跳频通信自适应抗干扰技术
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1.2.2 扩频信号的检测与参数估计

直接序列扩频和跳频现在已经成为军事通信抗干扰的主流技术。扩频信号的检测与参数估计主要包括扩频信号的检测、捕获和参数估计等。对于扩频信号的检测与参数估计,主要分为直接序列扩频信号的检测与参数估计、跳频信号的检测与参数估计。

1.直接序列扩频信号的检测与参数估计

能量检测法及其改进形式是最基本的直接序列扩频信号检测方法,基本思想是假设在高斯白噪声环境下,信号加噪声的能量会大于单纯噪声的能量。通过选取合适的门限值,在没有先验信息的前提下完成信号检测。

20世纪80年代以来,大量学者研究了直接序列扩频信号的检测与参数估计。这些方法利用直接序列扩频信号的特点,通过非线性变换产生特征信号,从而实现对直接序列扩频信号的分析,典型代表是载频检测器和伪码周期检测器[21]。由于直接序列扩频信号具有循环平稳的特性,因此,对于直接序列扩频信号的检测与参数估计,主要方法是采用Gardner提出的循环平稳理论[22];现代谱估计方法及其改进方法也在直接序列扩频信号的检测与参数估计中得到了广泛的应用,文献[23]应用高阶统计量的方法实现了直接序列扩频信号的检测。

2.跳频信号的检测与参数估计

跳频通信中的识别主要集中在跳频信号的侦察、检测与参数估计上。

由于跳频信号频率的时变性,它属于非平稳信号,因此时频分析在跳频信号的盲检测和参数盲估计中得到了很好的应用。

文献[24]应用伪Wigner-Ville分布(Pseudo Winger-Ville Distrbution,PWVD)方法实现了跳频信号的识别与参数估计。该方法能够比较精确地估计跳频周期和载波频率,存在的问题是计算量比较大。

文献[25]在文献[24]的基础上提出用平滑伪Wigner-Ville分布(Smoothed Pseudo Winger-Ville Distrbution,SPWVD)方法代替PWVD方法来估计跳频参数。虽然SPWVD方法的运算量比PWVD方法大,但是能够较好地消除交叉项的影响。

文献[26]通过短时傅里叶变换获得了跳频信号的时频特征,采用小波变换得到了时频特征的边沿信息,采用谱分析的方法实现了对跳频速率的估计。该方法能有效避免交叉项对跳频信号参数估计的影响。

文献[27]应用Gabor谱方法实现了对跳频信号的参数估计。该方法能够保留WVD自身的优点,同时能够抑制交叉项干扰。

文献[28]采用原子分解算法,通过构建时频原子字典实现了对跳频信号的盲估计,而且可以避免WVD的交叉项干扰。

前面主要是单天线下跳频信号的检测与参数估计。而在阵列天线下,通过对信号的波达方向(Direction of Arrival,DoA)进行估计和波束形成技术,可以在空域实现信号的分离。

高分辨率谱估计方法主要包括最大熵谱估计方法和最小方差谱估计方法。此类方法的分辨力较强,但是存在运算量过大及健壮性差的缺点[29]。此后,文献[30]提出的多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法开启了对现代超分辨测向技术的研究。

前面提到的DoA估计主要是针对窄带信号的,对于宽带信号源的测向,此类算法无能为力。这是因为宽带信号的相对带宽较大,当信号入射到阵列的各个天线上时,会产生相位模糊现象。跳频信号恰好属于典型的宽带信号。

宽带测向算法通常包括最大似然方法[31]和信号子空间方法两大类,而信号子空间方法又分为非相干信号子空间方法(ISM)[32]和相干信号子空间方法(CSM)[33-35]。其中,最大似然方法的计算量通常较大。因此,在宽带测向算法中应用较多的是信号子空间方法。

在DoA估计以后,会形成一定的波束对准目标。而波束形成就是通过对各阵元加权进行空域滤波来达到增强期望信号、抑制干扰信号的目的的。

在DoA估计和波束形成研究的基础上,大量学者对跳频信号的检测与参数估计进行了研究。

文献[36]在实现多个跳频信号的载波频率和方位角的估计的基础上,应用波束形成技术实现了每个调频信号的空间滤波,利用动态规划算法,最终实现跳频信号的跳时、频率、幅度和相位的估计。

文献[37]应用动态规划算法解决了跳频组网中存在的频率冲突问题。该算法在调制方式为FSK、PSK和GMSK的跳频通信系统中得到了应用。

文献[38]基于时频分析、空间谱估计,结合数字信道化和时频聚焦等技术实现了多个跳频信号的DoA估计。同时,该文献在信号预选、参数估计的基础上进行了跳频信号分选技术的研究。

文献[39]提出了基于宽带处理的多个跳频信号的盲检测与参数盲估计方法。该方法能够实现跳频信号的盲检测、盲分离和参数盲估计,并准确估计出跳频信号的驻留时间、跳速和DoA等参数;在此基础上,提出了一种基于频域处理的宽带恒束宽的波束形成方法,当阵元个数比较少时,能够得到良好的空间滤波效果。该文献最终还实现了一个集宽带搜索、测向等功能为一体的实用化短波跳频侦察机。