專利名稱：基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法
技術領域：
本發明涉及通信偵察領域中的一種跳頻信號的測向與偵收方法，特別適用于將基于陣列測向方法的測向系統擴展為跳頻信號測向與偵收一體化的系統。
目前跳頻通信是一種較為成熟的擴展頻譜通信技術，由于具有較強的抗截獲和抗干擾性能而在多種領域得到了廣泛的應用，尤其是在軍事通信領域，跳頻信號一般是利用偽隨機碼改變信號的載頻頻率，使之在固有的頻率點之間間隔為標準信道間隔整數倍的頻率集上跳變，在接收端為了能夠接收到跳頻信號，需要與發射端同步，這就需要知道跳頻圖案的密鑰。跳頻信號的截獲偵察主要包括①頻率集及跳頻圖案的偵察，②跳頻信號的測向，③跳頻信號的偵收。
由于用于改變載頻的偽隨機碼的周期較長，盡管能用快速設備獲取其頻率集，但通過偵察跳頻圖案得到其密鑰非常困難，這樣常規的跳頻信號偵收只能利用①引導跟蹤方法，即利用其它設備偵察出跳頻信號的載頻，再引導偵收設備進行偵收，②使用硬件極為復雜的信道化技術。
而對跳頻信號的測向并不要求像偵收一樣需要抓住所有的信號，因此有較多的選擇，常規的跳頻信號測向方法主要有以下三種(1)在有快速頻率搜索設備引導時的跟蹤式測向；(2)已知頻率集時的等待式測向；(3)無頻率集先驗信息時的搜索碰撞式測向。
當跳頻信號的跳頻速率較高時，由于測向系統的換頻時間、信道建立時間等指標的限制，以上測向方法均難以滿足較高要求，而引導式偵收問題則更加難以解決。
本發明的目的在于避免上述背景技術中的不足之處而提供一種將跳頻信號在不同時刻、不同載頻上出現的頻譜搬移到同一個低頻上進行處理，使跳頻信號的全部信息保留下來的基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法。并本發明還具有與信道化相當的偵收效果，依據該方法實現的跳頻信號測向與偵收一體化系統具有設備簡單，性能好，使用方便，成本低廉等特點。
本發明的目的是這樣實現的，本發明的方法包括以下技術措施(1)利用陣列測向方法對同頻多信號進行測向處理；(2)利用數字波束形成方法抑制同頻干擾信號，提高有用信號的信噪(干)比；(3)利用一階帶通采樣時，若頻譜反向放置，則信號相位與頻譜正向放置時相反，測向結果相差180°；本發明的方法還包括技術措施步驟(1)使用寬帶低中頻濾波器以覆蓋跳頻信號的頻率跳變范圍；(2)按一階帶通采樣的最佳采樣頻率選取公式ω0=4ωC4n+1]]>和信號帶寬及信道間隔來確定各信號的低中頻頻率及采樣頻率，以使在不同頻率上出現的信號經一階帶通采樣均搬移到同一低頻；(3)利用高速低通采樣(高于低中頻濾波器帶寬的二倍)在測向的同時得到跳頻信號的跳頻圖案。
本發明的目的還可以通過以下技術措施達到(1)利用寬帶低中頻濾波器以覆蓋跳頻信號的頻率跳變范圍的技術措施步驟寬帶低中頻濾波器分成一組較窄(比單個信道寬得多)的低中頻濾波器，每個濾波器均配接相應的帶通采樣與分頻段處理單元，構成寬帶信道化系統。
(2)利用高速低通采樣(高于低中頻濾波器帶寬的二倍)在測向的同時得到跳頻信號的跳頻圖案偵察的技術措施步驟測向處理部分是以二倍以上于寬帶信道化濾波器帶寬的高速低通采樣頻率采樣，利用FFT得到信號的跳頻圖案，并在頻域得到測向處理所需要的協方差矩陣，另外對高速采樣所得的數字信號進行二次采樣得到同一頻率的低頻信號并進行偵收處理。
本發明相比背景技術有如下優點(1)本發明僅在常規的陣列測向設備中增加相應的寬帶低中頻濾波器和數字濾束形成算法即可實現跳頻信號的一體化測向與偵收，因此以本發明方法制作的設備簡單，成本低廉。
(2)本發明可以實現對跳頻信號的全信號能量截獲，其測向與偵收效果與極為復雜的信道化設備相當，因此性能好。
3.本發明方法及其用該方法制造的設備均使用方便，具有推廣應用價值。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。


圖1是本發明的實施例電原理方框圖。
參照圖1，本發明的實施例由天線陣列及天線開關陣1、校零信號源2、多信道接收機3、寬帶信道化濾波器4、頻率綜合器5、帶通采樣與分頻段處理器6、采樣時鐘產生器7、綜合處理與監控器8組成。其中實施例多信道接收機3由8個并接的多信道接收機3-1至3-8構成，每個多信道接收機3-1至3-8串接2個帶寬均為10MHz的寬帶信道化濾波器4-1-1、4-1-2至4-8-1、4-8-2，每個寬帶信道化濾波器4-1-1至4-8-1連接帶通采樣與分頻段處理器6-1，而每個寬帶信道化濾波器4-1-2至4-8-2連接帶通采樣與分頻段處理器6-2。
