小波变换在S模式二次雷达信号分析处理中的应用*

李 冰,2，高 勇

(1.四川大学 电子信息学院，成都 610065;2.解放军61398部队，上海 200137)

1 引 言

二次雷达(Secondary Surveillance Radar，SSR)是敌我识别系统(Identification Friend or Foe，IFF)的重要组成部分。目前已知的SSR装备共分Mark X、Mark XII、Mark XIIA 3代[1],1、2、3/A、4、B、C、D、S、V 9种信号模式。研究SSR信号细微特征，实现SSR信号快速、高效地检测、识别和处理，具有重要的军事和民用价值。

在Mark XII的基础上扩展的S模式提高了整个识别系统的效率和安全性，成为近年来该领域中讨论的热点。传统的SSR信号分析工具以傅里叶变换为主[2]，受其时频分析能力的限制，往往造成分析和处理结果的精度和效率不高，之后采用的短时傅里叶分析也只能在一个分辨率上进行，对很多应用不够精确，存在较大缺陷。而小波分析则克服了短时傅里叶变换在单分辨率上的不足，具有多分辨率分析的特点，在时域和频域都有表征信号局部信息的能力，时间窗和频率窗都可以根据信号的具体形态动态调整。为此，本文以S模式询问、应答信号为例，探讨了如何利用小波变换对SSR信号进行分析，从而实现SSR信号的有效处理。

2 S模式询问、应答信号格式

当信号接收机检测到信号的存在，就需要进一步确定信号的类型，判断是否属于SSR信号，并区别哪种模式。

如图1所示，S模式询问信号由P1、P2、P6 和P5 4个脉冲组成[2]。传输数据采用了差分相移键控(DPSK)调制方式，二进制数据“1”表示载波相位翻转180°，二进制数据“0”表示载波相位不翻转[3]。

图1 S模式询问信号格式

如图2所示，S模式应答信号由同步头和数据块组成，其中，同步头由4个脉冲组成。在传输过程中，包括56 bit或112 bit两种传输格式，每比特持续1 μs。在1 μs内，既可以在前半比特也可以在后半比特间隔发射一个宽度为0.5 μs脉冲:一个脉冲后跟一个无脉冲表示二进制数据“1”;反之，一个无脉冲后跟一个脉冲表示“0”，即采用了二进制振幅键控(ASK)的调制方式[3]。

图2 S模式应答信号格式

3 传统信号识别、处理方法

为识别信号的种类，首先要确定脉冲门限的大小，用于检验脉冲的存在。随后，需要进行有效脉冲判断、脉冲中心检测等步骤，从而实现信号报头检测。

3.1 脉冲门限的产生

如果一个采样点的幅度值高于门限，且其随后连续的N个样点或更多样点都在门限以上，那么这个采样点就是一个有效脉冲位置[4]。如果采样频率为10点/微秒，那么设N=3。这样定义的目的是，至少存在4个连续样点高于门限，信号在门限之上维持至少0.3 μs，于是可将其判定有一个脉冲。

3.2 脉冲中心检测

信号在传输过程中会受诸多因素的影响，在脉宽测量有误差的情况下，上升沿与下降沿必然同时偏移，而此时脉冲中心却不会有变化[2]。对于脉冲中心位置的检测可以减小脉宽检测误差带来的不利影响，从而利用信号脉冲特征对信号进行辅助判断。

3.3 报头检测

传统报头检测首先将接收数据对数化，再经丢弃微弱信号后进行报头脉冲检测，通过计算参考值，分别进行微秒测试(时间测试)、功率一致测试(检验4个报头峰值)和DF确认(检验数据块前5位脉冲幅度峰值)判断是否通过所有验证，再经重触发(寻找后续报头)等过程进一步鉴别报头的有效性[4]。

3.4 询问、应答信号的解调

图3(a)为传统的DPSK解调流程图，抽样判决器的准确性和复杂度将影响整个解调的效率。另外，传统的ASK解调流程如图3(b)所示[3]。

(a)传统DPSK信号解调流程

(b)传统ASK信号解调流程

4 基于小波变换的S模式信号分析

对图4(a)中S模式应答信号，利用傅里叶变换虽然可以发现频谱中频率的变化，但由于不具有时间分辨力，所以不能检测信号的间断点,如图4(b)，信号中的突变部分和奇异点等不规则部分通常包含重要的信息[5]。利用小波变换，可以在时间域清晰地区分信号的跃变节点，从而计算信号的持续时间。利用Matlab工具箱中提供的db6小波，对应答信号进行小波分解时，观察图4(c)中第一层小波分解高频系数，可以非常清楚地观察信号的不连续点，即频率变化点，这是因为间断点包含了高频信息。同样，对S模式询问信号进行傅里叶变换仍不能检测信号的间断点，且进行小波分解时，也有相同的效果。

