本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域,具體涉及一種基于順序統(tǒng)計(jì)量特征的LFM/BPSK(linear frequency modulation/binary phase shift keying)混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果的校驗(yàn)方法。
背景技術(shù):
在非協(xié)作信號(hào)處理場(chǎng)合(如電子偵察、認(rèn)知無線電等),由于缺乏信號(hào)的先驗(yàn)信息,前端處理環(huán)節(jié)中的檢測(cè)、調(diào)制識(shí)別及參數(shù)估計(jì)等只能進(jìn)行盲處理。顯然,其處理結(jié)果的可靠與否,直接影響后續(xù)環(huán)節(jié)(如信號(hào)的跟蹤、干擾及頻譜管理)的性能。因此,對(duì)信號(hào)盲處理結(jié)果的可信性(也稱可靠性)校驗(yàn),對(duì)于提高整個(gè)處理系統(tǒng)的有效性與可靠性具有重要價(jià)值,已成為軍用及民用信號(hào)處理中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)課題,并引起相關(guān)學(xué)者普遍重視。
相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)雷達(dá)脈內(nèi)分析中常用單一調(diào)制信號(hào),如幅度、相位等特征,對(duì)其盲處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。但在雷達(dá)電子偵察中,隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜化,為了進(jìn)一步提高雷達(dá)性能及戰(zhàn)場(chǎng)生存概率,混合調(diào)制信號(hào)被廣泛采用,常見的混合調(diào)制信號(hào)如:LFM/BPSK、FSK/BPSK、S型非線性調(diào)頻等。此類信號(hào)因?yàn)檎{(diào)制機(jī)制復(fù)雜,其解調(diào)過程發(fā)生錯(cuò)誤的概率更大,對(duì)其處理結(jié)果的可信性校驗(yàn)更具實(shí)際價(jià)值。目前的相關(guān)研究,大都集中于對(duì)單一調(diào)制信號(hào)處理結(jié)果的校驗(yàn),針對(duì)混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果的校驗(yàn)研究尚未見公開。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種基于順序統(tǒng)計(jì)量特征的混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果校驗(yàn)方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于順序統(tǒng)計(jì)量特征的混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果校驗(yàn)方法,其中混合調(diào)制信號(hào)為L(zhǎng)FM/BPSK信號(hào),其特征在于,包括如下步驟:
1)建立參考信號(hào):對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別,根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)的模型,構(gòu)建參考信號(hào);
2)選取統(tǒng)計(jì)量:將參考信號(hào)與接收到的觀測(cè)信號(hào)相關(guān),去均值后作DFT并取模,得到相關(guān)幅度譜,并取相關(guān)幅度譜的最大值作為統(tǒng)計(jì)量;
3)確定判決門限:在給定的虛警概率下,基于恒虛警規(guī)則計(jì)算判決門限;
4)通過比較統(tǒng)計(jì)量與判決門限的大小,校驗(yàn)LFM/BPSK信號(hào)的盲處理結(jié)果。
為優(yōu)化上述技術(shù)方案,采取的具體措施還包括:
在步驟1)中,建立疊加了高斯白噪聲的LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào)模型為
x(n)=s(n)+w(n)
=Aexp[j(2πf0Δtn+πl(wèi)Δt2n2+θ(n)+θ0)]+w(n),0≤n≤N-1
其中,A為信號(hào)幅度,j為虛數(shù)單位,f0為起始頻率,Δt為采樣間隔,l為調(diào)頻斜率,BPSK分量的相位函數(shù)θ(n)=πd2(n),d2(n)為二元編碼信號(hào),其碼元寬度為Tc,碼元個(gè)數(shù)Nc,碼字為cm,m=1,...,Nc,θ0為初相位,N為樣本點(diǎn)數(shù),w(n)為零均值加性復(fù)高斯白噪聲過程,方差為2σ2;
