（通信与信息系统专业论文）gmsk跳频信号参数盲估计和盲检测算法的研究.pdf

浙涟大学硕士学佼论文摘要 摘要 婀e 颗技术建扩频技术斡静，是8 0 年代虢来硅l 瑰的一秘耩鞭的邋馈方式+ 跳额遴偿累 鸯整好的藏干扰缝，低截获檄辜及缀耀能力，因此跳频技拳鳃一出现，霞簌军事领域褥到 了援大醵发展，采阁跳叛接术驰短波墩台在颦攀遴信申褥到了，泛应用，掇大地掇裹了零 攀装备黪抗藏获帮摭千挽辘力，淘遴结黠撬撼趱了严竣静揽藏。群震对虢羧遴信对抗豹研 究，寻求截获，分遮谈懿颠遵信催弩方法，跫成了邈静避信对抗顿域紧i 趣稀羽溅的任务 之一。 近几年来，现代信号懿瑷的兰大热点谱旗计、商阶统计量方法、时频分析等理论 鞘技术醋臻成熟和完善，运濒梭废髑遵债对抗壤域，使褥鞋魏避僖砖抗信号处瑗技术斡 研究这戮了一个裹潮。) 旷 瓣瓣，遮耀第糕抟逶荣黠靛援本器经笼淡对麟颇繇台越铡冀茁寄效辩对抗作帮，蕊就， 应用现代信号韪毽技术，磷究对魏凝信号酌肖谈救、缝壤新算法，已经成了强蘸避倍对抗 领域的一大研究热点。陋予虢频佑弩的羹孝交特能戳及时攒分析技术在努攒甜变j e 平椽信号 商蕊的强大功能，戮诧，如何瘴用对频分拆投术来处理跳凝通信傣号，是疆蘸豌频傣号使 收算法研究领域的大方向捧文的工作正悬谯这一领域所做的一种探索。 筵一章分绍了短波湮傣秘缝波跳频电各楚军攀领域孛熬广泛癍稻，黻及瑷我绩弩鲣壤 技术特别戆对颡势掇技术黠键避跳凝避信对技辨究螅鼙要意义。 第二章奔缓了虢额避信戳及g m s k 璃涮的基本凝毽，在m a t l a bs i m u l i n k 环境下给趣 了基予g m s k 方式鑫冬魏额缀波发射祝访粪搂罂。 第三章用“平滑伪w v d ( s p w v d ) ”时频分拼技术分别研究了对糍遥跳和低逋搿i 鼬 跳频傣号的参数盲估计算法，筹对遮霹种奠法，分躺在m a f l a b 的霹：攘下皴丁仿真靼矬黪分 褥。 肇靼露对耀多魏蠡裙必技零骰蹒频僖譬富梭瓣戬及爝将锤戆箨联台对角纯技拳 ( j a d e ) 做辩额信弩富分嵩的舞法辙了耩究鞫仿真。 t 芙键词】 跳频通信对抗，参数售估穆时颓分析，s p w 、协- 信号茸检测，信号售分禽 一l 一 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f r e q u e n c y - h o p p i n g ( f h ) i san o v e ls p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e w h i c h d e v e l o p s v e r y f a s t i n m i l i t a r y f i e l d d u e t o i t s l p i l p d ( l o w p r o b a b i l i t yo f i n t e r c e p t d e t e c t i o n ) p r o p e r t i e sa n di m m u n i t ya g a i n s ti n t e r f e r e n c e s ，t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f h f ( h i g hf r e q u e n c y ) f r e q u e n c y h o p p i n gr a d i o si nm i l i t a r yh a sg r e a t l ye n h a n c e dt h ea b i i i t yo fm i l i t a r ye q u i p m e n t s a g a i n s tj a m m i n ga n di n t e r c e p t i o na n db r o u g h tu pan e wa u s t e r ec h a l l e n g ef o rc o m m u n i c a t i o n c o u n t e r m e a s u r e s s or e s e a r c h i n gt h es u r v e i l l a n c e ，i n t e r c e p t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sf o rf h s i g n a l sh a sb e e n ad i f n c u l ta n dp r e s s i n gt a s ki nc o m m u n i c a t i o nc o u n t e r m e a s u r ef i e l d s i nr e c e n ty e a r s ，t h et h r e e h o t - p o i n t so fm o d e ms i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y s p e c t r u m e s t i m a t i o n ，h i g h e ro r d e rc u m u l a n t s ，t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e