[發(fā)明專利]無線電引信信號識別和重構系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710416064.3
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107171994B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設計）人: 趙惠昌;楊彤;仝華東
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H04L27/00
• 分類號: H04L27/00;G06K9/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

1.一種基于無線電引信信號識別和重構系統(tǒng)的無線電引信信號識別和重構方法，其特征在于，系統(tǒng)包括搭建在LabVIEW平臺的信號產(chǎn)生與發(fā)射模塊、信號接收模塊、信號制式識別模塊、信號參數(shù)提取和重構模塊；信號產(chǎn)生與發(fā)射模塊用于各種制式信號的生成和射頻信號的發(fā)射；信號接收模塊用于射頻信號的接收，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供信號制式識別模塊識別；信號制式識別模塊用于對接收到的信號進行識別，判斷其調(diào)制制式；信號參數(shù)提取和重構模塊用于根據(jù)判斷出的信號制式進行參數(shù)提取，再根據(jù)所得參數(shù)進行重構；所述方法包括以下步驟：

步驟1，設置需發(fā)射信號的制式以及各項參數(shù)，系統(tǒng)生成該信號的時域波形圖，將中頻調(diào)制后的射頻信號發(fā)射出去；具體為：

信號產(chǎn)生與發(fā)射模塊將LabVIEW軟件界面上所產(chǎn)生的數(shù)字信號接入I-Q信號發(fā)生器；

將輸出的中頻信號與本振源提供的載頻信號一同進入上變頻器進行變頻；

將變頻器所產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)天線發(fā)出，即為該模塊產(chǎn)生的射頻信號；

步驟2，接收射頻信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；具體為：

信號接收模塊將步驟1產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)天線接收下來，與本振源提供的載頻信號一同進入下變頻器，下變頻后得到一模擬中頻信號；

將該模擬中頻信號輸入中頻數(shù)字化器得到數(shù)字信號；

步驟3，對數(shù)字信號進行識別，判斷其調(diào)制制式；

通過占空比的求取，判斷其類型為脈沖串或連續(xù)波；對于連續(xù)波信號，由信號在頻譜上的3dB帶寬B_3dB，區(qū)分單頻信號和頻率受調(diào)制信號；針對單頻信號，根據(jù)瞬時相位特性分為多普勒連續(xù)波和偽碼調(diào)相信號；針對調(diào)頻信號，根據(jù)線性調(diào)頻因子值分為線性調(diào)頻和正弦調(diào)頻信號；針對線性調(diào)頻信號，分為鋸齒波線性調(diào)頻信號和三角波線性調(diào)頻信號；具體為：

(1)脈沖串信號和連續(xù)波信號識別：

假設偵收到的引信信號為s[n]，通過下式計算其包絡波形：

A_s[n]＝|s[n]|

通過設定門限閾值P_d來判斷該信號是否為脈沖串信號：

對于A_s2[n]，計算信號占空比τ，當占空比大于閾值τ_d時，判為連續(xù)波信號，否則判為脈沖串信號；

(2)單頻信號和頻率受調(diào)制信號識別：

對偵收到的引信信號進行傅立葉變換，并求出信號3dB帶寬B_3dB，設定3dB帶寬閾值B_d，若B_3dBB_d，偵收到的信號為調(diào)頻類信號；若B_3dB≤B_d，則偵收到的信號為單頻信號；

(3)連續(xù)波多普勒信號和偽碼調(diào)相信號識別：

a)對偵收到的引信信號進行Hilbert變換，求取信號的瞬時相位

b)對瞬時相位進行一次差分得

c)為減小噪聲對的影響，做一個滑動窗口，每次滑動一個數(shù)據(jù)單位，在這個窗口下依次對求平均，命名平均值為j＝1,2…P，P為滑動次數(shù)；

d)檢測的范圍，即選取相位閾值若則偵收到的信號為偽碼調(diào)相信號；若則偵收的信號為連續(xù)波多普勒信號；

(4)線性調(diào)頻信號和正弦調(diào)頻信號識別：

針對線性調(diào)頻和正弦調(diào)頻，由分數(shù)階傅里葉變換對線性調(diào)頻信號的聚斂特性進行識別；判斷方法如下：

首先，截取信號周期長度的二分之一；

然后，在[0,2]內(nèi)以△p為步進，取n個點；分別對信號進行n次傅里葉變換，得到對應個數(shù)的分數(shù)階域譜FRFT_p(f)并找出每個譜上的最大值M_p＝max(FRFT_p(f))，在所有階數(shù)所對應的M_p中找出最大值max(M_p)，定義σ_f＝max(M_p)，得到與該最大值對應的階數(shù)p_max＝arg(max(M_p))；

設置線性調(diào)頻因子閾值σ_d來判斷該信號是否為線性調(diào)頻信號，若σ_fσ_d，偵收到的信號為線性調(diào)頻信號；若σ_f≤σ_d，則偵收到的信號為正弦調(diào)頻信號；

(5)鋸齒波線性調(diào)頻和三角波線性調(diào)頻信號識別：

首先，通過對信號做短時傅立葉變換得到一個時頻能量分布的三維圖形；

然后，對其提取時頻脊線得到一個二維上的瞬時頻率圖；由圖中最大值所處橫坐標t和采樣長度l(t_d＝0.7*l)之間關系，判斷該信號是否為鋸齒波調(diào)頻信號；具體過程為：設一個橫坐標閾值t_d，若tt_d，偵收到的信號為鋸齒波調(diào)頻信號；若t≤t_d，則偵收到的信號為三角波調(diào)頻信號；

