《電子技術(shù)應(yīng)用》
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變換域LPI信號設(shè)計與性能分析
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
王統(tǒng)祥１,，范建華２,，葉永濤２，魏祥麟２
（1.解放軍理工大學 通信工程學院,，江蘇 南京210007,； 2.南京電信技術(shù)公司，江蘇 南京210007）
摘要： 信號的低截獲概率（LPI）是指發(fā)射的信號不被敵方截獲或截獲概率很低,。目前對信號進行LPI性能分析均是從偵察方的角度來考慮,，對此首次提出從信號特征角度對其LPI性能進行分析。在國內(nèi)首次將小波技術(shù)應(yīng)用到LPI信號設(shè)計并進行了仿真設(shè)計,，仿真實現(xiàn)了傳統(tǒng)時域方法的信號設(shè)計和基于FFT偽隨機相位的信號設(shè)計,；采用了高階累積量、循環(huán)平穩(wěn)性兩種信號檢測和參數(shù)估計方法,，從信號特征角度對其LPI性能進行了分析,。實驗結(jié)果表明，變換域信號的LPI性能優(yōu)于傳統(tǒng)的信號,。最后探討了變換域LPI信號設(shè)計技術(shù)的進一步研究方向,。
中圖分類號： TP302.7
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)12-0115-03
Design and analysis of the transform domain LPI signal
Wang Tongxiang1，F(xiàn)an Jianhua2,，Ye Yongtao2,，Wei Xianglin2
1.Postgraduate Team 1 CCE，PLAUST,，Nanjing 210007,，China；2.Nanjing Telecommunication Technology Institute,Nanjing 210007,，China
Abstract： Low probability of intercept(LPI) of the signal refers to that the signal sent is not intercepted or the probability of intercept is low. The analysis of LPI performance of the signal is discussed in view of the interceptor at present. The paper puts forward a detailed analysis of LPI performance of the signal in the view of the signal character for the first time. It is also the first time that the LPI signal designed based on wavelet transform is introduced and simulated in-country. And then the same way is used to the LPI signal designed based on traditional method and FFT. After simulation,，the paper compares the signals with the signal based on the traditional method. It also provided a detailed analysis of LPI performance of the signal in the view of the signal character, using high-order cumulants and cyclostationary. The result indicates that LPI performance of the signal designed based on the transform excels that designed based on the traditional method. Finally, the development trends of the technique of LPI signal design are discussed.
Key words : LPI；wavelet,；pesudo-random phase,；high-order cumulants；cyclostationary

0 引言

　　近年來,，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,，通信的安全性越來越受到人們的關(guān)注,。尤其在軍事無線通信中，由于現(xiàn)代電子戰(zhàn)技術(shù)[1]的發(fā)展,，通信信號的檢測和攔截技術(shù)發(fā)展迅速,，軍事無線通信面臨著嚴重安全問題，高性能的LPI信號設(shè)計變得尤為重要,，較之其他通信方式,，擴頻通信具有很強的抗截獲能力，因而在隱蔽通信中得到了越來越多的應(yīng)用,。

1 變換域通信技術(shù)

　　變換域通信系統(tǒng)(TDCS)的想法最早出現(xiàn)在1988年,，German[2]提出了根據(jù)通信環(huán)境頻譜占用等信息來調(diào)整直擴信號的波形來避免干擾,。TDCS與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)不同,，是在變換域?qū)π盘栠M行處理，且沒有使用載波調(diào)制,，而是采用類似于噪聲的基函數(shù)對信號進行調(diào)制,。擴頻通信是指用于傳輸信號的射頻帶寬遠遠大于信號自身帶寬的一種通信方式，目前最主要的擴頻系統(tǒng)是直接序列擴頻[3]（簡稱直擴）和跳頻擴頻（簡稱跳擴）系統(tǒng),。擴頻通信具有很多優(yōu)良性能,，特別是具有很強的抗干擾性能、能夠?qū)崿F(xiàn)多址通信,、安全保密,、抗多徑等功能。現(xiàn)代變換域通信技術(shù)是在變換域?qū)π盘栠M行處理,，是變換域通信與擴頻通信的結(jié)合,。國外在變換域通信技術(shù)領(lǐng)域起步較早，已經(jīng)進行了很多年的研究,。國內(nèi)對變換域通信比較詳細梳理的是何智青于2003年發(fā)表“變換域通信系統(tǒng)設(shè)計”碩士學位論文[4],。

2 信號檢測與參數(shù)估計方法

　　國內(nèi)外相關(guān)研究者已提出多種信號檢測和參數(shù)估計方法，主要有能量檢測法,、高階統(tǒng)計量法,、循環(huán)平穩(wěn)分析法、時頻分析法以及其他信號處理方法,。其中高階統(tǒng)計量法和循環(huán)平穩(wěn)性檢測法是最常用的檢測截獲方法,。高階統(tǒng)計量通常指的是高階矩、高階矩譜,、高階累積量和高階累積量譜,。高斯信號的三階及三階以上累積量為零，理論上高階累積量可以抑制高斯噪聲,。循環(huán)譜密度函數(shù)也被稱為譜相關(guān)函數(shù),，算法主要分為3種：分段譜相關(guān)函數(shù)算法,、FFT累加算法和瞬時相關(guān)函數(shù)算法。對于離散時間序列{x(n)},，n=0,，1，…,，N-1,，若為循環(huán)平穩(wěn)序列Sx(f)為序列{x(n)}的循環(huán)譜密度函數(shù)，其中Rx為序列x(n)的循環(huán)自相關(guān)函數(shù),，則：