m a t u r ea n d g r e a t l yp r o m o t e d t h er e s e a r c hw o r kf o rc o m m u n i c a t i o nc o u n t e r m e a s u r e t e c h n i q u e s n o w a d a y s ，t h er e s e a r c ho fn e ws u r v e i l l a n c ea n di n t e r c e p t i o na l g o r i t h m sf o rf hs i g n a l s u s i n gm o d e r ns i g n a l sp r o c e s s i n gt e c h n i q u eh a s b e c o m eah o t t o p i cs i n c et h ec o n v e n t i o n a l c o m m u n i c a t i o nc o u n t e r m e a s u r et e c h n i q u e sd o n tw o r ka n ym o r e f hs i g n a l sa r et i m e v a r i a n t a n dn o n - s t a t i o n a r ys i g n a l s ，w h i l et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i si sa p o w e r f u lt o o lt oa n a l y z et h i sk i n d o fs i g n a l s s oh o wt od e a lw i t hf hs i g n a l su s i n gt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s t e c h n i q u e i sa i m p o r t a n ta s p e c ti nt h er e s e a r c hf i e l d so ff hs u r v e i l l a n c ea l g o r i t h m s i nt h i sp a p e rw ew i l ld o s o m ee f f o r t si nt h i sf i e l d c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fh f ，v h fc o m m u n i c a t i o na n dh f v h f r a d i o si nm i l i t a r yf i e l d ，a n dp o i n t s ，o u tt h es i g n i f i c a n c ef o rp r o m o t i n gt h er e s e a r c hw o r ko ff h c o m m u n i c a t i o nc o u t i t c l t n o a s u r e u s i n g m o d e r n s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h et h e o r yo ff r e q u e n c y h o p p i n ga n dg m s k ，a t t h es a m et i m eg i v e s o u ta f h g m s k r a d i om o d e li n h i g hf r e q u e n c y b a n du n d e rt h em a t l a bs i m u l i n k e n v i r o n m e n t c h a p t e r 3 r e s p e c t i v e l yp r o p o s e s t h e p a r a m e t e r b l i n de s t i m a t i o n a l g o r i t h m s f o r h i g h s p e e d h o pa n dl o w - s p e e d - h o pf hs i g n a l sb a s e d o ns m o o t h e dp s e u d ow v d ( s p w v d ) f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t od e m o n s t r a t et h ea l g o r i t h m sp e r f o r m a n c e c h a p t e r4g i v e so u tt h eb l i n dd e t e c t i o na l g o r i t h mo fu n k n o w nf hs i g n a lu s i n gm u l t i h o p a u t o c o r r e l a t i o nt e c h n i q u ea n db l i n d s i g