JSM信号特征及监测方法分析

2021-10-15唐艳

数字通信世界 2021年9期

唐艳

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，黑龙江哈尔滨 150010）

0 引言

随着无线电通信技术的迅速发展，信号的调制方式和通信模式变得多种多样，识别和掌握各类信号的调制方式和特征参数是无线电频谱管理中的一项关键技术。在频谱监测中，有效利用自动化监测和信号分析手段，获取信号调制方式和特征参数，对后续解调和通信信号个体识别具有重要意义。

JSM是活跃在短波水上移动业务频段的一类QPSK信号，符号率为1500 Bd。与数字选择性呼叫（DSC）、窄带直接印字电报（NBDP）和单边带无线电话（SSB）等信号不同，JSM是水上移动业务频段上的数据传输信号。短波通信是水上远距离通信的重要手段，在海事安全中发挥重要作用。掌握短波水上移动业务频段各类信号特征及频率使用情况，具有重大意义。本文简要介绍了短波水上移动业务频段常见信号类型，重点阐述了JSM信号特征及监测分析方法。

1 短波水上移动业务

1.1 频率划分

水上移动业务是指海岸电台和船舶电台之间，船舶电台之间或相关的船载通信电台之间的一种移动业务；营救器电台和应急示位无线电信标电台也可参与此种业务[1]。水上移动业务是短波频段的主要业务之一，短波通信能够为海事安全和各项航海业务顺利进行提供有力保障。短波频段水上移动业务具体频率划分见表1。

表1 短波水上移动业务频段

1.2 常见信号类型

在短波水上移动业务频段，常见的信号类型包括数字选择性呼叫（DSC）、窄带直接印字电报（NBDP）、单边带无线电话（SSB）和数据传输信号等。

全球海上遇险与安全系统（GMDSS）采用DSC方式进行遇险报警和遇险值守，在DSC完成遇险、紧急和安全报警呼叫之后，可在约定的工作方式上和工作频率上进行无线电话通信或无线电传通信，DSC对海上船舶航行安全发挥重要作用。DSC采用FSK调制方式，符号率为100 Bd，频偏为170 Hz。

NBDP也称SITOR，主要有两种工作方式，即“自动请求重复ARQ”和“前向纠错FEC”方式。ARQ 工作方式只能用于两个电台之间的双向通信，用于一般通信；FEC工作方式是一种广播性的无线电传通信方式，用于一台向一台或多台单向通信，可用于海上安全信息（航行警告、天气预报、风暴警告和搜救信息及其他紧急安全信息）的广播。NBDP采用FSK调制方式，符号率为100 Bd，频偏为170 Hz。

SSB是海上广泛采用的一种通信方式，用于远距离的船舶遇险、紧急、安全通信的值守、呼叫及各船岸有线、无线电话业务联系。水上移动业务中的话音多使用上边带传输方式（USB），带宽通常为3 kHz。

在短波水上移动业务频段，也经常出现一些数据传输信号，例如监测到的来自日本的8-Tone ASK和JSM信号。8-Tone ASK信号的每个Tone都使用ASK调制模式，两个相邻Tone的间隔为300 Hz，符号率为100 Bd。ASK即“幅移键控”又称为“振幅键控”，是一种相对简单的调制方式。QPSK即“正交相移键控”，是一种频谱利用率高、抗干扰性强的数字调制方式。

随着无线通信技术的不断发展，日本军用通信中使用JSM信号部分取代了8-Tone ASK信号[2]。

2 JSM信号特征

2.1 特征参数

JSM是日本海上自卫队使用的一种通信系统，信号从日本海上自卫队市原发射站发射。JSM具有一种独特的声音模式，当在USB解调模式下收听时，通常听起来像一个连续、重复的旋律，类似老虎机的声音，因此被称为“日本老虎机（Japanese Slot Machine）”。该信号自2001年起一直处于活跃状态，在4154、4232.5、6418、6446、8314、8589、8704.5 kHz（中心频点）等频点上全天候工作。JSM信号特征参数见表2。

