一种改进的Link16信号的频率估计算法

贾可新，柳桃荣

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

0 引言

Link16数据链是在美军三军联合作战中使用广泛的一种战术数据链［1］。它集通信、导航、识别功能于一体，为各军兵种提供一种抗干扰能力强、低截获概率、保密性能好的通信链路。Link16数据链系统采用时分多址（TDMA）的通信方式，系统的每个成员按照统一的时间基准同步工作。在信号传输时，采用了跳频、直接序列扩频、随机跳时、信道编码和脉冲工作等诸多抗干扰措施，具有非常强的反侦察和抗干扰性能。

在通信对抗领域，许多学者在Link16信号的检测方面做了大量的工作，如文献［2］通过理论分析和仿真实验，验证了平方倍频法检测Link16信号的可行性。文献［3］分析了一种在低信噪比下利用延时相乘和分段相关相结合的方法检测Link16信号的算法。然而，通信对抗并不仅仅局限于检测到Link16信号，更需要对Link16信号的各特征参数（包括单跳持续时间、功率、载波频率、带宽和频率偏移等）进行估计，为Link16信号的分选作准备。从现在收集的资料来看，关于link16信号的参数估计的文献非常少。

本文从分析Link16的特点出发，将Link16信号看作一种特殊的频率捷变脉冲雷达信号，提出可采用类似雷达脉冲参数估计方法估计Link16信号的基本特征参数。在此基础上重点分析了采用类似于雷达脉冲信号的瞬时测频方法估计Link16信号的载频和频偏时存在的问题。针对此问题，提出了一种基于瞬时测频的载频和频偏估计的改进方法。仿真实验验证了这种算法的有效性。

1 Link16信号特点

Link16信号是在960～1215MHz的工作频段上进行传输，采用了跳频、跳时和直接序列扩频相结合的扩频技术，具有非常强的抗干扰性能。直接序列扩频带宽为3.5MHz，跳频频率集中频率间隔为3MHz，从969～1008MHz、1053～1065MHz、1113～1206MHz，总跳频频率数为51个，相邻两跳的载频间隔不小于30MHz。

Link16信号采用TDMA的工作方式，以12.8min为一个时元，时元是系统时的一个时间单位，每个时元分为64个时帧（12s／帧），时帧是系统资源的基本分配周期，每帧又分为1536个时隙，分成三组，即A、B、C三组，每组含512个时隙。时隙是系统时划分的最小单位，长为7.8125ms，是系统成员发射或接收消息的基本时间单位。每个时元有98304个时隙。

一个时隙一般分为起始段、传送段和保护段。起始段和保护段共占4.4585ms，不发射信号。由于Link16信号的作用距离为550km，只要保护段不小于2ms，就可以保证本时隙信号在下一个时隙之前到达所有成员用户，因此，起始段在2.4585ms内随机抖动。传送段占3.354ms，发射射频脉冲串，共发射129个脉冲，每个脉冲宽度为6.4μs，脉冲周期为26μs。各脉冲中的调制信号是由32位基码组成的伪随机序列进行软扩频处理得到的，每个基码宽度为0.2μs，调制类型为MSK，频率偏移2.5MHz。

2 Link16的参数估计

由Link16信号的特点可知，该信号可看作一种特殊的频率捷变脉冲雷达信号，其特征参数（主要包括单跳持续时间、功率、载波频率、到达时间等）可考虑采用类似于文献［4～5］给出的雷达信号参数测量方法进行估计，即首先根据单跳检测结果估计单跳的功率，获得单跳的起始时间、结束时间和单跳持续时间，然后利用单跳持续时间内的数据估计单跳载波频率。

设单跳持续时间内的数据为x（n），样本个数为N。在估计载波频率时可采用如下两种瞬时测频方法。

方法1是采样直接平均法。首先计算一次延迟的相关值：

然后通过计算相关值得相位，获得载波频率，即：

式中，fs为采样频率。

方法2是瞬时频率平均法。首先求x（n）的各样本点对应的相位差：

然后计算瞬时频率：

最后通过瞬时频率取平均，获得载波频率：

由于Link16信号采用的调制方式为MSK，故可在瞬时频率平均法的基础上，采用经典的绝对平均法估计出信号的频率偏移，即首先从瞬时频率中剔除载波频率影响，可得：

将剩余瞬时频率取绝对值后，取平均，得频率偏移：

3 改进的参数估计

第2节中讨论的载波频率和频率偏移的估计算法即使在高信噪比的情况下也无法获得准确的估计值，这是因为Link16信号的单跳仅包括32个0、1符号数据，其个数的不平衡影响了估计的精度。为了克服上述缺陷，本文提出方法3以估计载波频率和频率偏移，即在瞬时频率平均法获得瞬时频率后，寻找瞬时频率f（n）中大于f0的序列f1（n）和小于f0的序列f2（n），分别对这两个序列取平均，即：

因此，MSK信号的载波频率为：

信号的频率偏移为：

与第2节的算法相比，本文提出的这种频率分割平均法不受信号携带0、1符号不平衡的影响。

4 仿真实验

本实验主要用于对比分析前述测频算法的估计精度。设采样频率600MHz，单跳的采样点数为3840个，相邻频点的跳频间隔为30MHz。信道化点数为64，抽取因子为32，滤波器阶数为256。在50～250MHz范围内均匀取51个频点，作为载波频率。跳频周期为26μs。信道化后的信噪比在5～20dB之间变化，每个信噪比下进行500次蒙特卡洛实验。

上述三种方法对MSK信号载波频率的估计精度的对比曲线如图1所示。方法1和2在信噪比较高时，估计性能较差，与真实值之间存在一定的偏差。方法3在信噪比较高时，载频估计精度较高，随着信噪比的增加，估计误差趋向于0。

图1 三种载波频率估计算法的估计精度对比曲线

利用绝对平均法和分割平均法估计频率偏移的结果如图2所示。绝对平均法的估计误差在高信噪比下不趋向于0。而分割平均法在频率较高时具有较高的估计精度，且随着信噪比的增加，估计误差趋向于0。由图1、2可知，本文提出的方法具有更优的估计精度。

图2 两种频率偏移估计算法的估计精度对比曲线

5 结束语

本文重点针对雷达脉冲信号的瞬时测频方法用于估计Link16信号的载频和频偏时存在的问题，提出了一种基于改进的载频和频偏估计算法。与已有算法相比，所提算法具有更优的检测性能。值得注意是，本文讨论的link16信号的基本参数测量算法是信号分选的基础，当存在link16组网信号时，需根据测量参数进行组网信号分选。■

［1］ 梅文华，蔡善法.JTIDS／LINK16数据链［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［2］ 王磊，杨健波，李彦志.对JTIDS信号的检测技术研究［J］.通信对抗，2008，1：30－34.

［3］ 刘武刚，杨建波，刘鹏.基于延时相乘—相关的JTIDS检测［J］.通信技术，2010，5（43）：7－9.

［4］ Gustavo LR，Jesus G.Digital channelized receiver based on time－frequncy analysis for signal interception［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2005，41（3）：879－898.

［5］ Zahirniak DR，Sharpin DL，Fields TW.A hardware－efficient，multirate，digitial channelized receiver architecture［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1998，34（1）：137－151.