n a ls e p a r a t i o na l g o r i t h mu s i n gj o i n ta p p r o x i m a t e d i a g o n a l i s a t i o no f e i g e n m a t r i c e s ( j a d e ) t e c h n i q u e s o m ee l e m e n t a r y s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e a l s op r e s e n t e dh e r e 【k e yw o r d s lf r e q u e n c y - h o p p i n g , p a r a m e t e rb l i n de s t i m a t i o n ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ， s p w v d ，b l i n ds i g n a ld e t e c t i o n ，b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n 一2 一 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了短波通信以及短波跳频电台在军事领域中的广泛应用，提出了跳频通 信对抗的迫切性；接着介绍了通信对抗领域飞速发展的现代信号处理技术，特别是时频分 析技术，以及它们对促进跳频通信对抗研究的重要意义；最后介绍了本文的主要工作。 1 1 应用广泛的短波通信 短波和超短波通信是指利用频率为1 5 - 3 0 m h z ，3 0 - 8 8 m h z 的电磁波进行的无线电通 信方式”j 。短波通信一直是很重要的远距离无线电通信手段，尽管存在着衰落、易受干扰 等缺点，曾一度受到冷落。但随着数字技术、微处理技术、快速自动调谐技术、频率合成 技术、纠错码技术、分集技术等获得重大进展，应用新技术制造的设备操作简单，自适应 能力强，可靠性高，通信质量大幅度地提高，加之短波通信因其传输距离远、设备简单、 灵活机动。不易摧毁等特点，再度受到青味。多年来已在政府、军事、外交、气象、商业 等部门得到了广泛地应用。 军事通信 在众多的业务类别中，军事领域一直是短波、超短波通信最重要的应用范围。在这一 通信领域的几次重大的技术突破，其原动力都来自军事市场。由于军事卫星通信手段在未 来战争中易被摧毁且难以紧急修复等弱点，人们对无线短波、超短波通信的军事价值有了 新的认识，所以，目前乃至今后军事领域的通信仍将短波和超短波通信最重要的市场。 目前，军事通信传递的信息，已从发送简单的指挥命令发展到诸如雷达探测的数据、 计算机计算结果、高速图像传真信息和数字话音加密信息等一些要求较高的数字数据信息。 因此，对调制解调终端设备和短波通信系统提出了越来越高的要求。为了提高发信设备传 输话音信号时的发射效率，在调制体制，信号检测，传输速率三个主要方面发展了许多新 的技术。如传输速率的自适应技术、信号检测的各种软判决技术：自适应均衡、最大似然 序列检测、准最大似然序列估值等。此外，短波跳频技术、扩频通信系统以及天线自适应 调零等多种新技术，也陆续在军事短波、超短波透信领域发挥作用。 夺海上通信 在海上无线电通信中，短波单边带通信技术占有十分重要的地位。不论是潜艇、水面 战舰，还是远洋商船、渔轮和科考船队，都通过安装短波单边带电台来沟通与外界的联络。 广泛的应用领域和广阔的市场，有力的推动了海上短波通信技术的发展。 随着船舶通信业务和要求的不断提高，以及船用通信设备的日益增多，海上短波通信 对数据传输的速度要求逐渐增加，相互干扰和电磁兼容性破坏也变得严重起来。设计新颖 的能传输高速数字数据的宽带调制解调器成为技术发展的重点课题。 夺机载通信 机载短波通信是指飞机和地面通信站、飞机和海上舰船以及飞机和飞机之间的短波通信， 它是航空通信的重要手段。特别，当飞机要进行低空、超视距和远距离通信而又缺乏现代 预警机与机载卫星通信系统时，机载短波通信成了唯一的通信渠道。随着现代航空事业的 不断发展，对机载短波通信技术的要求和系统性能要求也越来越高。特别的，由于飞机是 - 3 一 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 离速运符的动舅标，它因多簧勒频穆效应烬j c 重短波电套调划解调器的设计提擞萤刻要求。 从九八年开始，地空数据通信在民航空管和航空公司飞行管理中得到了应用，民航建 成了以北京为主中心、各管理局为分中心。并且攫盖全国大部分航路的超短波地空数据通 信掰。该弼燕由串国& 靛裔主管理、鲁成体系并岛国际联潮豹蟪空数据通信系统，它可班 为民航 当局、航空公司和空管部门提供有关飞机飞行过程中的实肘动态及商关信息，并将地蕊有 关部门的相关信息及时传递给飞行中的飞机。今朗的民航通信系统已基本步入现代化、系 统亿、弼络纯静建设轨道，并越，能为缣证飞行安全提供蘸好的通信保障口l 。 1 2 短波跳频电台 短波电台历来是各国军队的重点通信装备项题。短波通信具有机动灵活、抗毁性强、 设备投入小、无需中继转发等卫星通信无法替代的突出优点，因而在战术移动通信中发挥 着举是轻重的作瘸。