一种改进的Link16信号检测方法

薛 燕,高春芳,杨 欣

(1. 中国电子科技集团公司第三十六研究所, 浙江 嘉兴 314033)(2. 嘉兴职业技术学院, 浙江 嘉兴 314036)

0 引 言

Link16是美国各军种和北约国家通用的重要战术数据链,在近些年几场局部战争中体现出了高效整合战场资源和共享信息的能力[1]。Link16是作战指挥和武器控制系统使用的主要数据链,主要用于机载、陆基和舰载作战平台之间的战术信息实时交换,是信息化战争中的粘合剂,也是战斗力提升的倍增器。作为Link16信号侦测处理的基础和前提, Link16信号的检测识别工作具有重要的现实意义。

不少文献对Link16信号检测方法进行了分析研究。文献[2]设计了一种基于双滑动窗的自适应双门限Link16信号检测算法,该检测识别算法具有计算简单、实时性好、易于工程实现等特点,但是在低信噪比(小于7dB)情况下,检测效果并不理想。文献[3]提到倍频相关检测法,虽然提高了低信噪比下对Link16信号的检测能力,但是需要截获足够脉冲时,才能达到有效的检测效果,无法满足外场数据实时采集处理的要求。因此,迫切需要研究开发出一种实时性高并且能在低信噪比下有较高检测能力的Link16信号检测算法。

本文借鉴双滑动窗算法在突发信号检测上的应用,设计了一种基于相关处理的双滑动窗Link16信号检测方法。该方法具有检测概率高、实时性强、简单易实现等特点,且在较低信噪比环境下,也具有较好的检测性能。

1 Link16信号特征

Link16信号采用混合扩频通信方式,瞬时3 dB带宽为3.5 MHz,信号在960 MHz～1 215 MHz范围内按照伪随机方式进行跳变,跳频速率为76 923 Hop/s,为避免对原有系统的干扰,实际跳频频点分布在969MHz～1008MHz、1053MHz～1065MHz和1113MHz～1 206 MHz三个频段上,51个跳频点按照3 MHz的间隔平均分布在工作频带,前后两频点的最小间隔为30 MHz[4]。

Link16信号采用时分多址技术,信号的基本单位为时隙,Link16 每个时隙发射的信息构成一条信息,每个脉冲的宽度为6.4 μs,是以一个码片宽度0.2 μs的32位经过RS(32,15)编码后的伪随机序列作为调制信号对载频做MSK调制而形成的[5]。

2 对Link16信号检测原理

Link16信号检测识别主要采用的是基于自相关处理的双滑窗自适应门限检测方法,该方法对突发信号检测具有较高的检测性能,适合实时处理和工程应用。自相关处理[6]可以有效抑制信道化带内噪声,提高对窄带突发信号的检测灵敏度。由于输入数据为宽带信号数据,需要经过预处理完成宽带数据的基带正交变换,获取基带IQ数据。预处理过程包括采用多线程程序设计实现同时对51个跳频频点信号的控守,根据宽带信号起始频率、带宽及采样率等参数信息,设置频谱搬移的频偏值。然后对频谱搬移后的宽带IQ数据进行迭代滤波[7],获取针对特定跳频频率的窄带信号。对窄带信号再进行基于自相关处理的双滑窗自适应门限检测,并对检测到的信号进行脉内分析,利用MSK信号调制特性,获取Link16信号特征参数。检测流程如图1所示。

图1 Link16信号检测处理流程图Fig.1 Flow chart of Link16 signal detection and processing

2.1 Link16信号数据模型

对Link16信号参数的测量主要依靠对Link16信号频谱特征的分析来实现,Link16信号的调制方式为MSK调制。MSK信号具有相位连续、包络恒定并且带宽占用小的优点[8],与其他调制样式相比,比如BPSK调制方式,恒包络调制的MSK具有极低的旁瓣能量,所产生的频谱集中度更高,能量主要集中在3 MHz频谱的带宽之内。

MSK调制信号在跳频调制前的一个脉冲三角展开表达式为

Ik=±1,Qk=±1

(1)

式中:Tb为码元宽度;fc为载波频率。MSK调制信号的频谱上不存在独立的频率分量,所以利用MSK信号的频谱特征去实现检测识别算法研究是行不通的。尝试对式(1)进行平方运算,进一步研究MSK信号的平方谱谱线特征。

