一种Link16信号的检测识别算法*

2021-02-25黄卫英

电讯技术 2021年2期

黄卫英

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引言

Link16是一种海、陆、空三军使用的大型综合战术数据链，用于美国及北约各国军队，20世纪90年代初正式装载平台，具有容量大、保密性好、抗干扰能力强、使用灵活、功能齐全等特点，主要用于战场情报监视、电子战、任务管理、武器协调、空中交通管制、相对导航以及语音加密等[1-2]。Link16数据链在现代信息化战争中发挥着愈发重要的作用，研究和掌握Link16信号的侦察处理技术对提高军队在现代信息化战争中的战斗力具有重要意义[1,3]。

Link16信号的检测识别是实现Link16信号侦察处理的基础和关键。目前，国内高校及研究所正积极开展关于Link16信号的检测识别相关研究：文献[4]提出了基于多路并行通道接收机的多通道辐射计检测法，该检测方法对信号幅度有较强的适应能力，但存在硬件开销大的问题；文献[5]提出了一种延时相乘后分段相关处理检测法，提高低信噪比下的检测效果，但是该算法抹去了跳频图案所包含的信息，以致检测到信号后无法继续对Link16网络中多个信号进行测向和分选；文献[6]提出了一种基于谱图时频分析估计Link16跳频信号参数的算法，但是Link16信号具有快速跳频特点，谱图时频分析法能一次性分析的信号长度有限，可能无法满足实时性的要求。因此，简单、快速、资源开销小的Link16信号检测识别算法具有较高的工程应用价值。

本文借鉴双滑动窗算法在突发信号检测上的应用[7-9]，设计了一种基于双滑动窗的自适应双门限Link16信号检测识别算法。该检测识别算法具有计算简单、实时性好、易于工程实现、检测识别准确率高的特点。

1 算法设计原理

算法的基本处理思路如图 1所示，采用4个通道的宽带数字接收机接收Link16信号，输出4路宽带中频数据，对中频数据进行51路的窄带预处理得到基带数据，再对基带数据进行Link16信号检测识别，并记录检测到的信号相关参数。

图1 Link16信号侦察处理框图

1.1 中频数据窄带预处理

4通道宽带接收机的每个通道接收机带宽均为60 MHz，接收机射频中心频率控制在4个不同的频点，实现对Link16信号跳频频点的全覆盖，输出中频数据采样率fs=192 MHz，中频频率fIF=140 MHz。假设每个通道的接收机射频中心频率用a表示，通道内覆盖Link16频点个数用b表示，覆盖的Link16信号跳频频点用c表示，Link16信号跳频频点对应的中频频率用d表示，4个通道分别覆盖的Link16信号频点及该通道的接收机射频中心频率设置如表1所示。

表1 接收机的4个通道相关频率表

预处理主要是完成4路宽带中频数据的基带正交变换，得到51路基带IQ数据。本文以Link16信号的51个跳频点的任意1个频点的预处理为例，说明预处理过程。假设某跳频点信号为s[n]，对应的信号中频频率为fIF_sig，则s[n]的表达式可以写为

s[n]=A[n]cos(2πfIF_sign/fs+φ[n]) 。

(1)

分别采用两个正交本振信号cos(2πfIF_sign/fs)和sin(2πfIF_sign/fs)对s[n]进行混频处理，得到两路输出：

(2)

sI[n]和sQ[n]经过积化和差三角变换，可以得到

(3)

对sI[n]和sQ[n]进行CIC滤波抽取、CIC补偿滤波及低通滤波得到基带的IQ数据sBI[n]和sBQ[n]：

(4)

图2 Link16中频数据预处理过程

1.2 基于双滑动窗的自适应双门限信号检测识别

Link16信号检测识别主要是对预处理后的51路基带信号进行脉冲检测，得到脉冲频率编号(本文按照Link16信号的51个跳频点从低到高依次编号为0～50)、脉冲到达时间、脉冲幅度、脉宽等参数，并对检测到的脉冲进行脉内数据频谱特征分析，然后综合跳频频点特征、相邻两跳频率间隔特征、脉宽特征和脉内频谱特征是否符合Link16波形协议进行Link16信号识别。

基于双滑动窗的自适应双门限Link16信号检测算法设置了两个窗长度均为L的窗口A和B，分别计算落入窗口A和B的信号能量累积量EA和EB如下：

(5)

式中：a(n)是基带IQ数据的模值，

(6)

N为基带IQ数据长度。

定义r为窗口B和A的能量累积量的比值，即

(7)

窗口A和B在基带信号模值a(n)上进行逐点滑动。当窗口A和B只包含噪声时，比r(m)趋于恒定，当窗口B开始包含脉冲模值时，r(m)开始增大；当窗口B正好全部落入脉冲模值部分、窗口A只包含噪声模值时，r(m)取得最大；之后r(m)开始减少，当窗口A和B只包含信号时，r(m)趋于恒定；当窗口B开始落入噪声部分时，r(m)开始减小，当窗口B正好全部落入噪声部分时，r(m)取得最小值，整个过程如图 3所示。依据r(m)设定自适应的脉冲起始位置检测门限值thr1和脉冲结束位置检测门限thr2，对r值进行过门限检测，则可以实现对脉冲信号的检测及脉冲相关参数的测量。