構(gòu)建參考信號(hào)y(n),建立假設(shè)檢驗(yàn)問題H0和H1,H0表示調(diào)制方式識(shí)別結(jié)果正確且無解碼錯(cuò)誤,H1表示調(diào)制方式識(shí)別錯(cuò)誤或存在至少一位錯(cuò)誤解碼。
步驟2)中具體包括以下步驟:
2.1)計(jì)算參考信號(hào)和觀測(cè)信號(hào)的相關(guān)序列z(n)=x(n)+y(n);
2.2)對(duì)相關(guān)序列作DFT變換并取模,得到相關(guān)譜
Zm(k)=|DFT[zm(n)]|=|Sm(k)+Wm(k)|,0≤k≤N-1,其中,zm(n)是對(duì)相關(guān)序列進(jìn)行去除直流處理后得到的序列,Sm(k),Wm(k)分別表示相關(guān)譜Zm(k)中的信號(hào)分量與噪聲分量;
2.3)定義隨機(jī)變量其中,表示方差,利用二階四階矩方法對(duì)接收信號(hào)的方差σ2進(jìn)行計(jì)算,而后利用公式計(jì)算出
2.4)取R(k)的最大值為統(tǒng)計(jì)量,統(tǒng)計(jì)量
在步驟3)中,給定的虛警概率Pfa下,基于恒虛警規(guī)則,計(jì)算判決門限
若統(tǒng)計(jì)量大于判決門限,即Γ>η時(shí),則H1成立;若統(tǒng)計(jì)量小于判決門限,即Γ<η時(shí),則H0成立。
本發(fā)明的有益效果是:在適度信噪比范圍內(nèi),能有效完成對(duì)LFM/BPSK復(fù)合信號(hào)盲處理結(jié)果的檢驗(yàn),無需信號(hào)的先驗(yàn)信息,簡(jiǎn)單有效,對(duì)于提高雷達(dá)、認(rèn)知無線電信號(hào)盲處理結(jié)果的可信性與有效性具有重要的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。此外,該方法還可推廣到其它混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果的校驗(yàn)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
圖2-6是不同假設(shè)下的相關(guān)譜波形圖。
圖7-10是不同假設(shè)下統(tǒng)計(jì)量的概率分布及門限。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
本發(fā)明首先依據(jù)對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別及參數(shù)估計(jì)的結(jié)果,及識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)的模型,構(gòu)建參考信號(hào);然后將參考信號(hào)與觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,去均值后作DFT并取模,得到相關(guān)幅度譜,取相關(guān)幅度譜的最大值作為統(tǒng)計(jì)量;接著在給定的虛警概率下,基于恒虛警(CFAR)規(guī)則計(jì)算判決門限;最終通過比較統(tǒng)計(jì)量與判決門限的大小,實(shí)現(xiàn)對(duì)LFM/BPSK信號(hào)盲處理結(jié)果的校驗(yàn)
基于順序統(tǒng)計(jì)量特征的LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果校驗(yàn)方法,具體包括以下步驟:
1、參考信號(hào)的建立:
構(gòu)建疊加了高斯白噪聲的LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào)模型為
x(n)=s(n)+w(n)
=Aexp[j(2πf0Δtn+πl(wèi)Δt2n2+θ(n)+θ0)]+w(n),0≤n≤N-1
其中,A為信號(hào)幅度,j為虛數(shù)單位,f0為起始頻率,Δt為采樣間隔,l為調(diào)頻斜率,BPSK分量的相位函數(shù)θ(n)=πd2(n),d2(n)為二元編碼信號(hào),其碼元寬度為Tc,碼元個(gè)數(shù)Nc,碼字為cm,m=1,...,Nc,θ0為初相位,N為樣本點(diǎn)數(shù),w(n)為零均值加性復(fù)高斯白噪聲過程,其實(shí)部與虛部相互獨(dú)立,且與信號(hào)互不相關(guān),方差為2σ2。