然丽由于电离麓的动态特性激及斑波稽道中豹众多丽户，给短波通信 带寒7 衰落、对筵、积邻i 踵徨邀子抗熬避题。为7 鳃狭这姥超越，入嚣3 援出了缀多秽方法 和对策，其中跳频技术就疑其中之一。 跳频技术是扩频技术的一种，是8 0 年代以来出现的一种新颖的通信方式，由于它典有 抗干扰能力强、抗裳落、鬣截获率、码分多蟪、信号隐蔽、保密、测距、稳定可靠和易于 组列等一系列独特的饯点，教其一缀出瑗，便g l 越7 世界各国的撅大关注，井在军事暹信 领域得到了广泛的应用。在短波通信中采用跳频技术可以有效的克服多径干扰、邻近午扰 和人为瞄准式干扰，己成为在电子对抗环境下提高通信抗千扰能力最有效的措施，在战争 夺发挥了巨大静藏力。人奄l j 甚至谈为：“广泛使用虢鞭电台，是8 0 年代超短波频段无线通 信发展的主要特镊。”p 1 1 2 1 国内外短波跳频电螽的发展状况 荸信道鲍对空无线电系统( s i n c g a r s v ) ，疑美军使翊地一种v h f 跳频电台。工作频段 3 0 8 8 m ，毒2 3 2 0 个凝率点，频率阕隰2 5 k h z , 采用了徽处理器技术，哥鼯黑囊适瘫调霉天 线。可用于1 6 k b s 数字电话。数据传输速率可变，最大1 6 k b s s 。跳频频率程8 0 - 1 0 0 跳，s 之间，跳频工作和传统工作方式兼容。从8 3 年起地1 0 年内用丁2 5 万台换装耗资1 0 亿 荧元左右。 英国r a c a l 公司投入枣场地j a g u a r - - v 乓m a v c o n i 公裁缝s c i m i t a r - v 瞧都是跳频电惫， 工作频段3 0 8 8 m h z 。j a g u a r - v 在3 0 - 8 8 m h z 内共分9 个频段，频率跳变范围限于9 个频段 之一，即6 ，4 m h z 内。s c i m i t a r - h 的频率范围为1 6 - 3 0 m h z , 波道间隔】0 0 h z ，共有2 8 4 0 0 0 个波道。 夔垦的h a r r i s 公司8 0 筝代底试毒4 成功缒r f - 3 0 9 0 ( 靼a n p r c l l 7 ) 中速跳频电套，频率 范围3 0 9 0 m h z ，波道间隔2 5 k h z ，波道数2 4 0 0 个。采用微处理器控制，系统功能完善。微 处理器存储的跳频码用输入，输出数据总线与r f 3 0 9 0 单元联接。工作方式可以跳频也可以 不虢频的阖定方式缀耐。其有音频遥控和外接遥控的能力。其接l i 5 【机处于自描搜索方式工 作，从检测信号到呼叫电台逶镶，全酆过程均为是动调谐。电巍具凑教蹲奎捡功能，霹鞋 检查电台本身7 5 种不婀电参数指标。电台由9 块插入式模块组成，维修方便。 此外，澳大利弧陆军的r a v c n 计划，采用了英国p l e s s e y4 0 0 0 电台。该电台工作频段是 2 3 0 m h z 与3 0 8 8 m h z 相结合。积木式结构，配有舀遗应调零天线，可用于虢频蔬赢接序 - - _ 浙江= 大学硕士学位论文第一章绪论 列扩频工作。以色列t a d i r a n 公翅的s h a m i r 系列电台，宅包捶了v r c ，8 0 骛受式，v r c 8 0 0 短距离率载式和v r c 9 0 0 0 远躐离车载式电台，这些电台性能规格与美国s i n e g a r s - v 电台 相类似。 4 】 我国整1 9 9 6 年研制出嚣蠹第一台实粥型酌短波跳频电套后，短波抗干扰通信技术已取 得了飞速的发展。耳裁已贼续接出了多类型的短波跳频逶接系缝并跫投入了擞量生产。镘 多产品的性能已达到或超过了国外九十年代束的先进水平，部份技术指标和性能已达到当 代国际先进水平。国内首创的“多合一”的系统控制器、超低功耗天线调谐器、跳频系统 伪隧掇羁序列、d d s 频率含成器、音频数字纯处联技术、宽温发控制驻示技术、自适应 ( a l e ) 技术、静态无直流功耗谐波滤波技术、越频语誊处理技术、整极工艺等获褥国家专 利的多项先进技术已成功应用到新一代的短波战术跳频系统中。表1 1 绘出了国内外一些 典型短波战术跳频电台的主要性能对比。 5 1 表1 - 1 绘出了蹦虫外一些典型短波醯术髋额电台静差要性能对比 生产厂家h a r r i s 公司h a r r i s 公司c r i n e l 公司t a d i r a n 公司 国内典型产品 典穗产品 r f - 5 0 0 0 系列f a l c o n 系列2 0 w 系列电台 2 0 w 电台2 0 w 邀台 b 2 0 , 1 7 8 a , 1 7 8 bh f - 2 0 0 0 系残2 0 w 系嗣 r f - 5 0 2 0 r ，ra n ，p r c - 1 3 8 1 0 0 w 系列电台2 0 w 电台1 2 5 w 系列 r f - 5 潮、，2 0a n a g 巍e - 2 3 l a豫一2 5 0 糙k p ￥t c - 2 2 0 0 1 2 5 w 电静1 2 5 w 电台t r 一3 9 0 眦i o o w 电台 r f * 5 0 0 0 v 1 2 5l 疆- 5 0 t - 1 2 5 at r 一4 9 0 ap r c - 2 1 0 0 赆5 0 0 0 v - 1 2 s a 工作频率范围 1 6 3 0 m h zl 。