图3 基于双滑动窗的Link16信号检测示意图

基于双滑动窗的自适应双门限Link16信号检测识别算法的具体实现过程如下：

(1)计算输入基带IQ数据的模值，其可以表示为a(n),n=1,2,…,N。

(3)计算Link16脉冲检测的自适应双门限thr1和thr2。双窗能量比值r(m)只与信号的信噪比有关，为了提高脉冲检测门限对不同信噪比信号的适应性，根据r(m)自适应地计算双门限thr1和thr2，脉冲起始位置检测门限thr1取r(m)的最大值的0.3倍，脉冲结束位置门限thr2=1.3/thr1。

(4)按照上述门限thr1和thr2，对r(m)进行过门限检测，并判断测量脉宽是否在6～7 μs范围内，如果成立则记录该脉冲的脉冲频率编号、脉冲到达时间、脉宽和脉冲幅度，不成立则进行舍弃。

(5)为了减少虚警，剔除上述检测到的脉冲中脉冲幅值比最大脉冲幅值小10 dB以上的脉冲并对到达时间相差较小的脉冲进行合并。

(6)对检测到的脉冲进行脉内频谱特征分析：截取检测到的脉冲的脉内数据进行平方谱运算，然后在平方谱的±2.5 MHz频率位置左右一定范围内搜索单频谱线。另外，计算检测到的脉冲相邻两跳频率间隔绝对值。

(7)综合上述分析得到的跳频频点特征、相邻两跳频率间隔特征、脉宽特征和脉内频谱特征是否符合Link16波形协议进行Link16信号识别。

2 算法仿真分析

为了验证本文设计的Link16信号检测识别算法的性能，采用Matlab对其进行仿真验证。本文根据Link16通信协议和表 1的频段划分仿真模拟产生接收机输出的4路宽带中频信号，中频采样率为192 MHz，中频频率为140 MHz，数据封装结构为STSP(Standard Single Pulse)结构；脉冲传输方式采用单脉冲方式，脉冲周期为13 μs，脉冲宽度为6.4 μs；按照相邻跳频频差在30 MHz以上的原则随机产生跳频图案，信号中加入高斯白噪声，信噪比设置为10 dB，共产生单个时隙258个脉冲。图 4是生成的第1路宽带中频信号的一段时域波形图。

图4 第1路宽带中频信号时域波形图

图5是图4所示的这段宽带中频数据针对969 MHz跳频点进行预处理后的基带IQ数据模值图。由图5可知，相邻信道频谱交叠而引入的邻道干扰的脉内幅度波动比较大，而Link16脉冲信号脉内幅度平坦。进行基于滑动窗的脉冲检测，双窗能量比值r计算结果如图6所示。从图6可以看出，Link16脉冲信号位置的比值r符合图3的理论分析，而邻道干扰位置的r值在检测到上升沿之后的恒定段波动大，因此所测量脉宽将远小于6 μs。另外，图6中还标出了噪声干扰引起的过门限脉冲，通常所测的脉宽值也将远小于6 μs，因此通过算法中的脉宽筛选条件可以剔除这些虚警。图6中检测到的脉冲信号的相关参数值如表2所示，包括频点编号、脉冲起始点位置、脉冲幅度和脉冲宽度。从表2可知，所提检测算法能够有效地实现Link16脉冲信号的检测。

图5 预处理之后的基带IQ数据模值

图6 双窗能量累积量的比值

表2 检测到的脉冲参数记录表

对51路基带IQ数据均运用上述检测算法，共检测到时隙内256个脉冲，脉宽测量均值为6.443 μs，与Link16波形协议规定的6.4 μs脉宽值误差仅为0.044 3 μs。图7为不同信噪比下的一个时隙内Link16信号检测脉宽测量均值。从图7可知，信噪比在4～15 dB范围内，最大的脉宽测量均值误差绝对值Δt=0.155 3 μs。因此，在信噪比4～15 dB范围内时，只要脉宽测量均值误差绝对值小于Δt就可以认为其符合Link16信号的脉宽特征。

图7 不同信噪比下的脉宽测量均值

选取上述检测到的脉冲进行脉冲内频谱特征分析，脉内数据的平方谱如图8所示。从图中可以看到，在平方谱的±2.5 MHz频率处分别存在一根明显的单频谱线，这符合Link16信号在脉内采用码速率为5 Msymbol/s的MSK调制的典型频域特性。对检测到的所有256个脉冲按脉冲到达时间排序后计算相邻两跳频率间隔绝对值图，可知相邻两跳频率间隔绝对值都大于等于30 MHz，符合Link16信号的宽跳频特征，图 9为前100跳的相邻两跳频率间隔绝对值图，图中虚线对应30 MHz。综合上述分析得到的跳频频点特征、相邻两跳频率间隔特征、脉宽特征和脉内频谱特征，可以判定属于Link16信号。