2FSK信号宽带识别算法分析

刁文静,张志勤

(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.中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄050200)

0 引言

传统的信号分析识别算法大多是针对窄带接收机的,也就是说,接收机带宽内仅存在一个信号,并且假定了一个信号样式集进行分类识别;但是,针对宽带接收机的信号侦察识别算法,即从进入宽带接收机信道的众多个信号中分拣出指定的某种信号的相关算法报道甚少。而宽带接收机具有搜索速度快、设备量小等优点,尤其在军事情报侦察和电子对抗方面应用越来越广泛,因此,研究宽带信号的自动侦察算法是电子对抗的一个重要课题。低速率2FSK是短波信道中一种常用的调制方式,比如美/法/俄的KG-84信号(75 baud,频偏425 Hz)和俄国的6512信号(81 baud,频偏500 Hz)都是2FSK调制方式,在深入分析2FSK信号特征和宽带接收机特征基础上,针对低速率2FSK提出了一种宽带自动识别和参数测量算法,下面给出详细的分析。

1 2FSK信号特征

在二进制频移键控中载波频率随着调制信号1或0而变,1对应于载波频率 f1,0对应于载波频率f2。二进制频移键控已调信号的时域表达式为[1]：

2FSK信号在时域的显著特征是恒包络。

若基带信号的“0”、“1”等概出现(即 p=0.5),则非连续相位2FSK信号的功率谱密度函数P2FSK(f)为[1]：

由式(2)可以看出：①2FSK信号的功率谱密度函数由连续谱和离散谱组成,其中,连续谱由2个双边谱叠加而成,而离散谱出现在2个载频位置上;②若2个载频之差较小,比如小于,则连续谱出现单峰;若载频之差逐步增大,即 f1与 f2的距离增加,则连续谱将出现双峰。仅考虑频差远大于码速率频谱出现双峰的情况,2FSK信号的瞬时频率可表示为：

c1c2信息序列。

图1和图2分别给出了2FSK信号的频谱图和瞬时频率图。比较图1和图2可以看出：①累积频谱图中2个主谱峰位置对应瞬时频率图中最大、最小2个频率位置;②图2描述了由于码元跳变引起的信号频率随时间的变化规律,此规律涵盖了符号速率信息。而信号的时频图同时描述信号在时域和频域的变化规律,2FSK信号2个载频位置对应的图像灰度向量与瞬时频率图类似,它也描述了信号的载频随时间和符号跳变引起的变化规律。

图1 2FSK信号频谱图

图2 2FSK信号瞬时频率图

2 算法设计

2.1 宽带自动识别算法

宽带接收机相对窄带接收机的一个最重要的区别就是：信道带宽内会同时进入众多个信号,这就意味着原来针对窄带接收机信号分析识别所常用的时域特征参数(包括瞬时幅度、瞬时相位以及瞬时频率等)对宽带信号识别都失去了意义。而为了提高运算速度,通常将FFT运算放在硬件平台中FPGA实现。因此,如何利用频谱特征和时频特征进行分析识别成为宽带侦察厄待解决的问题。下面给出一种新的分析思路。

2.1.1 特征参数提取由上节分析可知,2FSK信号具有以下2个特征：①频谱出现2个峰,峰值间隔的一半即为频偏;

②时频图上与累积频谱谱峰位置对应的2个幅度向量(灰度值)具有互补性,理论上相加后为一常量。

对于特征①,可以用谱峰数目和间隔2个特征参数来描述;

对于特征②,f1与f2的互补性可以用灰度方差来描述。

2.1.2 算法流程

根据2FSK信号上述特征,选择谱峰数目、谱峰间隔和灰度方差3个特征参数,得到如图3所示宽带自动识别算法流程图。

首先,计算宽带累积谱并搜索谱峰,计算谱峰间隔,记录间隔小于一定门限th0的谱峰位置序号,此处可能存在2FSK信号;

然后,根据时频图上对应位置灰度方差进一步确认。即,提取时频图上每个谱峰对应位置的灰度向量值,计算方差cha1(i)、cha2(i),以及谱峰间隔小于th0的位置对应的灰度向量和方差cha0(i),i为疑似2FSK信号序号。若cha0(i)