通常在電子偵察中,解LFM/BPSK信號(hào)采用分步處理方法,其流程由調(diào)制方式識(shí)別、平方運(yùn)算、LFM信號(hào)分量參數(shù)估計(jì)及BPSK信號(hào)分量解碼四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。上述處理環(huán)節(jié)之間是相互關(guān)聯(lián)的,如調(diào)制方式識(shí)別正確是LFM信號(hào)分量參數(shù)及BPSK信號(hào)分量正確解碼的共同前提,而LFM信號(hào)分量參數(shù)正確又是BPSK信號(hào)解碼正確的前提;就BPSK信號(hào)解碼本身而言,正確解碼的前提是信號(hào)的子碼寬度、碼元個(gè)數(shù)等準(zhǔn)確。為此,可將LFM/BPSK信號(hào)盲處理結(jié)果的檢驗(yàn)歸結(jié)為如下假設(shè)檢驗(yàn)問題:
H0表示調(diào)制方式識(shí)別結(jié)果正確且無解碼錯(cuò)誤;
H1表示調(diào)制方式識(shí)別錯(cuò)誤或存在至少一位錯(cuò)誤解碼。
對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式識(shí)別,根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)應(yīng)的模型,構(gòu)建參考信號(hào)y(n)。
1)若調(diào)制方式識(shí)別正確、LFM信號(hào)分量的參數(shù)準(zhǔn)確且BPSK信號(hào)分量無解碼錯(cuò)誤時(shí),即H0,利用適配信號(hào)參數(shù)集:起始頻率調(diào)頻斜率及BPSK信號(hào)分量的相位函數(shù)構(gòu)造適配參考信號(hào)0≤n≤N-1。
2)若調(diào)制方式識(shí)別正確但存在解碼錯(cuò)誤時(shí),記為H1中的H1A,仍根據(jù)BPSK/LFM信號(hào)模型的失配參數(shù)集:起始頻率調(diào)頻斜率及BPSK信號(hào)分量的相位函數(shù)建立失配參考信號(hào)0≤n≤N-1。
3)若LFM/BPSK信號(hào)的調(diào)制識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤且誤識(shí)為BPSK信號(hào)時(shí),記為H1中的H1B,建立失配參考信號(hào)0≤n≤N-1
式中分別表示將LFM/BPSK信號(hào)按BPSK失配模型進(jìn)行處理時(shí)得到的載頻及相位函數(shù)。
2、統(tǒng)計(jì)量選取:將參考信號(hào)與接收到的觀測(cè)信號(hào)相關(guān),去均值后作DFT并取模,得到相關(guān)幅度譜R(k),并取其最大值Γ作為統(tǒng)計(jì)量。
2.1計(jì)算參考信號(hào)與接收觀測(cè)信號(hào)的相關(guān)序列。
1)在H0假設(shè)下,將參考信號(hào)與接收到的觀測(cè)信號(hào)相關(guān)后得相關(guān)序列z0(n)
z0(n)=x(n)y0(n)=Aexp[j(2πΔfΔtn+πΔlΔt2n2+Δθ(n)+θ0)]+w(n)y0(n)
=s0(n)+w0(n)
式中,s0(n)與w0(n)分別表示相關(guān)序列z0(n)中的信號(hào)分量與噪聲分量,分別為起始頻率、調(diào)頻系數(shù)以及相位函數(shù)的誤差。
2)在H1A假設(shè)下,可得相關(guān)序列為
z1(n)=x(n)y1A(n)=Aexp[j(2πΔfΔtn+πΔlΔt2n2+Δθ(n)+θ0)]+w(n)y1A(n)
=s1A(n)+w1A(n)
式中,s1A(n),w1A(n)分別表示相關(guān)序列z1(n)的信號(hào)分量與等效噪聲分量,如前所述,分別為失配時(shí)的參數(shù)誤差。
3)在H1B假設(shè)下,相關(guān)序列為
z1(n)=x(n)y1BPSK(n)=Aexp[j(2πΔfΔtn+πl(wèi)Δt2n2+Δθ(n)+θ0)]+w(n)y1BPSK(n)
=s1BPSK(n)+w1BPSK(n)
式中參數(shù)如前所述,以此類推。
2.2對(duì)前述得到的相關(guān)序列作DFT變換并取模,得到相關(guān)譜
Zm(k)=|DFT[zm(n)]|=|Sm(k)+Wm(k)|,0≤k≤N-1。
2.3定義隨機(jī)變量其中,對(duì)方差的計(jì)算方法為:首先利用二階四階矩方法對(duì)接收信號(hào)的方差σ2進(jìn)行計(jì)算,而后利用公式計(jì)算出
2.4取R(k)的最大值為統(tǒng)計(jì)量
3、判決門限確定:在給定的虛警概率Pfa下,基于恒虛警(CFAR)規(guī)則,根據(jù)下式計(jì)算得到判決門限η。
4、可信性判決:若Γ>η,判H1成立;反之,判為H0。
圖2-6對(duì)不同假設(shè)下的相關(guān)譜波形特征進(jìn)行了說明。
1)在H0假設(shè)下,對(duì)z0(n)作DFT變換,有Z0(k)=DFT[z0(n)]=S0(k)+W0(k),0≤k≤N-1
其中,