6 3 0 m h z1 6 3 0 m h z1 5 3 0 m h z1 6 3 0 m h z 存贮信道数 9 99 99 9 2 09 9 虢频繁鸯 5 0 、伯畦、5 0 、1 0 0 、6 4 、1 2 8 、 i 5 0 k h z2 5 6 k h z 2 5 0 k h z 、l m h z2 5 0 k h z 、l m h z2 5 6 k h z 魏羰速率2 0 瓣2 0 粉4 ，1 0 龇，秒4 ，1 0 跳，秒5 ，1 0 。2 0 跳，秒 跳频频率数 蹙大1 0 0最丈1 0 06 4 、1 2 8 、2 5 6 最大1 5 0最丈1 0 0 保密话内置内置外接加密手机内鼍内鐾 功率扩展 2 0 w ，1 2 5 w2 0 w ，1 2 5 w2 0 w ，1 0 0 w2 0 w ，1 0 0 w2 0 w ，1 2 5 w 4 0 0 w4 0 0 w ，1 0 0 0 w 主飒垂蠢6 s 堍4 5 堍 30 k g 6 ，0 k g2 9 k g 工蝣温度 一4 0 7 0 4 0 7 0 - - 3 0 5 5 - - 4 0 6 5 一2 5 5 s 抗背景噪声较差较好较好较好较好 小信号接收较差较好较好较好较好 1 2 。2 耨一代短波跳频电台的特点 随着通信技术的发展，超大规模集成电路、声表面波s a w 器件和c c d 器件的出现与 应用，为扩频通信同步和快速虢频开辟了新途径，促进和推动了战术通倍技术的发展。新 一代短波战本跳撅逛台在俸积、尺寸上大大缀小，残本大幅度下降。徽赡理器在战术虢频 电台中的应用，又使跳频频电台功能更加齐全。这些新技术的应用使得短波跳频电台的鞋 效性、可靠性、保密性和机动灵活性都有了很大的提商。州 微杭彳毛程度高、自动纯和智能纯能力强 战术电台敷微机诧是鞭一技战术电台蛇重簧撂志，避足年国羚研剃熬竣术趣短波电台， 几乎都采用了微处理器。以色列t a d i r a n 公司的v h f 8 8 采闽微处理嚣控制自动天线调谐。 一5 一 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 调谐珏重翅只嚣4 0 m s 。美国h a r r i s 公司蜘r f - 3 0 9 0 电台裁用微处理器进行喜捡秘对鼓障定位， 可自检7 5 项电参数，全部自检过程只需2 秒钟。j a g u a r - v 电台，利用微机实现遥控收发信 工作，可在远距离3 0 0 0 米处用平机操作电台。r f 3 0 9 0 电台也附有遥控装置，可实现远距 离3 0 0 0 米和近距离3 0 米蘧控。 i 簇一代电螽的频段宽、继遂阀蹑小、蹒频速率蹇、调剿方式灵活多样 m a r c o n 5 公司的s w o r d f i s h 电台的频段范围为3 0 0 0 m h z ，a d 3 4 0 0 电臼分了三个频 段覆盖3 0 - - 4 0 0 m h z 范围。缩小信道间隔也是现代电台的发展方向，目前超斑波电台的信 道润隔大多数为2 5 k h z ，如s c i m i t a r - v 、j a g u a r - v 、s i n c g a r - v 、t r c 9 5 0 、r f 3 0 9 0 等都为2 5 k h z 。 s w o r d f i s h 的信道阀鼹为2 5 k h z ，但可调到1 2 5 k h z 零珏6 2 5 k h z 。为了躲避转发式予扰，耘 一代跳频电台的跳频遮率越来越高，从以前的几跳、几百跳。发展到几千跳，甚至上万跳。 此外，新一代电台的调制方式也灵活多样，既有模拟傣号的调幅、单边带和调频，又有数 字信息酌p s 砥f s k 和g m s k 等笛。 新元馋、薮技拳鳃采耀，提囊了暾客螅蛙黥，降低7 凌糕，毽逛台小型化、模块纯、 系列化、标准化、通用化 采用模块结构，提高了通用化、系列化、组合化程度，以色列t a d i r a n 公司的v h f 8 8 采嗣积木单元外攒组合方式，高寝的组件仡结构，能抉速缎袈，壤据新需的功能要求不同， 选择不屈单元组台，以适应战拳透信熬零羼要求。j a g u a r - - v 系统有蒺本戆牧发信规鄂传、 车载接口部 牛、无线电匹配部件、通信保密部件、跳频部件以及分控，j 墨控等主要郄件，通 过一系列可兼容性部件组成适应的模式结构。荷兰的p r c v r c 8 6 0 0 系列v h f f m 中速跳 频电台，6 个主要模块能构蔽姨鹜受铡车载多台安装的三十多种结构形式。m o r e o n i 公镯的 s w o r d f i s h 皂套莓鬻h a v eq u i c k 模块、s e i m i t 鑫r 模块等跳频模块蚨爱m o r e o n i 公最的m a r d a t a 弊发传输模块。 由予模块结构中广泛采用了超大规模集成电路，所以电台的体积小、重堂轻、可靠性 离。j a g u a r - v 蕉电台魏频单元装有8 舞夫规模集成电舔片，j a g u a r - v 背负式电台体积冀有 2 3 9 3 4 c m 3 ，重量只有5 公厅。由于集成彀路的应鼷，电台的可靠性大大提寒了，美蓬 的p r c 1 2 6v h f 跳频电台，其平均无故障工作时间达1 3 4 0 0 小时。