CN1194508A - 基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法,根据跳频信号的频率点之间的间隔是信道间隔的整倍数这一特点,可将所有频率点上的信号经一阶带通采样搬到同一低频,然后利用阵列测向方法对多信号测向并利用数字波束形成进行侦收。仅在常规阵列测向设备中增加宽带低中频滤波器和波束形成算法即可实现跳频信号一体化测向与侦收***。因此具有设备简单,性能好,使用方便,成本低廉等特点,具有推广应用价值。

Description

基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法

本发明涉及通信侦察领域中的一种跳频信号的测向与侦收方法，特别适用于将基于阵列测向方法的测向***扩展为跳频信号测向与侦收一体化的***。

目前跳频通信是一种较为成熟的扩展频谱通信技术，由于具有较强的抗截获和抗干扰性能而在多种领域得到了广泛的应用，尤其是在军事通信领域，跳频信号一般是利用伪随机码改变信号的载频频率，使之在固有的频率点之间间隔为标准信道间隔整数倍的频率集上跳变，在接收端为了能够接收到跳频信号，需要与发射端同步，这就需要知道跳频图案的密钥。跳频信号的截获侦察主要包括①频率集及跳频图案的侦察，②跳频信号的测向，③跳频信号的侦收。

由于用于改变载频的伪随机码的周期较长，尽管能用快速设备获取其频率集，但通过侦察跳频图案得到其密钥非常困难，这样常规的跳频信号侦收只能利用①引导跟踪方法，即利用其它设备侦察出跳频信号的载频，再引导侦收设备进行侦收，②使用硬件极为复杂的信道化技术。

而对跳频信号的测向并不要求像侦收一样需要抓住所有的信号，因此有较多的选择，常规的跳频信号测向方法主要有以下三种：

(1)在有快速频率搜索设备引导时的跟踪式测向；

(2)已知频率集时的等待式测向；

(3)无频率集先验信息时的搜索碰撞式测向。

当跳频信号的跳频速率较高时，由于测向***的换频时间、信道建立时间等指标的限制，以上测向方法均难以满足较高要求，而引导式侦收问题则更加难以解决。

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种将跳频信号在不同时刻、不同载频上出现的频谱搬移到同一个低频上进行处理，使跳频信号的全部信息保留下来的基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法。并本发明还具有与信道化相当的侦收效果，依据该方法实现的跳频信号测向与侦收一体化***具有设备简单，性能好，使用方便，成本低廉等特点。

本发明的目的是这样实现的，本发明的方法包括以下技术措施：

(1)利用阵列测向方法对同频多信号进行测向处理；

(2)利用数字波束形成方法抑制同频干扰信号，提高有用信号的信噪(干)比；

(3)利用一阶带通采样时，若频谱反向放置，则信号相位与频谱正向放置时相反，测向结果相差180°；

本发明的方法还包括技术措施步骤：

(1)使用宽带低中频滤波器以覆盖跳频信号的频率跳变范围；

(2)按一阶带通采样的最佳采样频率选取公式： ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{4{\mathrm{\ω}}_C}{4n+1}$

和信号带宽及信道间隔来确定各信号的低中频频率及采样频率，以使在不同频率上出现的信号经一阶带通采样均搬移到同一低频；

(3)利用高速低通采样(高于低中频滤波器带宽的二倍)在测向的同时得到跳频信号的跳频图案。

本发明的目的还可以通过以下技术措施达到：

(1)利用宽带低中频滤波器以覆盖跳频信号的频率跳变范围的技术措施步骤：宽带低中频滤波器分成一组较窄(比单个信道宽得多)的低中频滤波器，每个滤波器均配接相应的带通采样与分频段处理单元，构成宽带信道化***。

(2)利用高速低通采样(高于低中频滤波器带宽的二倍)在测向的同时得到跳频信号的跳频图案侦察的技术措施步骤：测向处理部分是以二倍以上于宽带信道化滤波器带宽的高速低通采样频率采样，利用FFT得到信号的跳频图案，并在频域得到测向处理所需要的协方差矩阵，另外对高速采样所得的数字信号进行二次采样得到同一频率的低频信号并进行侦收处理。

本发明相比背景技术有如下优点：

(1)本发明仅在常规的阵列测向设备中增加相应的宽带低中频滤波器和数字滤束形成算法即可实现跳频信号的一体化测向与侦收，因此以本发明方法制作的设备简单，成本低廉。

(2)本发明可以实现对跳频信号的全信号能量截获，其测向与侦收效果与极为复杂的信道化设备相当，因此性能好。

3.本发明方法及其用该方法制造的设备均使用方便，具有推广应用价值。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明的实施例电原理方框图。

