一种数字调制通信信号的识别方法

李宝双，徐 晔

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

1 概 述

通信已经广泛应用于现代生活的各个领域，而跳频通信作为通信的重要分支［1］，因其突出的抗干扰性、高效的频谱利用率、较好的兼容性和易于实现，在军事领域中有着无可替代的地位。对跳频通信的信号侦察是现代电子对抗的一个主要方向，根据跳频通信的基本原理和信号特点，利用高速A／D采样可以有效地估计跳频通信信号，然后根据估计结果完成网台分选。

2 原 理

跳频通信信号为：

式中：Δf为频率跳变间隔；hn为跳变码；m（t）为信息序列；θn为初相。

其瞬时特征如图1～5所示。

图1 跳频通信信号

2.1 跳频信号的基本特征参数

每个跳频网台特有的基本特征参数包括：

（1）跳频速率：跳频信号在单位时间内的跳频次数。

（2）驻留时间：跳频信号在一个频点停留的时间。其倒数是跳频速率，它和跳频图案直接决定了跳频系统的很多技术特征。

图2 跳频通信信号的幅度特征

图3 跳频通信信号的频率特征

图4 跳频通信信号的相位特征

（3）频率集：跳频电台所使用的所有频率集合组成频率集，频率集完整顺序组成跳频图案。所有的频率集合叫做频率集，集合大小为跳频数目 （信道数目）。

（4）跳频范围：又称为跳频带宽，表明跳频电台的工作频率范围。

（5）跳频间隔：跳频电台工作频率之间的最小间隔，或称频道间隔，通常其它的频率差是跳频间隔的整数倍。

图5 跳频通信信号的功率特征

上述参数中的频率范围、跳频间隔、跳频图案、跳频速率是跳频通信网台的 “指纹”参数，是进行分选的基础。

2.2 跳频通信信号的参数估计

跳频通信信号参数估计，包括通信信号的跳变周期 （即跳频速率）、跳变时刻、跳频的频率等参数。跳频通信信号是一个非平稳的信号，考虑其非平稳性，采用时频分析方法如维格纳威利 （WVD）和短时傅里叶变换 （STFT）对其进行分析［2］，实现对其参数的估计。

设定单位时间宽度很短的窗函数w（t），使窗口函数在时间轴方向上滑动，信号x（t）的STFT定义为：

如上式，根据窗函数时移的特性，使STFT同时具有时间函数和频率函数的特性，对于任意时刻t，其短时傅里叶变换 （STFT）可视为t时刻“局部频谱”，利用窗分析计算二维时频参数。

离散STFT，其时间和频率都离散化，设时间变量的采样周期为T，频率变量的采样周期为F，x（n）为离散信号，则STFT的离散化形式为：

对观测信号采样后得长度为N的序列x（n），n＝0，1，2，…N－1，采样频率为fs，STFT估计跳频信号参数的步骤如下：

（1）对x（n）进行短时傅里叶变换，计算出x（n）时频图STFT （m，n）。

（2）计算STFT （m，n）在每个时刻m的最大值，得到矢量y（m）。

（4）计算出y（m）峰值位置，峰值序列p（m），m＝1，2，…，p，p为峰值个数，可以计算第1次跳变的时刻。

（5）平均第一峰值出现的位置为：

跳变时刻由下式求出：

式中：“［·］”代表取整。

（7）估计观测信号内包含的跳频频率，得到跳频公式：

3 跳频网台分选

在实际的通信对抗环境中，电磁环境十分复杂，定频、噪声、外界干扰以及多个跳频网台的信号混合交迭。跳频通信网台分选就是从复杂的磁环境中，将混合交迭在一起的跳频网台通过处理的跳频信号分选出来。

3.1 跳频网台跳频图案

跳频网台跳频图案如图6所示。

3.2 跳频网台分选方法

（1）跳频网台的到达方向分选法。跳频网台的到达方向 （到达时间 （TOA）、方位）分选法的依据是：同一网台信号的来波方向相同，不同网台信号来波方向不同。其基本思路是：实时测量出跳频信号的来波方位，按照跳频信号的来波方位把同一来波方位的信号归入同一类，如图7所示。这种分选方法的优点是分选方法简单，实时性好；缺点是对侦察系统的测向能力要求较高，当不同网台信号的来波方向趋于一致或网台移动时，分选效果较差。

图6 跳频网台的跳频图案

来波方位分选法的分选能力主要取决于跳频测向设备的测向速度和精度。测向速度直接决定该分选方法对跳速的分辨力；测向精度直接决定该分选方法的空间分辨能力。

图7 频率－方位二维关系图

（2）跳频网台的到达时间分选法。到达时间（TOA）分选法是到达时间与驻留时间分选法的简称，是利用同一跳频网信号出现的连续性和跳频速率的稳定性对跳频信号进行分类。其依据是：同一跳频网的跳频信号的跳速恒定不变，且每一跳具有相同的驻留时间和频率转换时间。

到达时间分选法的基本思路：检测出每个跳频信号的出现时刻和消失时刻，根据同网台信号在出现时间上的连续性以及跳频速率的相对稳定性，把出现时间与消失时刻满足一定相关特征的信号归入一类，以达到跳频网台的分选目的。

这种分选方法的优点是对恒跳速跳频网台分选能力强；缺点是对侦察系统时间测量精度要求高，不具备对变速跳频网与正交跳频网的分选能力。接收系统的时间分辨力直接决定着分选能力。

图8给出了一种利用到达时间法进行网台分选的方法。

图8 网台分选结果

假定在规定的时间内有N个频率的信号到达。分别记下它们的到达时间和信号驻留时间，分选步骤是：

（a）对信号驻留时间进行比较，找出N个信号中驻留时间最小且相等的那些，如有M个，排成一个序列。

（b）计算M序列中相邻2个信号的到达时间间隔，依次为窗口尺度，分选出所有相同跳频周期的信号，完成一个网台的信号分选。

（c）在提取出第1网台信号之后，剩下N－M信号中，重复进行前面2个步骤，完成第2个网台的分选，依次类推，直至分选完成。

若几个非正交跳频网的跳速相同，由于非正交跳频网的网与网之间互不相干，可以按到达时刻建立相应频率表，每张频率表就是一个同跳速的非正交跳频网。

（3）跳频网台的综合分选法［4］。综合分选法是综合利用跳频信号来波方位、到达时间、驻留时间、跳跃相位和信号幅度等特征和技术参数之间的关系来对跳频信号进行归类的分选方法。

这种分选方法的基本思路是：按照同一跳频网信号之间的相关关系来实现信号分类。即有相关关系的信号归入一类，不具有相关关系的信号互相分开。

这种分选方法的优点是综合利用了跳频信号的所有可用信号特征和技术参数之间的相关性，分选能力较强；缺点是对侦察系统的信号测量能力要求较高。

［1］梅文华.跳频通信 ［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［2］高峥.基于STFT的超短波跳频网台信号分选 ［J］.电信技术研究，2004 （3）：8－14.

［3］陈新宁.跳频通信侦察技术研究 ［D］.长沙：国防科学技术大学，2006.

［4］冯莹.跳频信号侦察技术研究与仿真 ［D］.西安：西安电子科技大学，2010.