實施本發明方法的原理如下根據跳頻信號頻率點出現的特性及最佳一階帶通采樣頻率選取公式來確定中頻頻率及采樣頻率使得在不同頻率上出現的信號經一階帶通采樣均搬移到同一低頻。假設帶通信號的中心頻率為ωC，帶寬為2ωB，由一階帶通采樣定理可知，在
內最多可放置m個信號正頻譜，m=ωC-ωB4ωB---(1)]]>其中[X]表示不超過X的最大整數，當選取采樣頻移系數n滿足0≤n≤m時，可得最佳采樣頻率ω0為ω0=4ωC4n+1.---(2)]]>設計時考慮一階帶通采樣的反問題，即如何確定各信號的中心頻率，才能由一個相同的采樣頻率把所有頻率點上的信號均搬移到同一低頻。由式(2)可知，只要選擇ωC=(n+14)ω0---(3)]]>即可。這樣首先根據跳頻信號帶寬及信道間隔確定采樣頻率ω0，然后由式(3)確定各個低中頻信號的中心頻率點，實施例中確定好中心頻率點后，要設計相應的多信道接收機3的本振頻率。此時，采樣后跳頻信號的中心頻率均被搬移到ω0/4的低頻上。
由于ω0的選取要保證信號無混迭，因此可能大于信道間隔，這時為使得一部分ωC與ω0滿足式(3)，應取ω0為二倍的信道間隔，此時另一部分ωC滿足ωC=(n+34)ω0,---(4)]]>這正是信號頻譜反向放置的情況。頻譜反向放置對測向并無影響(只是由于相位均相反，而使得測向結果正好差180°)，僅對某些特殊調制類型信號的解調有影響。
由于寬帶信道化濾波器帶寬內的信號經帶通采樣與分頻段處理器6采樣后都搬移到中心頻率為ω0/4的低頻上，因此在處理帶寬內不可避免地會出現多個信號，這時在帶通采樣與分頻段處理器6中利用通常的測向處理方法將無法處理，而需要利用有多信號處理能力的陣列處理方法對采樣后的多信號進行測向計算，實施例中陣列測向處理采用多信號分類法(MUSIC)和加權子空間擬合法(WSF)進行測向處理，它們具有對未知射頻頻率足夠的穩健性。
實施例中采樣后的處理帶寬內可能有多個信號，這樣對跳頻信號的偵收就構成了干擾，而對跳頻信號偵收需要有一定的信噪(干)比，這時要利用數字波束形成抑制掉干擾信號，對有用的跳頻信號進行信干比增強。由于相同的采樣時延對不同載頻的信號產生的相移不同，而跳頻信號載頻無法預測，因而此時的波束形成不能采用本發明人在中國專利專利號為97118773.8中提出的基于一階帶通采樣時延的方法，實施例在帶通采樣與分頻段處理器6中采用實現較為復雜的常規數字波形成法形成波束方向性圖，以得到具有較高信干比的信號，用于解調。
當利用一個寬帶低中頻濾波器4覆蓋整個跳頻帶寬時，會產生兩個問題，一是實際使用環境中，電磁頻譜密度較高，在整個跳頻帶寬內的干擾信號數目有可能超過波束形成對干擾抑制數目的極限，而無法有效偵收，二是跳頻信號解調時需要比測向處理更高的信噪比，由于采樣時的噪聲疊加效應，當信號較弱時，信噪比可能太低，以至無法解調。為解決以上問題，需要利用寬帶信道化技術，將整個跳頻帶寬分為P個子頻帶，每個子頻帶由一個與之相應的低中頻濾波器覆蓋，對應的一組(覆蓋相同頻段)濾波器的輸出接到同一個帶通采樣與分頻段處理器6，在每個帶通采樣與分頻段處理器6中做覆蓋帶寬內的測向與偵收處理，然后在綜合處理與監控器8中對各分頻段的處理結果進行復合拼接，得到總的測向與偵收結果。實施例中P選為2，寬帶信道化濾波器分別為4-1-1、4-1-2至4-8-1、4-8-2。
當所選用的處理器性能很高(運算速度快)時，這時可以對寬帶信道化濾波器4的輸出進行高速低通采樣，對采樣信號做快速付立葉變換(FFT)，可以得到跳頻信號的跳頻圖案，在頻域進行加窗(主要去掉無用的干擾信號的頻譜)處理可以得到測向處理所需的信號的協方差矩陣。另外，對高速采樣信號進行二次采樣，可以得到同一頻率的低頻信號，并進行偵收處理。實施例中在帶通采樣與分頻段處理器6中使用25MHz的采樣頻率對寬帶信道化濾波器4的輸出進行采樣，按頻段得到跳頻圖案后，再去綜合處理與監控器8中對帶通采樣與分頻段處理器6-1和6-2的結果進行復合拼接，得到總的跳頻圖案。用于偵收處理的二次采樣頻率為50kHz。