参照图1，本发明的实施例由天线阵列及天线开关阵1、校零信号源2、多信道接收机3、宽带信道化滤波器4、频率综合器5、带通采样与分频段处理器6、采样时钟产生器7、综合处理与监控器8组成。其中实施例多信道接收机3由8个并接的多信道接收机3-1至3-8构成，每个多信道接收机3-1至3-8串接2个带宽均为10MHz的宽带信道化滤波器4-1-1、4-1-2至4-8-1、4-8-2，每个宽带信道化滤波器4-1-1至4-8-1连接带通采样与分频段处理器6-1，而每个宽带信道化滤波器4-1-2至4-8-2连接带通采样与分频段处理器6-2。

实施本发明方法的原理如下：根据跳频信号频率点出现的特性及最佳一阶带通采样频率选取公式来确定中频频率及采样频率使得在不同频率上出现的信号经一阶带通采样均搬移到同一低频。假设带通信号的中心频率为ω_C，带宽为2ω_B，由一阶带通采样定理可知，在[0，ω_C-ω_B]内最多可放置m个信号正频谱， $m=$ $\frac{{\mathrm{\ω}}_C-{\mathrm{\ω}}_B}{4{\mathrm{\ω}}_B}$ $---\left(1\right)$ 其中[X]表示不超过X的最大整数，当选取采样频移系数n满足0≤n≤m时，可得最佳采样频率ω₀为 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{4{\mathrm{\ω}}_C}{4n+1}.---\left(2\right)$

设计时考虑一阶带通采样的反问题，即如何确定各信号的中心频率，才能由一个相同的采样频率把所有频率点上的信号均搬移到同一低频。由式(2)可知，只要选择 ${\mathrm{\ω}}_C=(n+\frac{1}{4}){\mathrm{\ω}}_0---\left(3\right)$ 即可。这样首先根据跳频信号带宽及信道间隔确定采样频率ω₀，然后由式(3)确定各个低中频信号的中心频率点，实施例中确定好中心频率点后，要设计相应的多信道接收机3的本振频率。此时，采样后跳频信号的中心频率均被搬移到ω₀/4的低频上。

由于ω₀的选取要保证信号无混迭，因此可能大于信道间隔，这时为使得一部分ω_C与ω₀满足式(3)，应取ω₀为二倍的信道间隔，此时另一部分ω_C满足 ${\mathrm{\ω}}_C=(n+\frac{3}{4}){\mathrm{\ω}}_0,---\left(4\right)$ 这正是信号频谱反向放置的情况。频谱反向放置对测向并无影响(只是由于相位均相反，而使得测向结果正好差180°)，仅对某些特殊调制类型信号的解调有影响。

由于宽带信道化滤波器带宽内的信号经带通采样与分频段处理器6采样后都搬移到中心频率为ω₀/4的低频上，因此在处理带宽内不可避免地会出现多个信号，这时在带通采样与分频段处理器6中利用通常的测向处理方法将无法处理，而需要利用有多信号处理能力的阵列处理方法对采样后的多信号进行测向计算，实施例中阵列测向处理采用多信号分类法(MUSIC)和加权子空间拟合法(WSF)进行测向处理，它们具有对未知射频频率足够的稳健性。

实施例中采样后的处理带宽内可能有多个信号，这样对跳频信号的侦收就构成了干扰，而对跳频信号侦收需要有一定的信噪(干)比，这时要利用数字波束形成抑制掉干扰信号，对有用的跳频信号进行信干比增强。由于相同的采样时延对不同载频的信号产生的相移不同，而跳频信号载频无法预测，因而此时的波束形成不能采用本发明人在中国专利专利号为97118773.8中提出的基于一阶带通采样时延的方法，实施例在带通采样与分频段处理器6中采用实现较为复杂的常规数字波形成法形成波束方向性图，以得到具有较高信干比的信号，用于解调。

当利用一个宽带低中频滤波器4覆盖整个跳频带宽时，会产生两个问题，一是实际使用环境中，电磁频谱密度较高，在整个跳频带宽内的干扰信号数目有可能超过波束形成对干扰抑制数目的极限，而无法有效侦收，二是跳频信号解调时需要比测向处理更高的信噪比，由于采样时的噪声叠加效应，当信号较弱时，信噪比可能太低，以至无法解调。为解决以上问题，需要利用宽带信道化技术，将整个跳频带宽分为P个子频带，每个子频带由一个与之相应的低中频滤波器覆盖，对应的一组(覆盖相同频段)滤波器的输出接到同一个带通采样与分频段处理器6，在每个带通采样与分频段处理器6中做覆盖带宽内的测向与侦收处理，然后在综合处理与监控器8中对各分频段的处理结果进行复合拼接，得到总的测向与侦收结果。实施例中P选为2，宽带信道化滤波器分别为4-1-1、4-1-2至4-8-1、4-8-2。