图3 2FSK信号宽带侦察流程图

2.2 参数测量算法

中心频率和频偏在识别出2FSK信号的同时已经得到,下面主要介绍码速率的测量方法。

传统的针对窄带数据的2FSK码速率 测量算法都是通过时域采样数据计算瞬时频率,然后提取其周期性得到的。对于宽带数据情况,要想利用窄带信号处理算法就必须首先进行窄带滤波将宽带信号转为窄带信号,但是通常2FSK信号的有效带宽相对宽带接收机带宽来说很窄,滤波器难于实现,本文提出了一种基于频谱数据的处理算法,巧妙地规避的上述问题,原理描述如下。

2FSK信号的时频图上2个载频位置所对应的灰度向量描述了频率随码元跳变而变化的规律,其中隐含了码元速率的信息,计算2个灰度向量的差值即可完全恢复其变化规律,提取其周期性即可得到码速率信息。

3 算法测试分析

3.1 宽带自动识别算法测试分析

取采样率22 050 Hz,2FSK信号的码速率75 baud,中心频率2 500 Hz,频偏500 Hz,112个符号长度;并加入CW、BPSK、ASK三个干扰信号仿真宽带多信号情况,参数设置分别为：ASK信号中心频率4 000 Hz,码速率 150 baud;BPSK信号中心频率6 000 Hz,码速率525 baud;CW信号中心频率为8 000 Hz。不同信噪比下仿真试验结果表明,在2FSK信号有效带宽内的信噪比＞6 dB时,自动侦察正确率达95%以上,虚警率0,漏警率<5%。表1给出了SNR=6 dB时时频图上对应各信号载频位置的灰度方差及和方差的测试结果。

由表1可以看出,仿真测试遍历了2FSK信号附近存在CW,ASK和BPSK强干扰信号的情况以及非2FSK谱峰虚警的情况,测试数据表明,仅仅2FSK信号2个频率对应的灰度满足互补条件,该方法可以有效地从宽带信号中识别出2FSK信号,验证了算法的可行性。

表1 各信号对应灰度方差及和方差

3.2 参数测量算法测试分析

取采样率11 025 Hz,,码速率75 baud,中心频率2 500 Hz,频偏 500 Hz,单次FFT长度 32点,FFT帧数1 024帧,在不同信噪比下个做了多次仿真试验,结果表明,信噪比大于6 dB时,能正确估计出码速率。图4给出了SNR=6 dB时码速率提取最后一步原理示意图。由图4谱峰的横标位置即可得到码速率,估计精度取决于频率分辨率(Fs/N)的大小,其中,Fs为采样率,N为FFT帧数。

图4 码速率提取最后一步示意图

4 算法的工程实现

短波宽带信道2FSK信号自动识别的工程实现框图如图5所示。

图5 工程实现框图

图5中A/D采样完成宽带模拟中频的数字变换,输出的宽带数据给FFT处理模块,完成宽带数据从时域到频域的变换,变换输出的宽带频谱送给DSP处理模块,2FSK信号自动识别在DSP中实现,并输出识别结果。

5 结束语

将图像处理的思想应用于短波宽带信号识别,为复杂电磁环境下的信号分离和识别技术开辟了新的途径,同时,也为进一步实现2FSK信号的解调、破译及实施干扰提供了前提。该算法运算复杂度低,运算速度快,工程易于实现,节约硬件成本,且性能稳健,因此,在短波通信对抗装备中将会有着广泛的应用前景。

[1]樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社,1995：133-137.

[2]孟玲玲.基于循环谱相关方法的MFSK信号识别[J].无线电通信技术,2010(1)：23-24.

[3]张晓勇.一种基于瞬时幅度的PSK信号符号速率估计方法[J].信号处理,2008,24(2)：316-318.

[4]陶海平.基于瞬时幅度与小波分析相结合的数字调制制式的自动识别[J].电讯技术,2005(4)：49-50.