复杂背景下猝发信号的捕获算法

杜亚琦，卢振钧（1.通信信息控制和安全技术重点实验室 浙江 嘉兴314033；2.中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江 嘉兴 314033）

复杂背景下猝发信号的捕获算法

杜亚琦1，2，卢振钧1，2
（1.通信信息控制和安全技术重点实验室 浙江 嘉兴314033；2.中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江 嘉兴 314033）

提出了一种复杂背景下猝发信号的捕获算法。针对捕获自适应瞬间通信信号，该捕获算法采用了信号最大积累和双门限判决等方法，采用高速的DDR2内存分组，交替读写以实现其可靠存储，并解决了其猝发的随机概率问题。实际信号测试中，可以在信号繁多的几百MHz宽带背景下准确的检测到猝发信号的信号头和信号尾，并能实时、自动、完整的捕获到猝发信号，彻底解决了500MHz瞬时带宽内的猝发信号实时、盲捕获问题。

猝发信号；捕获算法；复杂背景；高速DDR

猝发通信也称为自适应瞬间通信，在军事通信中，是比较常用的方法。猝发通信通过将信息压缩，并采取随机选择传输时间进行突发方式传送，持续通常不到1 s，在瞬间将信号传送完毕，它一般用于隐蔽通信领域，比如潜艇、侦察等的通信，因此，如果能够对此类信号准确进行捕获，对反潜和防潜都具有十分重要的作用和意义。

但是猝发信号是一类突发通信信号，由于其有着持续时间短暂和出现时刻随机的特点，是极难对其进行侦察跟踪和捕获的［1］。

文中提出了一种新的算法对猝发信号进行捕获。通过先将信号进行最大积累，平滑等运算求出信号背景，再应用双门限判决模式判断出猝发信号的存在性，并找到猝发信号对应的频率点，然后通过准确的时钟延时找到对应的猝发信号的头和尾，完整捕获到多个猝发信号并进行保存。

而且基于这种方法的特性，还可以在捕获猝发信号的同时屏蔽掉跳频信号和TDMA信号的干扰，传统的方法是无法实现的。

1　捕获的基本原理及实现方案

1.1该捕获算法的基本原理

文中算法目的是克服传统捕获技术存在的不足，提高通信侦察装备对猝发信号捕获的准确率，根据猝发信号在时域上的持续时间特性，提出一种新的宽带猝发信号的捕获方法，这种方法不同于常规的通信信号检测方法。

文中采用的技术方案首先对信号进行FFT处理，然后在频域上对信号频谱进行平滑和最大值积累，再次平滑处理来求得信号背景，然后减去信号背景，利用双门限判据进行信号检测获得信号频率，根据信号检测的时间对原始信号进行缓存，以保持完整的信号头尾信息。根据检测结果获得的信号频率对缓存后的原始信号进行下变频、滤波抽取等处理，并把完整的信号保存到内存中。由于受到控制计算机硬盘读写速度的限制，这里采用了在短时间内把不同的猝发信号保存到不同的内存区域，来保证一定时间内信号不会因为存储区域的冲突而丢失，通过硬盘读写速度和内存区域的平衡，可以达到连续不丢失保存多个猝发信号的目的［2-3］。

1.2具体实现方案

文中提出了一种新的对猝发信号进行捕获的方法。这种方法主要通过现场可编程门阵列（FPGA）的大规模高速硬件资源进行实时连续处理来实现。为了更好地理解此方法的技术方案，以下结合具体实施方式，作进一步的详细描述。图1是本发明提供的宽带猝发信号捕获方法的流程图。

图1　宽带猝发信号捕获方法的流程图

首先要求出信号的背景，然后再进行猝发信号检测。根据该领域通常的应用环境，假设处理的信号带宽为500MHz，采样频率为1 600 MHz。根据目前FPGA的处理速度，输入信号sig（t）为8路并行输入，每路速率200 MHz。首先对sig（t）进行下变频滤波和2倍抽取，下变频频点为500 MHz带宽信号的中心频点，2倍抽取后的信号为r（t）。r（t）为4路并行路输入，进行并行快速傅里叶变换（FFT）处理，并行FFT的处理点数可取为2 048点。然后求出FFT结果的幅度的对数频谱，并根据FFT结果顺序，把4路数据累加到一路，即每路2 048点FFT对应的第一点累加，第二点累加，依次类推。之后对累加数据求均值，就是除以4。最后对累加完的均值数据进行分块平滑处理，每块长度与FFT的处理点数相同，也是2 048点。

其中，分块平滑处理是指对于连续的数据块，指定平滑次数m，进行m块的数据块的对应位置数据的累加求均值，每m个数据块累加得到一个结果数据块，具体实现见公式（1），每一数据块的大小如步骤一中的2 048，即FFT的处理点数。对于累加完的均值数据，数据序列表示为｛a1，a2，a3，…，ai，…｝。

在本具体实施方式中，平滑次数的控制参数为m=16。经过平滑，最终得到平滑后的频域数据块R1（f）。R1（f）数据流中每个数据即为公式1的元素，为下面叙述简便，令R1（f）序列表示为｛b1，b2，b3，…，bi，…｝，如公式（2）所示。