在太鬣使用集成电路的 基础上，小功率便携电台从背负式发展到手提式并进一步发展到1 2 1 袋式。如s e i m i t a r - m 超 小鹫电台可装在夹克式军上农口袋蠢。表面缎装技术的应用使电台向小鹫仡发展方面x 迈 出了重要躲一步。 总之，新一代电台无论在技术上还是系统结构等方面，都远远超过现役的大部分电台。 新代电台的应用，必将对现代战术通信产生重大的变革和改进，使战术通信在来来的战 争中发挥更重要的作用，戒为战斗力的薰簧组成部分。 1 3 跳频通信对抗 过去、现在和将来的战争都离不开通信，在已经进人信息化时代的今天，信息战将成 为战争的主要作战形式，如同任何时候的战争一样，信息战同样离不开用于信息传递的通 信。通信的运用又导致透信对抗的产生，这怒对李生兄弟。通信技术的发袋不能不说与 透镶对抗的豢i 麓糖关，薅避售技术的发震又锼遁僖对抗更快地发展。逶信与遴售瓣撬就是 这样一对互相促进。不断发展的矛盾的两个方面。在现代战争中，不可想象战争的任何一 方只使用通信，而不运用通信对抗。通信对抗已成为夺取现代战争胜利的不可缺少的重要 手段，谶界各蓬都在努力提高其军事装备的通信对抗能力。 跳频通馕具鸯良好的摭于拨性， 氐裁获概率及组赠能力，嚣虼跳频技术豹一爨现，便 在军枣领域得到了极大的发展，采用跳颡技术的短波电台在军事通傣中得到了广泛应阁， 一# 一 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 极大地提高了军事装备的抗截获和抗干扰能力，向通信对抗提出了严峻的挑战。开展对跳 频通信对抗的研究，寻求截获，分选识别跳频通信信号方法，已成了当前通信对抗领域紧 迫而困难的任务之一。 跳频通信对抗通常包括跳频信号的侦收、测向，分选和干扰三部分【7 】： 跳频侦收就是指对敌方未知跳频信号进行截获，包括对混杂在噪声中的跳频信号进 行盲检测，然后对检测到的未知跳频信号的跳频速率，跳变时刻( h o p - t i m i n g ) ，跳频图案 等参数作出估计，再结合调制方式识别技术识别出跳频信号的调制方式，数据波特率等参 数，最终解调出真正的数据，从而实现截获敌方通信的目的。 跳频测向，分选是指在敌方用多个跳频电台进行组网通信时，各电台信号混杂在一 起，这时我方就需要对不同跳频电台进行测向定位，对跳频网内的信号进行分选、识别， 便于有针对性的对敌方电台进行监听，或施放干扰。 在对敌方跳频信号完成侦收，测向以后，就需要对敌方电台施放干扰，以达到瓦解 敌方正常通信的目的。跳频干扰的方法有多种，如全频段或部分频段阻塞式干扰、转发式 干扰、跟踪式干扰等。 阻塞式干扰就是在跳频频段或部分频段内发射宽带干扰信号，阻塞部分或全部信道， 以达到干扰的目的。这种方法所需的发射功率相当大，效率低，且容易阻塞已方的通信电 台，在一般战术条件下难以应用。 转发式干扰是将接收机接收到的宽频段内的信号再转发出去进行干扰。这种方法比跟 踪引导式简单，比阻塞式干扰功率利用率高，但具有干扰功率随接收信号的强弱而大小不 同，攻击目标不一定能得到大的功率，且难以对高速跳频电台进行有效干扰。 跟踪式干扰利用跳频侦收估计出的跳频图案。跳频速率等参数，以跟敌方电台相同的 参数发射干扰信号，进行同频同步最佳干扰。该方法的优点是功率利用率高，不影响别的 信道特别是己方电台的信道，攻击目标明确，干扰效果好。但这种干扰方式技术要求高， 需要侦收设备对敌方电台参数作出估计。 1 4 通信对抗中的信号处理技术 1 4 1 信号处理技术的发展背景 信号处理技术的研究领域主要包括盲均衡及其白适应算法，阵列信号处理，多用户检 测，现代谱估计，空时二维处理，高阶统计量以及时频分析等等。近几年来，用于通信对 抗的信号处理技术发展非常迅速。这得益于两个方面的动力。其一，军事通信的手段、制 式和技术不断更新，在数字化的基础上。逐渐走向软件化、智能化、宽带化、网络化，出 现了一批诸如自适应跳频、猝发通信、宽带调制和复杂编码等新的技术体制，推动了相应 的具有很强针对性的侦收和处理算法的研究。其二，现代信号处理的三大热点谱估计、 高阶统计量方法、时频分析等理论和技术日臻完善，逐渐被应用到这一领域，使得目前通 信对抗信号处理技术的研究达到了一个高潮。 此外，在技术上，通信接收机技术尤其是全数字接收机和软件无线电技术的发展和应 用为后续的通信信号处理技术提供了条件和基础。 在国外，基于数字倍号处理技术进行常规信号识别、分析的应用相当普及，已进入了 商用阶段，如德国r & s 公司的g x 2 0 2 高频信号分析系统。该系统能够自动地对未知信号 进行检测和估计，其用途主要包括突发信号的截获；数字调制信号波特率、码型、码长的 识别；信号参数的快速估计、谱分析等。另外，澳大利亚万瑞公司研制和销售的基于p c 一7 - 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的无线电监测接收机，也能够实时显示频谱和信号强度以及直接解调多种数字信号。从美 军现役干扰军事装备看，干扰波段普遍覆盖h f 、v i - i f 、u h f ，在l s 时间内实现信号截获、 识别、分选、测向到跟踪干扰。美军2 l 世纪的通用干扰设备t a c j a m 实现从h f s h f ， 1 0 0 m s 内的干扰。 、 1 4 2 时频分析技术 f o u r i e r 分析作为传统方法，在信号处理方面，发挥了巨大作用。