基于二叉樹方法的fskpsk復合調制雷達信號識別

基于二叉樹方法的fskpsk復合調制雷達信號識別

復合波形可以滿足雷達信號低捕獲概率的要求。因此，復合序列雷達信號技術廣泛應用于各種新雷達及其網絡。近年來，一些科學家提出了幾種復合波形，采用編碼理論進行數值畸變和信號調整。作為脈沖壓縮信號，fsk-psk信號具有大時寬、高信噪比、抗干擾特性和低裁剪特性（lpi），是li波束合成的一種更好的陣列雷達信號形式。在電子戰(zhàn)爭中，雷達信號的分析和識別是雷達探測信息系統(tǒng)的重要組成部分。因此，fsk-psk組合的雷達信號識別是現代雷達信號識別和處理的熱點和難點。數字調制信號的識別方法已有很多.文獻基于信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率信息提取了9個特征參數來識別AM、DSB、VSB、LSB、USB、AM-FM、FM、BPSK、QPSK、2ASK、4ASK、2FSK和4FSK信號;文獻利用信號的歸一化四階累積量對BPSK、4ASK、16QAM、8PSK等信號進行了識別;文獻采用小波變換的方法提取小波變換的模值,實現了MPSK和MFSK信號的識別,但對于FSK/PSK復合調制信號的調制識別,研究甚少.本文主要針對FSK/PSK復合調制信號的識別進行了研究,首先介紹了FSK/PSK復合調制信號的基本原理;其次提出了識別FSK/PSK、PSK和FSK信號的特征參數,并給定了識別門限;最后,利用MATLAB進行了仿真驗證.1fsk/psk復合調制信號模型FSK/PSK復合調制信號是對信號頻率和相位同時進行數字調制,即同時進行跳頻編碼和相位編碼,通常采用兩種模式實現:一種以頻移鍵控為基礎進行相位編碼,另一種以相移鍵控為基礎進行跳頻編碼.本文使用的FSK/PSK復合調制信號是在信號子脈沖跳頻的基礎上進行的相位編碼.設FSK/PSK信號包含M個寬度為Tf的頻率子脈沖,每個子脈沖又分為N個寬度為Tp的相位縫隙.因此,相位縫隙的總數目S=MN.FSK/PSK信號的復包絡為式中,cn取+1或-1,由第n個相位縫隙的相位決定,并且式中,ωn定義為第n個相位縫隙的頻率,π/2的相位偏移保證了相位變換總是發(fā)生在過零點處.本文所研究的FSK/PSK復合調制信號,其每個頻率子脈沖具有一個相位縫隙,FSK跳頻序列遵循一定規(guī)律隨機變化,PSK調相序列為二元偽隨機序列.{ωn}和{cn}的分布分別由式(3)和(4)決定式中,K表示FSK序列的頻率分量數,pk表示ωn=ωk(k,1,2,···,K)的概率,p1表示cn=1的概率,p-1表示cn=-1的概率.通常把具有K個跳頻分量、M個跳頻子脈沖的FSK/PSK復合調制信號記為K-M個FSK/PSK.2psk和fsk信號難以區(qū)分常用的數字調制信號有幅度調制、頻率調制(FSK)和相位調制(PSK).利用幅度信息可以將FSK/PSK復合調制信號與幅度調制信號(如ASK和QAM信號)區(qū)分開來;FSK/PSK復合調制信號與PSK和FSK信號難以區(qū)分的原因主要是:在低信噪比的情況下,PSK信號的星座圖是模糊的,因此其相位的變化率也是雜亂的,導致PSK和FSK信號難以區(qū)分;FSK/PSK復合調制信號同時采用了相位編碼和頻率編碼,因此FSK/PSK復合調制信號的識別更加困難.本文采用二叉樹的方法對FSK/PSK、PSK和FSK信號的調制識別進行研究,首先提取了特征參數Pnum,實現了{FSK/PSK,FSK}和PSK信號的識別,然后將FSK分兩種情況(相位連續(xù)FSK調制和相位不連續(xù)FSK調制),分別提取特征參數Rmax和Pmean對FSK/PSK和CPFSK信號、FSK/PSK和DPFSK信號進行識別.2.1性相對誤差pk、qpsk信號模型對于{FSK/PSK,FSK}和PSK的識別,本文采用直方圖的原理,即將對象范圍平均分成50等分來統(tǒng)計每一區(qū)間內元素的數目,根據區(qū)間-元素數目曲線圖中的尖峰數目提取特征參數Pnum,即信號瞬時相位非線性分量不同取值的種類數目,其計算公式為式中,φ(i)表示無混疊的瞬時相位;fc為載波頻率;fs為采樣頻率;?NL(i)定義為瞬時相位的非線性分量(即瞬時分量減去載波頻率的線性分量后的值),取值范圍為[0,2π);number[?NL(i)]表示?NL(i)分量不同取值的種類數目.