S2(t)MSK=0.5+0.25cos2(2πfL)t+0.25cos2(2πfHt)+

(2)

由式(2)可知,将MSK信号进行平方运算后,平方谱信号包含有三个相对独立的频率分量,分别表示为2fL、2fH和2fc,对S2(t)MSK快速傅里叶变换得到幅度谱图,并对幅度谱进行分析。可以看出,幅度谱图上包含三根峰值谱线,分别对应为2fL、2fH和2fc的位置,其中2fL和2fH对应谱线间的距离刚好等同于码元传输速率。

2.2 双滑动窗口检测的流程和步骤

所谓的双滑动窗口[9]检测基本思想为二元假设检验,设计前后相邻两个窗口,且两个窗口的长度大小为L,窗长度L的选取需要综合考虑 ,L选取过大会导致脉宽测量精度误差大,L选取过小会受突发噪声干扰影响而产生虚警。结合理论脉宽对应的点数N=6.4×10-6×fs,其中fs为采样率,实验表明L设置为点数N的八分之一比较合理。初始状态时,设置两个窗口的距离为窗口长度L的一半。假设将两个窗口命名为窗口A和窗口B。在比较两个窗口的能量时,首先要分别计算窗口A和窗口B内信号经过预处理后,再进行自相关处理的值,当两个窗口在经过相关处理后的数据上进行滑动的时候,落入两个窗口的能量分别为EA和EB,表示方法如下

(3)

式中:R(n)表示自相关处理后的值

Rx(n)=E(x(k)*x(k+n)),

n=1,2,3,…,N

(4)

式中:N为数据长度。

定义m为窗口B的能量值与窗口A能量值的比值,可以表示为式(5)

(5)

窗口A和窗口B从初始位置开始滑动,当两个窗口都只包含噪声能量时,EA和EB是相对恒定不变的,它们的比值m也是恒定不变的。两个窗口在滑动过程中,信号相关峰值逐渐进入窗口B中,窗口B的能量值EB逐步增大。如果此时窗口A还是只包含噪声能量,两个窗口能量比值势必要也逐步增大,如果窗口B滑动到刚好完全包含信号相关峰值时,并且窗口A还是只包含噪声能量,那么两窗口的能量比值m将在此时达到最大值,此时即为突发信号的起始时刻。再往后窗口A也渐渐包含信号相关峰值,窗口的能量比值m也逐渐变小,直到窗口A完全包含信号相关峰值,窗口B只包含噪声时,窗口的能量比值m达到最小值。双滑动窗口检测的一个完整周期如图2所示。

图2 双滑动窗口检测流程图Fig.2 Flow chart of double sliding windows detection

根据上面的双滑动窗口的流程图,算法的具体步骤如下:

(1) 首先,在窗口A和窗口B中使用相同的宽带脉冲信号长度L,然后标识窗口A的起始和终止位置为Astart、Aend,窗口B的起始和终止位置为Bstart、Bend,其中选取窗口A的中心位置在L/2处,窗口B的中心位置在L处。

(2) 将窗口A和窗口B滑动到(1)中设置的对应位置,分别对两个窗口内宽带脉冲信号进行自相关运算,并计算出此刻窗口A 和窗口B的能量EAsum和EBsum。

(6)

(7)

(3) 比较:如果EAsum和EBsum满足以下条件,可以推断出在窗口B中可能存在一个突发信号。

(8)

式中:threshold1=value×factor,其中value是经验值0.35,factor为随窗口大小而变化的优化因子,在窗口大小达到最小值时达到最大,即为窗口的能量比值的最大值。

(9)

式中:threshold2=1.4/threshold1。

(4) 如果不满足式(8),继续同时向前滑动窗口A和窗口B,且滑动步进一致,为当前两窗口大小的一半,按照步骤(2)和步骤(3)继续计算和比较,直到满足式(8)。

(5) 如果满足式(8),且窗口大小未达到最小值,应该再次将窗口A和窗口B的大小减半,同时改变factor因子,然后按照步骤(2)和步骤(3)计算和比较,从满足式(8)位置继续搜寻突发信号。

(6) 如果窗口大小已经达到最小值,说明已经找到了突发信号,并且能够确定突发信号的起始位置,继续滑动窗口A和窗口B,按照步骤(2)和步骤(3)计算和比较,直到满足式(9)时,找到突发信号的终止位置,至此该算法一个信号检测周期结束。