然而f o u r i e r 分析表 述的是频率在整个时间域上的分布情况，它无法反应出信号频率随时间变化的信息，因此 只局限于对于信号频率不随时间变化的平稳信号分析范围。时一频分析则是在信号时域和 频域同时进行分析的一种信号处理方法，它能够反映出信号频谱随时间的变化情况，非常 适应于非平稳信号分析领域。因此时频分析技术自发幼之初，其应用潜力就初露端倪。目 前，时频分析在语音识别，雷达信号处理和图像处理，地震信号处理，信号重构，以及扩 频通信中的干扰抑制等方面，都有了成功的应用p j 。 对信号的时频分析通常可分为线性和非线性时频表示两类，信号的线性时频表示主要 有小波变换，短时傅立叶变换和g a b o r 变换；非线性时频表示主要有c o h e n 类双线性时频 分布、仿射类双线性时频分布、重排类双线性时频分布、自适应核函数类时频分布，以及 参数化时频分布，非线性时频分布中属c o h e n 类双线性时频分布应用最广，其主要包括 w i g n e r - v i l l e 分布( w v d ) 及其衍生类型“伪w v d ”和“平滑伪w v d ”等等。小波变换则 由于其多尺度、分辨率特性在线性时频分布中得到了极大的应用。 1 5 本文的主要工作 正如前面所述，跳频技术的出现和应用，使得短波电台的抗干扰能力大大增强，运用 常规的通信对抗技术已经无法对跳频电台起到真正有效的对抗作用，因此，应用现代信号 处理技术，研究对跳频信号的侦收、处理新算法，已经成了目前通信对抗领域的一大研究 热点。由于跳频信号的时变特性以及时频分析( t i m e - f r e q u e n c y a n a l y s i s ) 技术在分析时变 非平稳信号方面的强大功能，因此，如何应用时频分析技术来处理跳频通信信号，是目前 跳频信号侦收算法研究领域的一大方向。本文的工作正是在这领域所做的一种探索。 本文首先根据跳频通信以及g m s k 调制原理，在m a t l a bs i m u l i n k 环境下给出了基于 g m s k 方式的跳频短波发射机仿真模型，以作为后厩侦收算法仿真用的数据源；接着用“平 滑伪w v d ( s p w v d ) ”时频分析技术分别研究了对高速跳和低速跳的跳频信号的参数盲 估计算法。对于高速跳信号，本文在文献 9 的基础上，对其算法作了修正，消除了其要求 观测窗口内包含的跳频频点数目少的限制，改善了估计的效果；对于低速跳信号，本文独 创性的提出了采用重叠加窗的方法来消除计算s p w v d 值时由于边缘效应引起的干扰脉 冲，以及用自适应门限技术来有效的检测信号的频率跳变时刻，大大提高了算法的准确性 和可靠性。对这两种算法，本文在m a t l a b 的环境下均做了仿真和性能分析；最后对用多跳 自相关技术做跳频信号盲检测以及用特征矩阵联合对角化技术( j a d e ) 做跳频信号盲分离 的算法做了研究和仿真。 一l 一 浙江大学硕士学位论文第二章原理和系统模型 第二章原理和系统模型 作为扩展频谱通信的一种，跳频通信已经是一种成熟的技术，由于其具有较强的抗干扰、 抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信己显示出巨 大的优越性，基于跳频技术的战术电台在军事通信中得到了广泛的应用。 在跳频系统中，通常采用恒包络调制方式。虽然p s k 的误码性能要比f s k 好，但p s k 解调时需要严格的相位同步，而这对跳频系统来说是很难做到的，因此在跳频系统中通常采 用m f s k 调制，接收端采用非相干解调。g m s k 调制是2 f s k 的一种改进型，由于其具有 恒定包络、频谱能量集中的特点，在世界上诸多无线通信标准1 1 如g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s l ，d e c t ( d i g i t a le u r o p e a n c o r d l e s s t e l e p h o n e ) ，c d p d ( c e l l u l a r d i g i t a l p a c k e td a t a ) ，和p c s l 9 0 0 ( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s ) 中都得到了广泛采用。在现代 战争中，为了提高通信双方的数据传输速率，采用g m s k 调制的跳频电台也逐步开始得到 了应用鹏】。 本章将先介绍跳频通信系统和g m s k 调制的一些基本原理，随后给出在m a t l a b 环境 下构建的g m s k 跳频通信发射机仿真模型。 2 1 跳频( f h ) 通信系统 跳频通信系统，又称f h 系统，是载波频率按某种跳频图案( 跳频序列) 在很宽的频带 范围内跳变的通信收发系统。 2 1 1 跳频信号的发送与接收 2 1 1 1 跳频信号的产生 在传统的定频通信系统中，发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的，因而它的载 波频率是固定的。为了得到载波频率是 跳变的跳频信号，要求主振荡器的频率 应能遵照控制指令而改变。这种产生跳 频信号的装置叫跳频器。