　　JCB5)NROYZ_{S2FA`6FX[2U.png

　　目前,，F(xiàn)an Guangwei等人[5]提出一種遞推的基于三階對角切片的高階累積量檢測方法，算法檢測性能好,、計算量相對較少,；Shen Wei等人[6]提出一種基于多相濾波器組和高階累積量聯(lián)合處理的LPI雷達信號檢測算法，仿真結(jié)果表明,，該方法的檢測性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的能量檢測器,。

3 變換域LPI信號設(shè)計

　　3.1 基于FFT的LPI信號設(shè)計

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　　基于FFT的LPI信號設(shè)計框圖如圖1所示，串并轉(zhuǎn)換模塊將編碼后的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為以m為一組的并行比特流,；接著通過PPM調(diào)制模塊,，PPM調(diào)制保證了各并行比特流之間是正交的；然后對傅里葉變換處理后的信號進行偽隨機相移處理,；再經(jīng)過反傅里葉變換處理后的信號即為所得LPI信號,。為了保證正確解調(diào)，接收端與發(fā)送端采用相同的偽隨機序列,。仿真中采用長度為9的m序列對頻域信號進行偽相調(diào)制,。

　　3.2 基于小波變換的LPI信號設(shè)計


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　　基于小波變換的LPI信號設(shè)計框圖[7]如圖2所示，將比特流數(shù)據(jù)送入系統(tǒng),，首先對數(shù)據(jù)進行Walsh調(diào)制處理,，Walsh碼是一種同步正交碼，由于信號的傳輸是非同步傳輸,，Walsh碼的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)均不理想,，具有較大的旁瓣，采用偽隨機碼與Walsh碼進行復(fù)合應(yīng)用,，完成對信號的擴頻,；經(jīng)過傳輸多路復(fù)用器后送入離散逆小波變換模塊?；鶐盘柼幚硗旰?，再通過上采樣、D/A轉(zhuǎn)換、上變頻等處理連接到天線就可以發(fā)射出去,。仿真中使用長度為6的m序列進行擴頻調(diào)制,，采用db8小波進行信號設(shè)計。

4 信號的LPI性能分析


003.jpg

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　　高階累積量和循環(huán)平穩(wěn)性是目前信號檢測截獲最常用的方法,，本文仿真實現(xiàn)了基于FFT和小波變換的信號設(shè)計,，并使用高階累積量和FAM算法[8]兩種處理方法對所設(shè)計的信號波形進行特征參數(shù)提取，從信號特征角度對其LPI性能進行了分析,。為了更清楚地比較信號的LPI性能,，將本文設(shè)計的信號與傳統(tǒng)時域擴頻調(diào)制設(shè)計的信號進行對比。傳統(tǒng)LPI信號設(shè)計是基于偽隨機序列和BPSK調(diào)制的時域信號設(shè)計方法[9],。仿真時采用長度為4的m序列作為擴頻序列,。對所設(shè)計的信號進行二階循環(huán)平穩(wěn)性、二階累積量和四階累積量一維切片分析,，二階循環(huán)平穩(wěn)性分析如圖3所示,；最上圖是信號的循環(huán)平穩(wěn)值相對于循環(huán)頻率(alpha)、頻率(f)的三維圖,，S1為二階循環(huán)平穩(wěn)值,；中間圖是頻率為0時的切面圖,，最下圖是循環(huán)頻率為0時的切面圖,，其中，abs(X1),、abs(X2)分別為S1在頻率為0和循環(huán)頻率為0時對應(yīng)的切面值,。二階/四階累積量分析結(jié)果如圖4所示，分析結(jié)果表明,，對信號進行二階和四階累積量估計,，有周期性的峰值出現(xiàn)。通過理論計算對信號的載頻和碼元速率進行估計,，計算結(jié)果如表1所示,，其中Smax是峰值最大對應(yīng)的點，Sm是峰值次大對應(yīng)的點,，F(xiàn)c′是信號載頻估計值,，Rb′是碼元速率估計值，比較可知估計值與理論值接近,。

　　基于FFT設(shè)計的信號分析圖如圖5,、圖6所示。利用二階循環(huán)平穩(wěn)處理方法(與圖3類似),，在循環(huán)頻率為512處可以得到明顯的峰值,，與理論分析一致。對信號進行二階和四階累積量處理,，并沒有得到明顯的峰值,。

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　　基于小波變換設(shè)計的信號分析圖如圖7,、圖8所示。對信號進行二階循環(huán)平穩(wěn)處理（與圖3類似）,，沒有得到明顯的峰值,。對信號進行二階和四階累積量處理，在二階累積量分析圖中周期為63處的明顯峰值出現(xiàn),。

5 結(jié)論與展望

　　仿真分析得出,，基于變換域設(shè)計出的信號LPI性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法設(shè)計出的信號。其中基于FFT設(shè)計出的信號進行循環(huán)平穩(wěn)性分析,，在周期處有明顯峰值,；基于小波變換設(shè)計出的信號通過高階累積量分析，在周期處有明顯峰值,。下一步的研究重點主要有：(1)尋找更好的偽隨機相位處理方法,，抑制信號循環(huán)平穩(wěn)性的出現(xiàn)；(2)尋找性能更好的小波函數(shù),，抑制信號高階累積量的出現(xiàn),。通過算法的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，設(shè)計出沒有明顯特征的信號,，進一步提高信號的LPI性能,。

參考文獻

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