当所选用的处理器性能很高(运算速度快)时，这时可以对宽带信道化滤波器4的输出进行高速低通采样，对采样信号做快速付立叶变换(FFT)，可以得到跳频信号的跳频图案，在频域进行加窗(主要去掉无用的干扰信号的频谱)处理可以得到测向处理所需的信号的协方差矩阵。另外，对高速采样信号进行二次采样，可以得到同一频率的低频信号，并进行侦收处理。实施例中在带通采样与分频段处理器6中使用25MHz的采样频率对宽带信道化滤波器4的输出进行采样，按频段得到跳频图案后，再去综合处理与监控器8中对带通采样与分频段处理器6-1和6-2的结果进行复合拼接，得到总的跳频图案。用于侦收处理的二次采样频率为50kHz。

本发明实施例中天线阵列及天线开关阵1用8个位于空间不同位置天线阵元对空间传播的跳频等电磁辐射信号进行接收，输入至多信道接收机3，多信道接收机3经变频与放大后送至宽带信道化滤波器4，经分频段滤波后输入带通采样与分频段处理器6，用一阶带通采样搬移到同一低频。本发明实施例工作于超短波频段，主要对30至88MHz的跳频信号测向与侦收，该频段跳频信号的带宽一般为16kHz，跳频信号信道间隔一般为25kHz，这种跳频信号的频率集中的各频率点之间的间隔应选为2倍的信道间隔，即50kHz，由式(3)知带通采样前各跳频信号在低频上应出现在62.5kHz、112.5kHz、162.5kHz等频率点上(或由式(4)知在频谱反向放置时，各跳频信号在低频上出现在37.5kHz、87.5kHz、137.5kHz等频率点上)，由一阶带通采样将其中心频率均搬移到12.5kHz。

校零信号源2其作用是产生所需测向频率上的校准信号，通过天线阵列及天线开关阵1选择输入到多信道接收机3的各个信道，以校准信道的幅度和相位不一致性。频率综合器5用于提供多信道接收机3的本振源频率信号，为了便于信道数目的扩展，本振源信号采用分路串接的方式，即第N-1个信道的本振源信号是由第N个信道的本振信号提供，并使宽带信道化滤波器4覆盖相应的跳频带宽。实施例中宽带信道化滤波器4的作用是分频段覆盖整个跳频带宽，使得既能获取全部的跳频点，又能减低干扰和噪声对测向与侦收的影响。

带通采样与分频段处理器6的作用是对相应的宽带信道化滤波器4的输出进行带通采样(在需要侦察跳频图案时也可进行高速低通采样)，并对该频段内的信号进行同频多信号的阵列测向处理并形成数字波束，对有用的跳频信号进行侦收处理(在高速低通采样时也可得到跳频图案)。采样时钟产生器7作用是根据***的需要，产生所需的采样时钟信号。经带通采样与分频段处理器6处理的结果输入至综合处理与监控器8进行复合与拼接处理，完成测向与侦收。综合处理与监控器8还用于整个设备的监控。

Claims (3)

1.一种基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法，包括以下技术措施：

(1)利用阵列测向方法对同频多信号进行测向处理；

(2)利用数字波束形成方法抑制同频干扰信号，提高有用信号的信噪(干)比；

(3)利用一阶带通采样时，若频谱反向放置，则信号相位与频谱正向放置时相反，测向结果相差180°；

其特征在于还包括以下技术措施步骤：

(1)使用宽带低中频滤波器以覆盖跳频信号的频率跳变范围；

(2)按一阶带通采样的最佳采样频率选取公式： ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{4{\mathrm{\ω}}_C}{4n+1}$

和信号带宽及信道间隔来确定各信号的低中频频率及采样频率，以使在不同频率上出现的信号经一阶带通采样均搬移到同一低频；

(3)利用高速低通采样(高于低中频滤波器带宽的二倍)在测向的同时得到跳频信号的跳频图案。

2.根据权利要求1所述的基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法，其特征在于利用宽带低中频滤波器以覆盖跳频信号的频率跳变范围的技术措施步骤：宽带低中频滤波器分成一组较窄(比单个信道宽得多)的低中频滤波器，每个滤波器均配接相应的带通采样与分频段处理单元，构成宽带信道化***。

3.根据权利要求1或2所述的基于一阶带通采样的跳频信号测向与侦收方法，其特征在于利用高速低通采样(高于低中频滤波器带宽的二倍)在测向的同时得到跳频信号的跳频图案侦察的技术措施步骤：测向处理部分是以二倍以上于宽带信道化滤波器带宽的高速低通采样频率采样，利用快速付立叶变换(FFT)得到信号的跳频图案，并在频域得到测向处理所需要的协方差矩阵，另外对高速采样所得的数字信号进行二次采样得到同一频率的低频信号并进行侦收处理。