通常，跳频器 是由频率合成器和跳频指令发生器构成 的m i ，如图2 1 a 所示。 图中，如果将跳频器看作是主振荡 器，则与传统的发信机没有区别。被传 送的信息可以是模拟的或数字的信号形 式，经过调制器的相应调制，便获得副 载波频率固定的已调波信号，再与频率 合成器输出的主载波频率信号进行混 频，其输出的已调波信号的载波频率达 到射频通带的要求，经过高通滤波器后 馈至天线发射出去。这就是定频信号的 - - 9 - - 图2 - l a 跳频信号的产生 浙江大学硕士学位论文 第二章原理和系统模型 发送过程。 跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的。在时钟的作用 下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此， 混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变，从而经高通滤波器和天线发送出 去的就是跳频信号。 由跳频信号产生的过程可以看出，不论是数字的或模拟的定频发送系统，在原理上，只 要加装上一个跳频器就可变成一个跳频的发送系统。但是在实际系统中尚需考虑信道机的通 带宽度。 2 1 1 2 跳频信号的接收 定频信号的接收设备中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收机本地振荡器的频率 比所接收的外来信号的载波频率相差一个中频，经过混频后产生一个固定的中频信号和混频 产生的组合波频率成分。经过中频带通滤波器的滤波作用，滤除组合波频率成分，而使中频 信号进入解调器。解调器的输出就是所要传送给收端的信息。 跳频信号的接收，其过程与 定频的相似。为了保证混频后获 得中频信号，要求频率合成器的 输出频率要比外来信号高出一 个中频。因为外来的信号载波频 率是跳变的，则要求本地频率合 成器输出的频率也随着外来信 号的跳变规律而跳变，这样才能 通过混频获得一个固定的中颇 信号。图2 1 b 给出跳频信号接 收机的框图。图中的跳频器产生 的跳频图案应当与所要要高出 一个中频，并且要求收、发跳频 完全同步。所以，接收机中的跳图2 - 1 b 跳频信号的接收 频器还需受同步指令的控制，以确定其跳频的起、止时刻。可以看出，跳频器是跳频系统的 核心部件，而跳频同步则是跳频系统的关键技术。 2 1 1 3 跳频信号的波形 与定频连续信号波形不同，跳频信号的波形是不连续的，这是因为跳频器产生的跳变载 波信号之间是不连续的。频率合成器从接受跳频指令开始到完成频率的跳变需要一定的切换 时间。为了保证其输出的频率纯正而稳定，防止杂散辐射，在频率切换的瞬间是抑止发射机 末级工作的。 频率合成器从接受指令开始建立振荡到达稳定状态的时间叫作建立时间：稳定状态持续 的时间叫驻留时间；从稳定状态到达振荡消失的时间叫消退时间。从建立到消退的整个时间 叫作一个跳周期，记。建立时间加上消退时间叫作换频时间。只有在驻留时间( 记作) 内才能有效地传送信息。图2 - 2 给出了频率合成器的换频过程和载波信号波形的示意图i “】。 一! o w 浙江大学硕士学位论文第二章原理和系统模型 图2 - 2 频率合成器的抉频过程和载波信号波形示意图 跳频通信系统为了能更有效地传送信息，要求频率切换占用的时间越短越好。通常， 换频时间约为跳周期的1 8 l l o 。比如跳频速率每秒5 0 0 跳的系统，跳周期= 2 m s ， 其换频时间为o 2 m s 左右。跳频速率每秒2 0 跳的系统，跳周期5 0 m s ，其换频时间约为5 m s 。 2 1 2 跳频图案与频率合成器 伪随机序列控制频率合成器输出的载波跳变的频率序列，就是跳频图案。跳频图案通常 用跳频时频矩阵图表示，如图2 - 3 所示，图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的 平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘，横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成 了棋盘格子。阴影线代表所布棋子的方案，就是跳频图案；它表明什么时间采用什么频率进 行通信，时间不同频率也不同。 图2 3 a 快跳频图案图2 - 3 b 慢跳频图案 图2 3 a 中所示为一快跳频图案，它是在一个时间段内传送一个码位( 比特) 的信息。每一 小块的时间段为跳频的驻留时间，频率段为每个跳频信道带宽。 图2 3 b 所示则是一慢跳频图案，它是在一个跳频驻留时间内传送多个码位( 此处为3 个 比特) 的信息。在时频域这个“模盘”上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双 方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。 2 1 2 1 跳频图案的产生与选择 跳频器是跳频通信系统中的核心部分。正如图6 所示，其主要由跳频指令发生器和频率 合成器两部分构成。 跳频指令发生器主要是一个伪码发生器。伪码发生器在时钟脉冲的推动下，不断地改变 浙江大学硕士学位论文 第二章原理和系统模型 码发生器的状态。不同的状态便对应于不同的跳频频率，根据此状态以及频率合成器可变分