表2 JSM信号特征参数

2.2 通信特点

JSM信号具有空闲模式和通信模式两种工作方式。大多数情况下，监听到的是信号的空闲模式（信号光谱图如图1所示）。空闲模式下，信号是一个完全重复的旋律，约6 s重复一次。依据信息论可知，信号的可预测性越强，它所包含的信息就越少。这个重复信号包含的信息基本上为频率、相位和识别号。有时信号偏离空闲模式，听起来更“嘈杂”，此时是通信模式（信号光谱图如图2所示），用来传输有效数据载荷。通常每小时有4到20个这样的数据传输。

图1 空闲模式信号光谱图

图2 通信模式信号光谱图

2.3 帧结构

信号的符号速率为1500 Bd。每帧由140个QPSK符号组成，图3为帧结构，帧速率为10.71428 Hz。

图3 帧结构（包含140个符号）

在空闲模式下，一帧可以看成是由五“块”组成，每块包含28个符号，其中前28个符号用于信道探测和同步，剩余的符号则是另外的四个重复“块”。Sigmira手册中对“块”中出现的一组有限的符号模式进行了定义。模式指定为：ps、p0、p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10和p11[3]。其中，“p0”模式是最常见的，“ps”模式是探测和同步模式，其余的按发生频率的顺序大致编号。空闲模式下，收听到的重复旋律由64帧的重复序列组成，64帧序列在这里称为“超级帧”，超级帧的持续时间是5.973333 s。切换到通信模式，数据传输的开始时间似乎没有规律可循，每个数据传输的长度是超级帧的精确倍数，在一个数据传输结束时，空闲模式完全按照步骤和对齐方式恢复，就好像没有中断一样。

3 信号监测与分析

3.1 监测设置

在实际监测中，JSM信号多出现在4 MHz、6 MHz和8 MHz的水上移动业务频段。JSM信号占用带宽为2 kHz，将监测接收机设置为USB模式，解调带宽调整为大于等于2 kHz，即可接收该类信号。由于JSM信号具有独特的音响特征和工作模式，对于有经验的监测人员，可根据接收机解调的信号音频和频谱特性，初步判断出是否为JSM信号。

3.2 信号存储

为了更深入地分析，通常需要对信号进行存储记录。信号存储对事后分析是非常关键的，保证录音质量是成功分析的前提。在信号存储中，需要注意以下几点：

（1）录制音频应使用与接收机直连的方式录音，不应使用麦克风等外部方式录音，避免背景噪声干扰录音。

（2）录音文件应保存为采用PCM编码的WAV文件，不应以MP3等压缩格式保存，以免丢失信息。

（3）信号存储必须将接收机的解调带宽与信号带宽相适应，否则会使信号失真，若丢失信号的某些特性，将无法正确提取信号特征信息。

3.3 分析方法

本文利用WAVECOM公司的W系列信号分析软件对信号进行离线分析，信号调制方式自动识别结果如图4所示。根据分析结果可知，信号调制方式为QPSK，符号率为1500 Bd。分析信号星座图，很容易观察到信号载波的4个不同相位，从而识别出信号的调制方式，QPSK星座图如图5所示。除使用WAVECOM公司的W系列解码软件、Go2Signal、 Go2Decode等专业信号分析软件外，还可以下载Sigmira软件对JSM信号进行分析。

图4 调制方式自动识别图

图5 QPSK星座图

Sigmira是在Windows上运行的软件无线电（SDR）应用程序，支持JSM信号解调，可显示宽带光谱、瀑布和星座图。JSM所使用的调制模式是正交相移键控（QPSK），由于其符号被进一步编码或者加密，因此无法解码。利用Sigmira软件可以识别JSM信号传输的独特的帧和序列，同时显示“帧”和原始QPSK符号，但并不是真正的解码信息。图6为Sigmira软件对JSM信号的分析结果示例。