直扩信号特征提取技术

陈 强,马 媛,牛景昌

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.石家庄信息工程职业学院,河北石家庄050035)

0 引言

直接序列扩频(DSSS)信号被认为是一种低截获概率信号(LPI),由于具有低功率谱密度发射的隐蔽性、伪随机编码的保密性以及信号相关处理的抗干扰性等良好的性能,被广泛应用于航天测控、导航等多个领域。因此对直扩信号检测和截获技术的研究已成为一个刻不容缓的研究方向,而对于未知扩频码的情况下直扩信号的检测和截获技术一直是一个难题。

从直扩系统的基本原理和信号特征入手,详细分析了信号的相关性、循环平稳特性、频域正交性和准周期性等。根据特征提取的原理分析归纳出其可检测性和可识别性特征,选择出那些能够集中表征DSSS信号波形和频域显著个体特征的参数,研究了噪声对信号特征参数的影响。在此基础上应用时域相关、循环谱、倒谱和高阶累积量等现代数字信号处理技术实现了对DSSS信号特征参数的提取。分析总结了在低信噪比下直扩信号的特征提取方法,并比较了各种方法的优缺点。

1 直扩信号特征提取方法

1.1 时域相关检测法

由于信号和噪声在时域相关域有明显的特征差异,所以可以在相关域完成信号特征的提取。自相关检测是将信号与自身延迟一个时延后的信号做相关处理,或用双通道接收机的输出进行相关,得到扩频信号的自相关函数。一般来说,相关域检测能在一定程度上降低对背景噪声变化的敏感程度,甚至在多频单音干扰下也有良好的稳健性。

接收信号r(t)=s(t)+n(t)的自相关函数为:

当τ≠nNTpn时,由直接序列扩频信号的自相关特性可知,Rss(τ)值很小,即不会出现明显的相关峰 ;当 τ=nNTpn时,Rss(τ)出现明显的相关峰 ;而噪声在τ≠0时,Rnn(τ)≈0。因而,通过检测输出自相关函数的峰值可检测到扩频信号的存在,检测相邻相关峰之间的时间间隔可以实现对直接序列扩频信号码周期的估计。

1.2 循环谱检测法

循环谱在信号特征提取方面的突出优点是谱分辨能力强,即使在频率轴上的功率谱是连续的,信号特征也以循环谱的形式离散的分布在周期频率轴上,而且,不同调制方式的信号其周期谱分布也不同。这样,即使信号在时域或频谱域中混叠在一起的特征可能会在循环谱中显现出来,从而更充分的提取信号特征。直扩信号循环谱如图 1所示。

由图1可见,直扩信号的循环谱在循环频率 α为零和不为零时均有峰值出现,其在循环频率α不为零时出现的非零值,是直扩信号检测和参数估计的依据。要得到信号的循环谱需要大量的运算量,计算结果的数据量也很大。为了尽可能集中地反映信号的特征,缩小选取的数据量,选取DSSS信号循环谱f=0循环频率切面观察发现:其切面集中反应了信号的载频和伪码速率信息。所以,利用谱相关函数可提取调制信号的特征参数;另外,循环谱为谱分析提供了更加丰富的信号分析域,将通常的功率谱定义域从频率轴推广到频率—周期频率双频平面,更明显地表现出了信号的特征。

图1 直扩信号循环谱

1.3 倒谱检测法

由于DSSS信号中伪随机序列的周期重复,使信号的频谱具有了准周期性,而噪声则没有准周期性,因此通过提取信号频域的准周期性可以检测到信号的存在,并估计其参数。

倒谱是一种同态信号处理技术,利用信号中某些分量在频率域上的准周期性,对信号的对数功率谱再求功率谱,在伪时域或倒频率域上将这种周期性显现出来,用来分离和提取密集泛频信号中的周期成分。倒谱是从时域到频域、频域到频域、频域到伪时域的3次映射。即

倒谱的对数变换可将乘性噪声变为加性噪声,有助于消除乘性干扰。该技术充分利用信号频域上的准周期特性,检测淹没在噪声之中的信号分量,实现信号的检测和参数估计。直扩信号倒谱如图2所示。

将DSSS信号的表达式代入上式,即对直扩信号频谱求对数功率谱得到DSSS信号的倒谱为:

式(3)第1项为信号的直流分量,以后各项为信号的自相关函数及多个自相关函数的卷积,由于在第2次傅里叶变换之后取模的平方所以丢失了相位信息,相关结果在其伪码周期的整数倍处出现峰值,而在其他位置相关值较小,因此,倒谱的处理结果中峰值也是出现在伪码周期的整数倍处,通过检测峰值有无判断信号的存在,通过计算峰值间隔可以估计出伪码周期大小。

1.4 高阶累计量检测法

直扩信号的4阶统计量包含扩频码周期和载频信息,而且理论上可以完全抑制任何形式的高斯噪声,因此可以解决二阶统计量不能解决的问题。加噪信号的4阶累积量为:

由式(4)可以看出利用接收信号的4阶累积量可以检测到直扩信号的周期信息;理论上可以完全抑制高斯噪声(包括有色和白色),所以有更好的检测性能。由于4阶累积量的计算量很大,为了实现工程应用,取其切片。

由式(5)和式(6)可以看出,接收信号的4阶累积量切片均包含扩频码周期自相关信息,并且在理论上都可以完全抑制高斯噪声,因此检测和参数估计性能较好。直扩信号4阶累积量切片如图3所示。

图3 直扩信号4阶累积量切片

2 仿真验证

仿真假设条件如下:①待检测信号为DSSS/BPSK扩频信号;②扩频码采用小m序列,扩频码长为1 023。

各种检测方法的性能如表1所示。由以上分析表明,运用时域相关检测法算法简单、检测时间最短,但是其检测性能较差,在带内信噪比为-8 dB时检测概率大于90%;循环谱检测法性能比时域相关检测略好;倒谱检测法在带内信噪比-14 dB时检测概率91%,计算复杂度居中;高阶累积量检测法在带内信噪比-15 dB时检测概率接近90%,但是由于高阶累积量计算的复杂性使得其检测时间较长。

表1 各种检测方法性能比较

3 结束语

从理论分析还可得出直扩信号的检测不仅和信噪比有关,而且有赖于伪码长度和检测数据长度等因素,在伪码长度不可控的情况下,增加检测的数据长度,能够改善各种方法的检测性能。由于直扩信号的隐蔽性,导致难以检测到长码扩频信号,如何在扩频码很长,接收信号不足一个伪码周期情况下侦察信号是未来直扩信号检测和特征分析的难点和重点。

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