步驟4，根據(jù)判斷出的信號制式，選擇與之對應的方法進行參數(shù)提取，再根據(jù)所得參數(shù)構建出一個新的信號；參數(shù)提取的具體過程為：

(1)鋸齒波線性調(diào)頻信號：

鋸齒連續(xù)波線性調(diào)頻信號表示為：

其中，f₀為載頻頻率，T_M為調(diào)制周期，k為調(diào)頻斜率；

a.調(diào)制周期T_M

采用自相關函數(shù)提取其調(diào)制周期；

當-T_M≤τ0時，τ為位移量，自相關函數(shù)表示為：

當0≤τT_M時，自相關函數(shù)表示為：

于是，單周期基帶線性調(diào)頻信號自相關函數(shù)的幅值為：

由上式可知，當τ＝0和τ＝T_M時，可得到|R_u(τ)|的最大值，因此，通過檢測連續(xù)波線性調(diào)頻信號自相關峰值出現(xiàn)的位置，即可得到信號的調(diào)制周期；

b.調(diào)制斜率k

當分數(shù)階傅里葉變換選取的階數(shù)與線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率相對應時，線性調(diào)頻信號可在對應的分數(shù)階頻域達到最大的能量積累；

通過不斷改變FRFT的階數(shù)p＝-2α/π，α為旋轉(zhuǎn)角度，計算線性調(diào)頻信號對應的分數(shù)階域譜FRFT_p(f)，對比求取所有分數(shù)階譜的最大幅值M_p＝max(FRFT_p(f))并記錄該最大幅值對應的階數(shù)p_max，最后最優(yōu)階數(shù)p_max和調(diào)頻斜率k之間的對應關系估計信號的調(diào)頻斜率,F_s為采樣率，N為信號點數(shù)；

c.載波頻率f₀

求得斜率k之后，在原始信號上乘以exp(-jπkt²)因子，即得到單載頻信號；將去斜率的信號進行傅立葉變換，求出信號的載頻：

f₀＝arg{max{fft[s(t)·exp(-jπkt²)]}}

(2)正弦調(diào)頻連續(xù)波信號：

正弦調(diào)頻信號表示為：

s_sfm＝A·exp{j2π[f₀(nT_M)+m·cos(2π·f_sfm·nT_M+ψ_sfm)]}

其中，T_M為調(diào)制周期，f_o為載頻，m為信號的調(diào)頻指數(shù)，f_sfm為調(diào)制頻率，ψ_sfm為調(diào)頻初始相位；

a.調(diào)制周期T_M提取過程同鋸齒波線性調(diào)頻信號；

b.調(diào)頻初始相位及調(diào)制指數(shù)

設定變量ψ∈[0,2π]和Fs為采樣率，并建立一個參考信號：

式中，A為幅值，T_s為采樣周期；

與未知信號相乘后，做傅里葉變換得函數(shù)P：

首先使m的搜索步進大于第一閾值，ψ的搜索步進小于第二閾值，進行二維搜索，估計出再以為確定值，使m的搜索步進小于等于第一閾值，進行一維搜索；

c.載波頻率f₀

通過傅立葉變換得到載頻：

(3)單頻連續(xù)波信號

單載頻連續(xù)波信號表示為：

s_do＝exp{j[2πf₀(nT_S)]+ψ₀}

其中，n為信號點數(shù)，T_S為采樣周期，f_o為載頻，ψ₀為初始相位；

a.載頻估計

(4)單頻偽碼調(diào)相信號

單載偽碼調(diào)相信號表示為：

其中，T_S為采樣周期，f_o為載頻，ψ_o為初始相位，Q是偽隨機序列的長度，T_c為偽碼碼元寬度，c_q是偽隨機序列，取值為1或-1；

a.采用自相關函數(shù)提取采樣周期T_S；

b.載波頻率f₀

c.偽隨機序列

可知未經(jīng)調(diào)相的載波信號取其共軛與原信號相乘得到去載頻信號：

對進行閾值判斷，確定偽隨機序列；

(5)脈沖串信號：

脈沖串信號表示為：

其中，n為信號點數(shù)，T_r為脈沖重復周期；

a.脈沖重復周期T_r提取過程同上；

b.脈沖序列

先將信號做求模處理，再按照從大到小的順序提取信號的前M個最大值，求其平均值作為判斷閾值，大于等于該閾值記為1，小于該閾值記為0；統(tǒng)計出所有值為1處的個數(shù)，其與信號周期長度的比值即為脈沖的占空比；M的取值根據(jù)具體情況設定；

由以下關系來確定高頻脈沖起始位置ds和終止位置de：

ds:x[n-1]≤x[n] x[n]≥x[n+1]

de:x[n-1]≥x[n] x[n]≤x[n+1]

(6)三角波線性調(diào)頻的參數(shù)提取過程與鋸齒波相同，只是在求取調(diào)制斜率這一步驟上，只取信號長度的一半，后一半的斜率取其相反數(shù)即可。