(7) 通过以上步骤可以检测到突发脉冲信号的起始和终止位置,结合信号采样率可以计算检测脉宽,如果检测脉宽满足在Link16信号脉宽大小一定范围内波动,即6.4 μs±0.2 μs,则可初步判定满足Link16信号特征,将检测到的突发脉冲信号保存下来进一步分析,否则直接丢弃。

(8) 对检测到的信号结果MSK信号调制特征对脉内频谱特征进行分析。目前,对MSK调制方式的识别研究多是基于循环谱的信号检测方法[10-12],该方法主要利用了MSK自身循环平稳信号的特征,对有限的数据进行采集后,再实现谱相关运算,但此方法只可以对MSK信号的参数值做估计,并不能识别出信号采用何种调制方式,而且限制数据采集量。为了达到快速识别检测MSK信号的目的,通过分析信号平方谱的谱线特征,提取调制信号识别特征参数的方式,可以达到良好的效果。

3 算法性能分析实验

本实验主要用于对基于宽带数据的Link16信号的检测,并利用Matlab对实验结果进行仿真验证。输入数据由SMJ100A信号发生器发送,并通过4通道宽带接收机接收采集,输出为4路宽带中频数据。为了模拟信号的真实性,信号中添加-6 dB～10 dB自定义信噪比的高斯白噪声。

4通道接收机的各个通道的采样带宽可以设置为60 MHz、80 MHz等,和模拟前端设备有关,根据Link16信号频点分布特征,每个通道对应的射频中心频率通过前端设备控制在不同的频点,实现截获在51个跳频点上伪随机跳变的Link16信号,输出特定采样率的宽带中频信号,采用P4SP结构的数据封装结构,脉冲输出采用单脉冲模式,脉冲周期和宽度分别为13μs、6.4 μs,单个时隙包含有444个脉冲。如图3所示,为宽带中频信号的一段时域波形图,图中时域波形图包含4个时隙,局部放大图即为包含单时隙444个脉冲的时域波形图。

图3 宽带中频信号的时域信号图Fig.3 Time domain signal diagram of wideband IF signal

图4是在图3所示的宽带中频数据中截取一个时隙信号数据,在每个通道中心频率的基准上,针对51个跳频频点,分别移至原来的零频率位置,做窄带迭代平滑滤波,降采样处理后的基带IQ数据幅值图。由于滤波器带宽选择大于相邻两跳频率间隔3 MHz,所以在滤波器带宽内存在由相邻信道的频谱交叠而引入的邻道干扰。在图4中可以看到局部放大图中共包含四段脉冲信号,其中第二段脉冲信号的幅度值最大,正是需要获取分析的跳频通道信号,其他几段脉冲信号则为相邻跳频通道的干扰信号。

图4 基带IQ数据幅值图Fig.4 Baseband IQ data amplitude graph

为了将本信道信号截取出来,进行后续的MSK调制的识别算法研究,本文采用双窗滑动相关的信号检测算法检测到本信道信号的起始和终止位置。检测结果如图5所示。在图5中选取一个脉冲信号检测结果的局部放大图,可以观察到信号检测结果中存在明显的Link16脉冲信号m值峰值,通过图5中门限threshold1和threshold2即可确定本信道脉冲信号脉宽是否在6.4 μs±0.5 μs范围内。通过找门限threshold1和门限threshold2之前的m值峰值即可找到信号起始位置,终止位置即为两个threshold2之间的波谷位置。通过脉冲信号起始和终止位置并结合脉冲信号采样率即可计算出信号带宽大致为6.4 μs,满足Link16信号的脉冲宽度特征。同时通过两个相邻脉冲信号检测结果中峰值位置,可以获取两个脉冲信号之间的距离,结合脉冲信号采样率,即可计算出脉冲信号周期为13 μs,满足Link16信号的脉冲周期和占空比特征。根据各个脉冲信号的起始和终止位置可将脉内数据截取保存下来,用于后续MSK调制模式信号的识别。

图5 基于相关处理的双滑动窗信号检测结果Fig.5 Signal detection results of double sliding windows based on correlation processing