載波頻率fc需要估計,其估計精度非常重要.對于這種求瞬時相位的非線性分量問題,分析表明線性分量的頻率估計相對誤差fprec必須滿足式(6)本文采用高階累積量載頻估計方法來滿足此精度要求.根據計算,對于BPSK、QPSK和8PSK信號,理想情況下參數Pnum的值分別為2、4和8;{FSK/PSK、FSK}信號對應的參數應大于8.在信噪比0～20dB范圍內,對每一個信噪比下的特征參數Pnum進行了200次MonteCarlo實驗,仿真曲線如圖1所示.選取的門限T1如圖1中的點線所示,需要說明的是,該門限經反復試驗驗證了其準確性.2.2fsk、psk和fsk信號的識別FSK信號有相位連續(xù)FSK調制(CPFSK)和相位不連續(xù)FSK調制(DPFSK)兩種形式,本文根據這兩種情況分別進行討論.2.2.1數據歸一化幅度的識別對于CPFSK信號,其包絡(瞬時幅度)為常數,故其零中心歸一化瞬時幅度為0,而FSK/PSK復合信號因含有相位編碼,在相位變化時刻將會產生幅度突變,所以含有幅度變化信息.因此,本文提取了特征參數零中心歸一化瞬時幅度之譜密度的最大值Rmax來對FSK/PSK和CPFSK信號進行識別,計算公式為式中,a(i)表示瞬時幅度,ma表示瞬時幅度a(i)的平均值,an(i)表示歸一化瞬時幅度,acn(i)表示零中心歸一化瞬時幅度,N表示采樣點數.特征參數Rmax的200次MonteCarlo實驗的仿真曲線如圖2所示.選擇的門限T2如圖2中的點線所示,該門限也經過了反復驗證.2.2.2相位序列提取相對DPFSK信號來說,FSK/PSK復合調制信號多了相位編碼,因此,本文提取了一種新的特征參數:絕對相位的均值Pmean,即無混疊瞬時相位減去瞬時頻率的線性分量后的非線性分量.對于本文中FSK/PSK復合調制信號來說,因為其相位序列采用等概率二相編碼,理論上絕對相位的均值Pmean為;而DPFSK無絕對相位,其Pmean為0.絕對相位提取的前提是估計信號的瞬時頻率,估計瞬時頻率最直接的方法是將信號進行Hilbert變換,再根據虛部與實部的比值的反正切求導得到.但文獻指出,基于小波脊線提取信號的瞬時頻率具有較好的抗噪聲能力和較高的計算精度,本文采用文獻中的方法提取信號的瞬時頻率,仿真結果驗證了該方法能滿足瞬時頻率的精度要求.特征參數Pmean的計算公式為式中,φ(i)和fs定義同式(5);fi表示瞬時頻率,具體計算參見文獻;?ab(i)表示對相位;N表示采樣點數目.特征參數Pmean的200次MonteCarlo實驗的仿真曲線如圖3所示.門限T3如圖3中的點線所示,該門限通過了實驗的反復測試.3挑戰(zhàn)噪聲、噪聲本文仿真的參數設置為:采樣頻率fs=100MHz,載波頻率fc=10MHz,碼元速率rc=2MHz,頻偏df=1MHz,碼元數目Nc=120;采用8-256FSK/PSK復合調制信號,即具有8個跳頻分量數,256個頻率子脈沖,跳頻序列滿足一定的概率分布,相位序列采用等概率二相編碼.噪聲為高斯白噪聲,信噪比為0～20dB.100次MonteCarlo實驗,FSK/PSK、PSK和兩種FSK信號的正確識別率曲線分別如圖4和5所示.圖4(a)和圖5(a)中PSK、FSK信號分別取8PSK、8FSK信號;圖4(b)和圖5(b)中PSK、FSK信號分別為隨機產生的不同M進制的MPSK、MFSK信號.從圖4中的(a)和(b)中可以看到,在信噪比為10dB時,FSK/PSK復合調制信號和PSK信號的正確識別率達到了100%,CPFSK信號的識別率達到了99%.但在低信噪比時,8PSK信號識別性能較差.從圖5中的(a)和(b)中可以看出,在信噪比為7dB時,FSK/PSK復合調制信號的正確識別率達到了100%,PSK信號的識別率達到了99%,DPFSK信號的識別率達到了98%.圖4和5的結果與圖1～3中門限的確定是一致的.另外,由圖4(b)和圖5(b)可以看到,本文提出的算法對不同進制的MPSK和MFSK信號的識別效果是一樣的.4fsk/psk復合調制雷達信號的識別性能本文主要研究了FSK/PSK、PSK、FSK信號之間的識別,利用信號的相位信息提取瞬時相位非線性分量不同取值的種類數目Pnum和絕對相位的均值Pmean,根據信號的幅度信