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基于阵列信号处理的短波跳频信号盲检测和参数盲估计

朱文贵  
【摘要】: 无线电通信是现代化战场上保障作战与指挥的重要手段。尤其在对运动目标指挥时,甚至是唯一的通信手段。但这种开放式的发射和接收电磁波的通信,特别是在短波通信领域,不仅易遭到天电、工业等自然干扰,而且还要遇到敌方人为的跟踪、阻塞干扰以及多径等各种干扰。因此改善短波通信性能,提高其抗干扰能力,就成了短波无线电通信技术不断创新和发展的重要课题,跳频(FH)通信技术也随之应运而生。由于FH通信具有抗干扰能力强、低截获率、保密和易于组网等一系列独特的优点,因此它在军事通信领域得到了广泛的应用,已成为电子对抗环境下提高通信抗干扰能力一个有效的措施。 为了满足电子战争中通信侦察和对抗的需要,FH信号的检测和参数估计也随之成为国内外研究的热点,它是实现对敌方FH信号进行干扰、监听、欺骗的基础。因此,研究短波FH信号的盲检测和参数盲估计对军事通信对抗具有重要意义,但在技术上也很富有挑战性。这主要因为:1、短波频段电磁环境十分复杂,密集的定频信号、噪声信号、外界干扰信号以及各种突发信号相互交织在一起,使得FH信号的检测变得十分艰难;2、FH信号的载频按照伪随机方式发生跳变,使得FH信号的检测和参数估计比一般的定频信号要困难得多;3、如果FH信号对应的基带信号是以单边带(SSB)方式调制的语音信号,由于人的发音时断时续,导致接收机收到的能量时有时无,进一步增加了分析难度等等。 为此,本文集中研究基于阵列信号处理的短波跳频信号盲检测和参数盲估计问题,即:在缺少足够的先验信息的条件下,充分挖掘信号的时域、频域和空域特性,并结合短波FH信号的特点,完成了短波FH信号的检测、分离并估计出其各自的参数集,包括驻留时间(dwell-time)、跳速(hop-rate)、跳时(跳变时刻,hop-time)、到达方向(DOA)、频率集(frequency-set)和跳频带宽(hop-bandwidth)。 本文的主要研究工作和贡献如下: ●提出了一种基于窄带处理的FH信号盲检测和参数盲估计的实现方法,即首先求出多路信号之间的互相关,进而得到互功率谱密度矩阵(CSDM),然后通过对CSDM进行对折处理来抑制噪声、定频信号及其他干扰的影响,并将所有属于FH信号的hop(每一跳的驻留时间在时频图上持续的线段)从CSDM中筛选出来,最后用阵列信号处理中的到达方向估计(DOA)理论在频域中估计出各个hop的方向参数,利用方位信息完成FH信号分离并得到FH信号的数目及其各自的参数集; ●提出了一种确定FH信号检测门限的策略,该策略不仅使得检测门限能够通过理论计算得到,而且还显著地抑制了非跳频信号的干扰,从而能有效地检测出FH信号; ●提出了一种基于宽带处理的短波FH信号盲检测和参数盲估计的实现方法,即首先利用宽带空间谱测向技术得到接收信号的DOA,然后采用宽带波束形成技术对特定方向进行空间滤波,实现多个信号的分离,最后分别提出了两种FH信号的盲检测和参数盲估计方法,第一种方法适用于空间某个特定方向上存在着几个(含一个)驻留时间不同的恒跳速FH信号和其他干扰信号的混合信号,第二种方法适用于空间某个特定方向上仅含一个可变跳速的FH信号和噪声的混合信号; ●将空间插值的概念和宽带波束形成技术结合起来,提出了一种基于频域处理的宽带恒定束宽的波束形成方法。使得天线阵元个数以及射频单元、A/D等相应模块可以大大减少,也随之减少了较多阵元时天线之间的互耦,提高了空间滤波的效果; ●研究并实现了一个集宽带搜索、宽带测向、跳频搜索、窄带测向、窄带分析等功能于一体的短波阵列信号侦察系统。该系统已经应用到某军事侦察装备中,实际运行中展示了它的优良性能,与传统接收机相比,大大改善了整体性能,具有一定的工程参考价值。 本文提出的技术路线和实现方法,不仅具有一定的理论意义,而且在短波通信对抗中也具有重大的应用价值,其中的部分算法已应用于某短波通信侦察系统中,取得了较好的效果。


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