由上式可知,Z0(k)可近似看作直流信號(hào)疊加了噪聲的情形。為了分析方便,將Z0(k)中直流分量濾除并取模值,得到修正的相關(guān)譜,記為Z0m(k)≈|W0(k)|,W0(k)為均值為零,方差σZ=Nσ2的高斯白噪聲過程,故Z0m(k)服從瑞利分布,其波形如圖2所示。由圖2可見,去直流后的相關(guān)譜Z0m(k)中不存在峰值點(diǎn)。
2)在H1A假設(shè)下,由于誤差Δf及Δl較大,且Δθ(n)≠0等原因,z1(n)去直流后的幅度譜Z1m(k)與H0時(shí)不同,其帶內(nèi)存在若干峰值,且峰值部分近似服從萊斯分布,非峰值部分近似服從瑞利分布。圖3及4所示分別為存在1位解碼錯(cuò)誤和2位解碼錯(cuò)誤時(shí)的相關(guān)譜Z1m(k)。由圖3-4可見,當(dāng)信號(hào)調(diào)制識(shí)別結(jié)果正確但存在解碼錯(cuò)誤時(shí),相關(guān)譜Z1m(k)中存在至少一個(gè)峰值點(diǎn),且隨著解碼錯(cuò)誤位數(shù)的增加,帶內(nèi)峰值個(gè)數(shù)也相應(yīng)增加。
3)在H1B假設(shè)下,當(dāng)誤識(shí)為L(zhǎng)FM信號(hào)時(shí),由于模型失配及噪聲的影響,使得失配參數(shù)誤差均可能變大,相關(guān)序列z1(n)的頻譜Z1m(k)按辛克函數(shù)規(guī)律變化,且其譜線中存在若干峰值,如圖5所示。當(dāng)誤識(shí)為BPSK信號(hào)時(shí),相關(guān)序列中的信號(hào)部分仍是一個(gè)起始頻率及調(diào)頻系數(shù)分別為Δf,l,相位函數(shù)為Δθ(n)的LFM/BPSK信號(hào),其帶寬主要由l決定,從而導(dǎo)致相關(guān)譜Z1m(k)帶寬增加,帶內(nèi)的峰值個(gè)數(shù)相較誤識(shí)為L(zhǎng)FM信號(hào)時(shí)有所增加,如圖6所示。
圖7-10為不同假設(shè)下相關(guān)譜極大值即統(tǒng)計(jì)量的概率分布及其門限,不同假設(shè)下分別利用順序統(tǒng)計(jì)量理論仿真計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)量Γ的概率密度函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)直方圖。圖7中垂直的虛線為根據(jù)CFAR理論計(jì)算得到的判決門限η(Pfa取0.0001),可見:
1)不同假設(shè)下,理論推導(dǎo)得到的統(tǒng)計(jì)量Γ的概率密度函數(shù)與其仿真值之間能較好地吻合;
2)不同假設(shè)下統(tǒng)計(jì)量Γ的概率分布存在較大差異;
3)信噪比適度時(shí),由CFAR準(zhǔn)則得到的判決門限可以有效區(qū)分兩種不同假設(shè)。
參考表1說明本方法的性能仿真結(jié)果,假設(shè)接收到的觀測(cè)信號(hào)為疊加了高斯白噪聲的LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào),表1所示為利用基于順序統(tǒng)計(jì)量特征的LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào)盲處理結(jié)果校驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)的統(tǒng)計(jì)性能仿真結(jié)果。
其中,LFM/BPSK混合調(diào)制信號(hào)起始頻率100MHz,調(diào)頻系數(shù)l=300MHz/s,碼元寬度0.4μs,碼序列為13位巴克碼,初相位為π/4時(shí),樣本長(zhǎng)度為1040點(diǎn)。
表1不同信噪比及虛警時(shí)的檢驗(yàn)性能
由表1可見,本方法在適度信噪比范圍內(nèi)且門限選擇合適時(shí),能有效完成對(duì)LFM/BPSK信號(hào)盲處理結(jié)果的校驗(yàn)。當(dāng)信噪比等于3dB時(shí),所選擇的處理方法,1000次仿真中錯(cuò)誤的處理結(jié)果次數(shù)為1,正確的處理結(jié)果次數(shù)為999,Pfa取0.0001時(shí),利用本發(fā)明方法對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),平均正確校驗(yàn)概率近似為99.9%。信噪比小于-3dB大于-7dB時(shí),1000次仿真中,出現(xiàn)錯(cuò)誤的次數(shù)急驟增加,這說明本方法具有較好的校驗(yàn)性能。以-3dB為例,虛警概率Pfa取0.0001時(shí),檢測(cè)方法可將915次錯(cuò)誤處理全部檢測(cè)出來,85次正確處理結(jié)果也全部得到確認(rèn),平均正確校驗(yàn)概率達(dá)100%。
以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例,凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。