能进行信号处理的后续工作。Link16数据链信号采用了直接序列扩频、高速跳频和跳时相结合的技术，Link16数据链信号的占空比达6.4/26，信号的平均能量很低，是一种类似雷达信号的窄脉冲信号。但与雷达信号相比，其发射机的峰值功率又很小，信号带宽又相对较宽，导致到达接收机输入端的信号是一种低信噪比的扩频信号。因此，对Link16数据链信号的检测具有相当的难度。

文献［1］详细分析了在相同的数据样本长度下，对跳扩信号的检测性能远远不及直扩信号的检测性能，若要提高Link16数据链信号的检测性能，需加大数据采集样本数量。在实际数据处理过程中，如果数据采集时间过长，会影响信号数据分析的实时性，数据采集时间过短，样本数量不足，又会降低对Link16数据链信号的检测性能。因此可采取把不同频率的信号变换到同一中频频率上后相叠加再进行检测和估计的方法，将大大提高对Link16数据链信号的检测性能。

为了实现这一过程，需要合理估计Link16数据链信号载频、码速率和扩频序列等关键参数。虽然Link16数据链射频频率跳变范围、扩频码速率以及扩频序列已知，但在实际情况中，Link16数据链信号跳频图案未知，侦收的信号受到环境噪声、信号传播衰减和多普勒频移等因素的影响，其信号特征参数可能发生变化，原始的信号特征参数并不适合作为接收端的分析依据。因此，研究了一种针对Link16数据链的射频信号载频、码速率和扩频序列等关键参数的估计方法。

2 Link16数据链信号结构特点分析

Link16数据链信号采用时分多址(TDMA)技术，信号的基本单位为时隙，时长为7.8125 ms，每个时隙分成信息段和保护段2部分，信息段长度为3.354 ms，保护段长度为4.4585 ms。信息段包含129个脉冲，每个脉冲的宽度为6.4 μs，脉冲重复周期为26 μs。各脉冲之间进行跳频，载频在频段960～1215 MHz之间伪随机选择。跳频点以3 MHz间隔均匀分布，共51个频点，相邻脉冲的载频最小间隔为30 MHz［2］。

为了避免与其他系统发生干扰，实际频段分为969～ 1008 MHz、1053～ 1065 MHz和 1113～1206 MHz三个子频段。Link16每个时隙发射的信息构成一条消息，每个脉冲的宽度为6.4 μs，是以一个码片宽度0.2 μs的32位伪随机序列作为调制信号对载频做MSK调制而形成的［3］。与BPSK调制相比，MSK调制所形成的频谱能量更集中，绝大部分处在3 MHz的带宽之内。

3 Link16数据链信号参数估计方法

3.1 载频和码速率估计算法

对于直扩信号的载频估计法一般有倍频检测法和时域延时相乘法等［4］。倍频检测法是针对PSK调制的直接序列扩频信号的一种检测方法，采用平方变换才能产生新的频率分量，消除相位跳变，从直接序列扩频信号中直接用滤波法提取载波。延迟相乘法采用信号与自身延迟相乘的方式估计扩频码的码速率。由于Link16数据链射频信号采用MSK调制，在时域始终处于相位连续状态，因此上述方法并不适合对Link16数据链信号参数估计。

对Link16数据链信号参数的测量主要依靠对Link16数据链信号的频谱特征的分析来实现［5］。Link16数据链信号的调制方式为MSK调制。对于MSK信号，设接收机接收到的信号为:

且已知MSK信号表达式:

式中，A为振幅;fc为载波频率;Ts为码元宽度;ak为第k个码元的信息;φk为第k个码元的相位常数;n(t)为高斯白噪声。令

由上式可以看出，Link16数据链信号的2个谱峰频点为:

对接收端的Link16数据链信号进行滤波后，通过检测2个峰值的位置不但可以得到Link16信号的载频，而且可以得到扩频码的码速Rs，设2个频率峰值为f1和f2，得到

Link16数据链信号是频率跳变的MSK信号，采用TDMA工作方式，每个脉冲周期为26 μs。各脉冲之间进行跳频，载频在频段960～1215 MHz之内51个频点伪随机选择，跳频点以3 MHz间隔均匀分布，带宽不超过3.5 MHz，相邻脉冲的载频最小间隔为30 MHz，因此只需对信号每次采集时长不超过2个脉冲周期便可按照上述方式实现信号载频和码速率的估计。

3.2 扩频序列估计算法

序列估计算法的前提是已经捕获到载波并且建立了时隙与脉冲的同步。Link16数据链信号所采用的跳频、跳时信号同步的具体方法不在讨论范围之内。

接收到L个字符的数据，按照码片速率进行采样(本文考虑每个码元采一点)，将采样得到的序列排列成L×32的矩阵为:

式中，S为信号功率;ci，j为第i个字符对应的扩频序列的第j位;nj，i为对应采样点上的高斯白噪声。矩阵中第i行的行向量xi表示第i个字符的接收序列，即

式中，k=0，1，…，31;i=1，2，…，L － 1 。以第 1个接收序列的x0为基准，对后面的L－1个接收序列{xi，i=1，2，…，L － 1}，求出它们与x0的互相关函数:

式中，xi(〈j+k〉32)表示对序列xi(j)向左循环移 k位，即满足下式:

求出使Ri(k)最大值的k值记为k0。因为各个字符对应的扩频序列是通过循环移位产生的，所以当xi和x0移位到对应的扩频序列相位相同时，即对应的扩频序列相等，c0，j=ci，〈j+k〉32，j=1，2，…，31时，就会出现相关峰，使相关函数值Ri(k)最大。因 此 k0即 是 扩 频 序 列 {ci，j，j=1，2，…，31}和{c0，j，j=1，2，…，31 }之间的相对位移大小。

于是将第i个采样序列向左周期移k0位，得到=〈j+k0〉32)。按照这个方法对除第1个接收序列外的所有 L －1 个序列，i=1，2，…，L －1}，它们对应的扩频序列都是与x0相同的。

因为Link16数据链的扩频码是随着时隙而变化的，而一个时隙包含129个脉冲，所以一次处理的字符个数L不能超过129个［6］。如果是为了侦听Link16数据链信号或分析其参数，一般取L=129，即用一个时隙的所有数据来估计序列。为了降低序列估计的错误率，可以提高接收数据的采样速率，即在一个码片时间内多次采样，再通过累加求平均的方法减少噪声的影响。

4 算法仿真与实现

4.1 载频和码速率仿真试验

采用参数如下:直扩码为31位的m序列加一位基码组成的 M序列，码速率5 Mbps，码元宽度6.4 μs，脉冲周期26 μs，信号噪声为高斯白噪声，采样频率为3.2 GHz。由于Link16数据链信号十分密集，为了方便观察，只取1个脉冲，生成的Link16数据链信号源时域波形和频谱如图1所示。

图1 Link16数据链信号时域波形

单个脉冲的载频估计如图2所示。从图2中可以明显看出2根离散的谱线，即MSK信号对应的f1和f2，这2根谱线所在的中心位置就是Link16数据链信号的2倍载频fc处，通过搜索谱峰位置的方法就可以很容易地确定信号的载频和码速率的大小。

图2 单个脉冲的载频估计

4.2 扩频序列仿真试验

为了验证所述算法的有效性，用MATLAB进行计算机仿真。由于是为了验证在时间、频率已经同步的情况下进行扩频序列盲估计的性能，因此仿真信号只进行了M序列扩频。

仿真用以下参数设置:在每个码片的时间间隔内采样 8次，码片速率为5 MHz，采样速率为40 MHz。扩频码采用的是一个自相关性较好的M序列，该序列由一个31位M序列扩展一位基码后形成。Link16数据链信号通过AWGN信道后用上述的算法估计扩频序列。每次序列估计处理所用到的数据符号数L在仿真中分别取为5、15、30、60和129。L=60时，是用一个时隙内少于一半数目的脉冲来估计扩频序列;L=129时，则是用一个时隙内的全部129个脉冲进行序列估计。

通过仿真，在不同信噪比的情况下分别计算出序列估计错误率，仿真结果曲线如图3所示。图中，序列估计错误率指的是误比特率，估计序列与原始的扩频序列相近(相关性较强)，仍具有实际意义。因此这里并未采用误符号率。

图3 序列估计错误率曲线

从图3可以看出，在信噪比高于－9 dB、处理符号数L＞15时，序列估计错误率小于10－1，符合应用的要求。这里提出的算法的估计性能会受到序列自相关性的影响，序列自相关越好，估计性能就越好。由于Link16数据链信号采用的是以比较短的M序列作为扩频序列，序列的自相关性并不是很好，所以直接应用算法进行估计，错误率会比较高。为了提高估计性能，可以通过对接收数据进行采样，以减少噪声的影响。在仿真中采用了8点的过采样，可以得到比较精确的估计结果。另外，从图中可以看出，L分别为30、60和129时的3条曲线比较接近，即使在处理符号数L=30时，也没有比处理符号数L=129时性能降低多少，说明即使只用一个时隙内较少的若干数据符号进行序列估计，也有比较好的性能。

5 结束语

Link16数据链信号采用了一种混合扩频通信方式，由直接扩频和跳频组合构成。在对Link16数据链信号存在性检测的基础上，提出了对Link16数据链信号的载频、码速率和扩频序列等相关参数的估计方法，针对低信噪比情况下对Link16数据链信号的检测问题，通过对Link16数据链信号关键参数估计算法的研究，可以为用于提高信号检测性检测时增加样本量奠定理论基础。另一方面，研究对象为Link16数据链这种跳扩信号，对于加深理解常规直扩信号与跳扩信号的工作性能差异也有积极的借鉴意义。 ■

［1］朱 攀.直接序列—跳频混合扩频信号检测与参数估计方法研究［D］.成都:电子科技大学硕士论文，2007:56－70.

［2］蔡晓霞，陈 红，郭建蓬.Link16通信信号结构分析［J］.舰船电子对抗，2004(6):20 －25.

［3］蔡晓霞，陈 红，王可人，等.Link-16信号结构研究［J］.现代军事通信，2004(6):14 －18.

［4］孙铭芳.直扩信号检测和PN码参数估计的研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2006(1):18－23.

［5］JIN Yan.A Cyclic-Cumulant Based Method for DS-SS Signal Detection and Parameter Estimation［J］.IEEE，2005(4)10－15.

［6］申振宁，曾兴雯，周子琛，等.LINK16系统仿真与性能分析［J］.计算机仿真，2005(2):23－25.