对平滑后的频域数据块R1（f）进行指定块数的最大值积累。该最大值积累是指在指定一个最大积累次数k的情况下，根据最大积累次数k进行指定块数的最大值积累，每隔k个数据块得到一个结果，数据块大小和平滑数据块一致，为2 048，最大值积累结果见公式（3）：

在本具体实施方式中，积累次数的控制参数为k=8。经过最大值积累后，最终得到积累后的频域数据块R2（f）。R2（f）数据流中每个数据即为公式3的元素，为下面叙述简便，令R2（f）序列表示为｛c1，c2，c3，…，ci…｝，如公式（4）所示。

对积累后的频域数据块R2（f）再次求平滑，结果见公式（5）。

在本具体实施方式中，二次平滑的控制参数为h=256，最终得到平滑后的频域数据块R3（f），作为信号背景。

然后R1（f）减去背景信号，获得频谱数据R4（f），即计算R4（f）=R1（f）-R3（f）。经过调节平滑次数，可以有效去除背景中的定频信号、跳频信号和TDMA信号。也可以通过调节这些参数，将此捕获方法转变成用来捕获跳频信号或者TDMA信号的方法。这也是此捕获算法的另一个优点。

最后对R4（f）进行猝发信号检测。这里，信号检测采用了双门限判据，以判断猝发信号的开始及结束。如图2所示，两个门限分别对应信号跳变的上升沿和下降沿。根据门限来判断猝发信号的发生，保持和结束。经过检测，获得信号的频率，以及对应信号的开始时刻和结束时刻。如果没检测到信号，就不做处理，等待信号出现。

图2　双门限判决方法示意图

具体实现的方法为：

1）对信号R4（f）到达的每一块数据求最大值，和门限1进行判决，大于门限为1，否则为0；

2）根据R4（f）上一块数据块的最大值的位置，在当前R4（f）数据块上的值，和门限2进行判决，大于门限为1，否则为0；

3）把门限1判定结果与门限2的判定结果并列，会有4种结果，结果对应情况和后续处理如表1所示。

表1　猝发信号双门限判决表

为了得到完成的猝发信号的数据，要对输入信号r（t）进行缓存，缓存的长度由信号输入到检测模块的运算时间决定，并能保证可以在检测到信号存在时保留信号完整的头部信息。然后对缓存后的数据进行下变频处理，得到下变频后的完整数据。对下变频后的数据进行滤波、抽取，得到时域上的完整的猝发信号。

如果要将猝发信号进行存储，以便将时域上完整的猝发信号连续保存到内存区域中，则要根据不同信号的到达时刻，分别把多个信号保存到不同的内存区域中。在短时间内多个猝发信号连续到达的情况下，这种方式不会引起保存内容的冲突或者覆盖，以达到保存多个信号的目的。在完成保存一个完整的猝发信号后，通知控制计算机完成捕获，控制计算机可以立刻读取该内存区域的信号，读取完毕后，把该区域标识为可继续保存标识，此时该区域可以继续捕获新的猝发信号［4］。具体见图3。

图3　不同信号保存示意图

2　捕获算法的难点分析

此捕获算法的一个难点在于要记录每个步骤的操作对信号的处理时间，对缓存中的数据进行处理时，都要根据相应的处理时间进行数据对齐，保证检测结果和原始数据的同步。比如求R4（f）时，关键的就是要准确计算出从R1（f）开始的时刻到计算出信号背景R3（f）时用了多少个时钟周期，要用同时刻的R1（f）数据减去信号背景，才能得到准确的R4（f）来判断猝发信号是否存在。

另外，在计算信号背景时，两次平滑与一次积累的参数需要控制好，否则再对R4（f）进行猝发信号检测时，就会出现漏判信号或者信号存储不完整的情况。

3　结束语

该算法原理简单，通用性和可移植性强，捕获准确率高，捕获信号完整，而且可以屏蔽掉跳频信号和TDMA信号等。此算法的可行性已经得到验证，完全符合设计的要求。另外通过对算法参数的稍加修改，还可以将此算法转变成用于捕获跳频信号或TDMA信号的方法，更加证明了此算法的实用性。

［1］刘雪.通信对抗盲侦察关键技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2008.

［2］向敬成，王意青，毛自灿，等.信号检测与估计［M］.北京:国防工业出版社，1990.

［3］Van Trees H L.Detection，estimation and modulation theory［M］.New York:Wiley，2001.

［4］隋丹，葛临东.突发信号盲存在性检测的两种算法［J］.信号处理，2008，24（5）:863-866.

［5］陶克飚.猝发信号的截获与测向［J］.通信对抗，2004（4）:36-39.

［6］隋丹.通信信号盲检测技术研究［D］.郑州:信息工程大学，2008.

［7］冯文江，王红霞，侯剑辉，等.一种适合突发通信的信号检测改进算法［J］.重庆大学学报:自然科学版，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稿件编号：201510078

杜亚琦（1982—），女，河北衡水人，硕士，工程师。研究方向：信号处理。