(a)S模式应答信号

(b)应答信号的傅里叶变化

(c)第一层小波分解高频系数

图5 改进的信号脉内识别流程图

在确认有效脉冲后，读取报头对应高频系数数据，取模后与参考峰值比较，找出对应的信号变换时间节点，若峰值间距为0.8 μs(误差为±0.1 μs)，则判为S模式询问信号；若为0.5 μs(误差为±0.1 μs)，则判为应答信号。改进后的信号识别流程如图5所示。

5 S模式信号处理

对于S模式信号格式，采用二进制振幅键控(ASK)和二进制差分相移键控(DPSK)两种调制方式，数据传输速率为4 Mbit/s。因此，两种调制信号的区分、两种调制信号的解调、同步相位翻转点的判决，均是S模式信号识别、处理的技术难点。

5.1 S模式询问信号DPSK解调

区别于传统的信号解调方式，对图6(a)询问信号进行小波变换后可以进行数据解调。对含噪S模式询问信号进行小波变换，仿真结果如图6(b)所示。

若令原信号幅度为A，则通过计算图6(b)中d1系数137～156点之间的幅值，发现其模极大值接近Z1信号幅度(A)0.7倍时指示的时间位置是频率发生变化的时间节点，体现了DPSK信号调制特征。通过图7的解调算法，可以根据信号d1的极大值，得到解调数据为“1 0 1 1 0 1 0”，即可恢复出传输的有效数据。

(a)含噪S模式询问信号

(b)第一层小波分解高频系数

5.2 S模式应答信号ASK解调

如图8(a)，对Z2信号进行小波变换可精确地提取信号变化时间位置信息，通过查找位置信息，可实现ASK解调。

图7 小波解调DPSK算法

(a)含噪S模式应答信号

(b)第一层小波分解高频系数

仿真中，通过逐渐提高信噪比，得到d2幅度极大值接近于信号幅度(A)的0.4倍，解调算法如图9所示。

图9 小波解调ASK算法

具体解调步骤如图10所示。

图10 根据判决位置进行ASK解调

通过仿真可知，在高频系数d2的170～320点之间，根据图8(b)中系数的模极大值，可得图10中解调数据[a]，再经两两求和，得到解调的数据[f]与原始信息“0 0 1 0 0 1 1 1”相同，即实现解调。

6 结束语

空中交通管制和战场目标监测是敌我识别器的两个重要应用，具有广阔的应用前景。敌我识别信息既可以依托战术数据链进行传输，也可独立存在于单个识别系统中[6]，由此产生的各类研究领域日益广泛，特别是在电磁频谱环境复杂多变的情况下，如何正确检测敌我识别信号的存在，高效处理和分析信号，并对信号加以利用，成为研究的主要方向[7]。不同于传统时频分析工具，小波变换在时、频域可表征信号局部特征，并能进行多分辨率分析，因此被誉为“数字显微镜”。利用小波分析方法解决工程问题具有广阔的应用前景。本文通过粗浅的分析，探讨了敌我识别S模式信号的检测方法，提出了其DPSK和ASK两种调制方式的解调算法，有助于拓宽分析处理该类信号的途径。由于试验条件所限，仿真环境与真实电磁环境相去甚远，各种算法效果仍需在实际条件下进行验证。

参考文献：

[1] 张尉.二次雷达[M].北京:国防工业出版社,2009.

ZHANG Wei. Secondary Radar [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009. (in Chinese)

[2] 钱眺.IFF信号的分析与识别研究[D].南京：南京信息工程大学,2008.

QIAN Tiao. IFF Signal Analysis and Recognition [D]. Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology, 2008. (in Chinese)

[3] 姚元飞,佟力,严国荣.S模式机载应答机的中频数字化处理[J].电讯技术,2009,49(6):70-73.

YAO Yuan-fei,TONG Li,YAN Guo-rong.IF Digitization Processing of Airborne Mode S Transponders [J].Telecommunication Engineering,2009,49(6):70-73.(in Chinese)

[4] 陈士毅.模式S应答处理中的数据处理[D].成都：电子科技大学,2006.

CHEN Shi-yi. Mode S reply processing in the data processing [D]. Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2006. (in Chinese)

[5] 周伟.MATLAB小波分析高级技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.

ZHOU Wei. MATLAB Wavelet Analysis Advanced Technology [M]. Xi′an: Xidian University Press, 2005. (in Chinese)

[6] 修小林,时宏伟,王越.对雷达敌我识别系统中若干问题的研究[J].电讯技术,2002,42(2):1-7.

XIU Xiao-lin, SHI Hong-wei, WANG Yue .Study on Problems in Radar IFF System [J]. Telecommunication Engineering,2002,42(2):1-7. (in Chinese)

[7] 兰鹏.S模式与军用敌我识别[J].电讯技术,2006,46(3):139-143.

LAN Peng.Mode S and Military IFF[J]. Telecommunication Engineering,2006,46(3):139-143. (in Chinese)