我们用三个参数来说明该测试方法的有效性,召回率Recall、精确率Precision、准确度Accuracy。三个参数值越高,检测效果越好。在式(10)中,correct为正确检测次数,missed为漏检测次数,wrong错误检测次数,total为总检测次数。

(10)

(11)

(12)

在不同信噪比下,运用改进算法对一个时隙内所有444个脉冲信号进行处理后,我们可以得到Link16信号检测结果的三个参数,表1所示是不同信噪比下测试样本和使用改进算法后的测试结果。

表1 测试样本和检测结果Tab.1 Test samples and test results

从表1的实验结果分析来看,可以发现该算法对信噪比-4 dB以上的测试样本检测效果是比较理想的,特别是信噪比为2 dB和4 dB的测试样本,能够完全检测出一个时隙内的所有脉冲,召回率Recall、精确率Precision、准确度Accuracy均能达到100%。同时也可以看到,随着样本信噪比减小,正确检测次数也随之减小,漏检测次数和错误检测次数随之增加,当信噪比在-6 dB以下时,召回率Recall、精确率Precision、准确度Accuracy均低于99.5%,检测结果不十分理想。

对一个时隙内所有444个脉冲信号运用改进后的检测算法,在不同信噪比下检测Link16信号脉宽测量均值。图6为两种算法情况下,信噪比在-10 dB～10 dB范围内的脉宽测量值对比图,可以看出使用双滑窗自适应双门限算法,信噪比在7 dB以上时,脉宽测量值精确率能达到95%以上,但是当信噪比在7 dB以下时,测量精确率直线下降,在信噪比为5 dB时,测量精确率只能达到75%左右。反观改进后的基于相关处理的双滑动窗算法,当信噪比在-6 dB以下时,脉宽测量值误差较大,最大可超过0.4 μs,但测量精度也在90%以上;在-6 dB～10 dB范围内的脉宽测量值误差较小,在0.02 μs以内,测量精度也在99%以上,其中在信噪比大于-2 dB以后,脉宽测量值较为稳定。实验结果表明本检测算法性能较高,可以准确检测出符合Link16信号脉宽特征的信号。

图6 两种算法计算脉宽测量值对比图Fig.6 Comparison diagram of pulse width measurements calculated by the two algorithms

对脉内信号取平方后分析其幅度谱,基本处理流程如下:

(1) 利用波峰识别检测算法,对幅度谱进行分析,如果检测到至少两条峰值谱线,则认为符合MSK信号的调制特征,将继续后续分析处理,否则将终止分析流程,判定为非MSK信号,进而否定其为Link16信号的可能性;

(2) 假如在步骤(1)中识别检测到两条明显的峰值谱线,将这两个特征峰对应频点分别表示为f1、f2,并且满足等式f2-f1=1/Tb,如果两个特征峰中心位置处还存在有一条有效信道载频谱线,即可以判断出待测信号具备MSK数字调制信号特征。

截取检测到的脉内信号平方的幅度谱如图7所示:信号的平方谱中包含两根相对明显的谱线,将两根谱线对应频点表示为f1=2fL和f2=2fH,在两条谱线对应的频点连线中心位置处有一根谱线,此根谱线对应频点刚好为两倍载频2fc,根据上述这些关系很容易获取MSK调制的码速率大小。 根据MSK信号码速率计算公式Rb=(f2-f1),从Rs=Δn×fs/N计算结果可得码速率为5 Msymbol/s,其中fs为采样率,N为总采样点数,Δn为两条谱线之间的采样点数, 符合Link16脉内采用码速率为5 Msymbol/s的MSK调制的典型频域特性。

图7 脉内信号平方的幅度谱Fig.7 The square spectrum of Intra-pulse signals

至此,可以判断本跳频通道有信号,并且为Link16信号,通过脉冲内频谱特征分析,进行MSK调制方式的识别,估计出调制参数,完成了对宽带信号中Link16目标信号的截获识别。

4 结束语

本文重点研究基于宽带数据检测识别Link16信号,并根据MSK信号调制特征估计调制参数的方法及其流程,提出了基于相关处理的双滑动窗的Link16信号检测方法,同时完成了MSK调制信号的检测识别算法研究。所提算法在特定信噪比环境下具有较好的目标信号检测性能。相较于双滑动窗自适应门限Link16信号检测方法,改进后的基于相关处理的双滑动窗检测算法明显提高了在低信噪比下对Link16信号的检测能力。