本發明實施例中天線陣列及天線開關陣1用8個位于空間不同位置天線陣元對空間傳播的跳頻等電磁輻射信號進行接收，輸入至多信道接收機3，多信道接收機3經變頻與放大后送至寬帶信道化濾波器4，經分頻段濾波后輸入帶通采樣與分頻段處理器6，用一階帶通采樣搬移到同一低頻。本發明實施例工作于超短波頻段，主要對30至88MHz的跳頻信號測向與偵收，該頻段跳頻信號的帶寬一般為16kHz，跳頻信號信道間隔一般為25kHz，這種跳頻信號的頻率集中的各頻率點之間的間隔應選為2倍的信道間隔，即50kHz，由式(3)知帶通采樣前各跳頻信號在低頻上應出現在62.5kHz、112.5kHz、162.5kHz等頻率點上(或由式(4)知在頻譜反向放置時，各跳頻信號在低頻上出現在37.5kHz、87.5kHz、137.5kHz等頻率點上)，由一階帶通采樣將其中心頻率均搬移到12.5kHz。
校零信號源2其作用是產生所需測向頻率上的校準信號，通過天線陣列及天線開關陣1選擇輸入到多信道接收機3的各個信道，以校準信道的幅度和相位不一致性。頻率綜合器5用于提供多信道接收機3的本振源頻率信號，為了便于信道數目的擴展，本振源信號采用分路串接的方式，即第N-1個信道的本振源信號是由第N個信道的本振信號提供，并使寬帶信道化濾波器4覆蓋相應的跳頻帶寬。實施例中寬帶信道化濾波器4的作用是分頻段覆蓋整個跳頻帶寬，使得既能獲取全部的跳頻點，又能減低干擾和噪聲對測向與偵收的影響。
帶通采樣與分頻段處理器6的作用是對相應的寬帶信道化濾波器4的輸出進行帶通采樣(在需要偵察跳頻圖案時也可進行高速低通采樣)，并對該頻段內的信號進行同頻多信號的陣列測向處理并形成數字波束，對有用的跳頻信號進行偵收處理(在高速低通采樣時也可得到跳頻圖案)。采樣時鐘產生器7作用是根據系統的需要，產生所需的采樣時鐘信號。經帶通采樣與分頻段處理器6處理的結果輸入至綜合處理與監控器8進行復合與拼接處理，完成測向與偵收。綜合處理與監控器8還用于整個設備的監控。
權利要求
1.一種基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法，包括以下技術措施(1)利用陣列測向方法對同頻多信號進行測向處理；(2)利用數字波束形成方法抑制同頻干擾信號，提高有用信號的信噪(干)比；(3)利用一階帶通采樣時，若頻譜反向放置，則信號相位與頻譜正向放置時相反，測向結果相差180°；其特征在于還包括以下技術措施步驟(1)使用寬帶低中頻濾波器以覆蓋跳頻信號的頻率跳變范圍；(2)按一階帶通采樣的最佳采樣頻率選取公式ω0=4ωC4n+1]]>和信號帶寬及信道間隔來確定各信號的低中頻頻率及采樣頻率，以使在不同頻率上出現的信號經一階帶通采樣均搬移到同一低頻；(3)利用高速低通采樣(高于低中頻濾波器帶寬的二倍)在測向的同時得到跳頻信號的跳頻圖案。
2.根據權利要求1所述的基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法，其特征在于利用寬帶低中頻濾波器以覆蓋跳頻信號的頻率跳變范圍的技術措施步驟寬帶低中頻濾波器分成一組較窄(比單個信道寬得多)的低中頻濾波器，每個濾波器均配接相應的帶通采樣與分頻段處理單元，構成寬帶信道化系統。
3.根據權利要求1或2所述的基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法，其特征在于利用高速低通采樣(高于低中頻濾波器帶寬的二倍)在測向的同時得到跳頻信號的跳頻圖案偵察的技術措施步驟測向處理部分是以二倍以上于寬帶信道化濾波器帶寬的高速低通采樣頻率采樣，利用快速付立葉變換(FFT)得到信號的跳頻圖案，并在頻域得到測向處理所需要的協方差矩陣，另外對高速采樣所得的數字信號進行二次采樣得到同一頻率的低頻信號并進行偵收處理。
全文摘要
本發明公開了一種基于一階帶通采樣的跳頻信號測向與偵收方法,根據跳頻信號的頻率點之間的間隔是信道間隔的整倍數這一特點,可將所有頻率點上的信號經一階帶通采樣搬到同一低頻,然后利用陣列測向方法對多信號測向并利用數字波束形成進行偵收。僅在常規陣列測向設備中增加寬帶低中頻濾波器和波束形成算法即可實現跳頻信號一體化測向與偵收系統。因此具有設備簡單,性能好,使用方便,成本低廉等特點,具有推廣應用價值。
文檔編號H04B1/69GK1194508SQ9810161
公開日1998年9月30日 申請日期1998年4月22日 優先權日1998年4月22日
發明者劉建華 申請人:電子工業部第五十四研究所